【摘 要】
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光纤激光器在工业和科学研究领域产生了重大的影响,数十年来,有关光纤激光器的探索在不断深入,研究人员已将光纤激光器的工作波长从紫外光延伸到了中红外光。其中,由于工作波段在3 μm左右的中红外激光源覆盖了大气吸收窗口、水分子以及CO2吸收区域,因而可以将其应用在环境监测、激光外科手术、激光雷达以及科学基础研究中。目前实现3 μm中红外激光的方法有非线性技术和直接产生技术,非线性技术包括光参量振荡技术和
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光纤激光器在工业和科学研究领域产生了重大的影响,数十年来,有关光纤激光器的探索在不断深入,研究人员已将光纤激光器的工作波长从紫外光延伸到了中红外光。其中,由于工作波段在3 μm左右的中红外激光源覆盖了大气吸收窗口、水分子以及CO2吸收区域,因而可以将其应用在环境监测、激光外科手术、激光雷达以及科学基础研究中。目前实现3 μm中红外激光的方法有非线性技术和直接产生技术,非线性技术包括光参量振荡技术和拉曼光纤激光技术等,直接产生技术包括稀土光纤/固体激光、半导体量子级联（QCL）、化学激光等。中红外光纤激光器由于具备体积小、易超作、低成本、免维护、光束质量高等优势,逐渐成为工业制造和科学研究的主要方向。基于上述这些优点以及为了满足军工、科研等应用方面的需求,追求更高功率,更高能量以及更高集成度逐渐成为3 μm中红外光纤激光器的研究发展方向。要实现3 μm波段中红外激光输出,增益光纤通常采用掺稀土离子（Er3+、Ho3+、Dy3+等）氟化物光纤。为了追求更高集成度,即实现全光纤结构,目前已有的技术包括氟化物光纤熔接、刻写氟化物光纤光栅以及光纤端面镀膜。然而,采用光纤熔接技术对氟化物光纤与其他类型光纤进行熔接,存在熔接损耗大、熔接成本高的缺点;而直接刻写氟化物光纤光栅技术操作复杂、难度较高,并且也会增加系统成本。使用光纤端面镀膜技术实现全光纤激光器,则能够较好地克服上述两种技术存在的缺点。因此,本文旨采用光纤端面镀膜技术,围绕3 μm波段光纤激光器,实现全光纤结构、低成本的高功率连续以及增益开关短脉冲激光输出,主要内容包括:（1）对产生3 μm激光的Er3+与Ho3+能级运转机制和能量转换过程展开分析,并基于Er3+与Ho3+的能级体系,建立Er3+:ZBLAN光纤激光器和Ho3+:ZBLAN光纤激光器的速率方程与功率传输方程,为后续开展相关实验提供理论依据。（2）使用光纤端面镀膜代替传统的体块状输入输出耦合器件,搭建掺Er3+:ZBLAN全光纤高功率激光器,获得～2.4 W的连续输出,对应的斜效率为25.4%。（3）通过增益开关技术实现掺Ho3+:ZBLAN全光纤脉冲激光器,开展增益开关激光器的脉冲动力学研究,结合数值仿真,对其时域特征进行研究探讨。对应的实验中详细分析了增益光纤长度、泵浦平均功率、泵浦重复频率、输出耦合等因素对增益开关脉冲输出性能的影响。该工作针对将来如何使用增益开关技术获得更窄脉宽、更高重频以及更高能量的输出脉冲激光具有重要参考价值。
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