喇曼光纤激光器及其应用研究---冯鸣--博士

喇曼光纤激光器及其应用研究,答辩人：冯鸣导师：吕可诚教授,主要内容,第一部分研究背景和意义第二部分喇曼光纤激光器理论研究第三部分线形腔喇曼光纤激光器实验研究第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究第六部分总结,1.1喇曼光纤激光器简介,产生机理：光纤中的受激喇曼散射（SRS）特点：输出波长灵活拓展激光器输出范围多波长输出简化器件结构降低成本波长可调谐、光束质量好、输出功率高应用：光纤通信、光传感、激光医学、生物工程、光谱学、制药、科学研究、工业制造、彩色显示、国防工业等,第一部分研究背景和意义,1.2喇曼光纤激光器在泵浦产生超连续谱方面的应用,超连续谱激光在非线性介质中的剧烈展宽现象应用光学相干层析、光学频率计量、生物医学、光纤通信、光纤传感、光脉冲压缩等实现方法短脉冲泵浦：峰值功率高、平均功率低连续波泵浦：平均功率高、所需介质较长喇曼光纤激光器输出功率高、输出波长灵活，很适合作为连续波泵浦源激发超连续谱,第一部分研究背景和意义,主要内容,第一部分研究背景和意义第二部分喇曼光纤激光器理论研究第三部分线形腔喇曼光纤激光器实验研究第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究第六部分总结,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.1单波长喇曼光纤激光器理论研究（线形腔，环形腔）2.2多波长线形腔喇曼光纤激光器研究2.3多波长环形腔喇曼光纤激光器研究,喇曼光纤激光器理论模型,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟,喇曼增益光纤锗硅喇曼光纤：增益系数高、频移量小（440cm1）磷硅喇曼光纤：增益系数低、频移量大（1330cm1）,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,Pump=1060nmoutput=1480nm,数值模拟激光器结构：,磷硅光纤,锗硅光纤,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟(),喇曼光纤激光器腔内功率分布：,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,磷硅喇曼光纤更适于制作大频移量的级联喇曼光纤激光器,2.1单波长喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.2多波长线形腔喇曼光纤激光器数值模拟,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.2多波长线形腔喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.2多波长线形腔喇曼光纤激光器数值模拟(),第二部分喇曼光纤激光器理论研究,输出光栅反射率对激光器输出特性的影响：,激光器优化：三波长输出功率均等,激光器主要参数：泵光波长：1452nm输出激光中心波长：1550nm输出激光波长个数：10输出激光波长间隔：1.6nm腔内元件总插入损耗：0.6dB光纤吸收损耗：0.5dB/km（泵光）0.2dB/km（激光）,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.3多波长环形腔喇曼光纤激光器数值模拟,光纤长度的影响：,短波长光对长波长光有泵浦作用，输出功率较低光纤较长时功率变化较缓光纤长度对功率平坦度影响不大，长光纤稍好光纤增长使短波长对长波长光泵浦效应更明显，使激光峰值波长向长波方向移动,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.3多波长线形腔喇曼光纤激光器数值模拟(),输出耦合比的影响：,激光总功率随输出耦合比变化明显，应计算选取输出耦合比会改变各Stokes波间的耦合强度，从而影响激光器的功率平坦度输出耦合比的降低使Stokes波间的耦合作用（泵浦）加强，使激光峰值波长向长波方向漂移,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,2.3多波长线形腔喇曼光纤激光器数值模拟(),喇曼光纤激光器理论研究总结,单波长喇曼光纤激光器模拟（线形腔、环形腔）腔内功率分布、激光器结构参数影响、激光器参数优化磷硅光纤更具优势多波长线形腔喇曼光纤激光器模拟Stokes波的湮灭和重新振荡输出光栅反射率的优化，实现输出功率均等多波长环形腔喇曼光纤激光器模拟增益光纤长度的影响输出耦合比的影响,第二部分喇曼光纤激光器理论研究,主要内容,第一部分研究背景和意义第二部分喇曼光纤激光器理论研究第三部分线形腔喇曼光纤激光器实验研究第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究第六部分总结,第三部分线形腔喇曼光纤激光器实验研究,3.1磷硅喇曼光纤的设计与研制3.2单级/两级磷硅喇曼光纤激光器研究（1245nm，1495nm）3.3磷硅共用喇曼光纤激光器研究（1315nm，1414nm）3.4双波长喇曼光纤激光器研究（1414/1495nm）,3.1磷硅喇曼光纤的设计与研制,设计参数：掺杂浓度：10mol%吸收损耗：25dB最大输出功率：17.9mW,4.2密集型多波长环形腔喇曼光纤激光器研究,第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究,15xxnm多波长喇曼光纤激光器样机的制作与输出特性：,激光器样机,环形腔喇曼光纤激光器实验研究总结,第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究,多级级联环形腔喇曼光纤激光器研究Stokes波的产生位置（腔内损耗）Stokes波的竞争（湮灭和重新振荡）Stokes波的展宽与分裂（SRS&FWM）密集型多波长环形腔喇曼光纤激光器研究激光器设计（引入FWM，控制输出波长）激光器输出特性（激光的漂移和消光比的变化）15xxnm样机研制（科技成果鉴定）输出波长个数：19个，波长间隔：0.8nm，消光比：25dB,主要内容,第一部分研究背景和意义第二部分喇曼光纤激光器理论研究第三部分线形腔喇曼光纤激光器实验研究第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究第六部分总结,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,连续波激光器泵浦产生超连续谱优势：输出平均功率高提高非线性效应是关键对装置结构进行研究很有必要,主要内容产生装置结构研究嵌套式结构研究,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.1超连续谱产生装置的设计和输出特性,1315nm,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.1超连续谱产生装置比较,应用喇曼光纤激光器产生超连续谱的四种结构,35nm,48nm,75nm,100nm,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.1超连续谱产生装置研究,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的研究,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的机理(),调制不稳定性旁瓣：,调制不稳定性：,G652光纤色散曲线,反常色散区入射20产生频频旁瓣,四波混频效应：简并四波混频：,简并四波混频效应相位匹配曲线,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的机理(),四波混频效应：,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的机理(),嵌套式结构中超连续谱随泵浦光的演化,1385nm,1392nm,1307,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的机理(),受激喇曼散射效应：,为Stokes波提供能量对超连续谱的整个区域进行放大,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的机理(),超连续谱产生过程：,受激喇曼散射，Stokes波的产生,3.5km,10km,以光谱宽度为参考，光纤长度应存在最佳值。光纤长度的增加会提高输出光谱的平坦度，降低超连续谱产生的阈值。光纤长度较短时可提高超连续谱的输出功率。实际应用中应综合考虑。,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的研究,5.2.2G652光纤长度对超连续谱的影响：,图（a）：47图（b）：69图（c）：80就光谱宽度而言光栅反射率存在一个最佳值。光栅反射率过低，会使Stokes波转化效率下降，从而影响光谱的展宽宽度。光栅反射率过高，会使Stokes波强度过高，难以完全转化为超连续谱，形成尖峰结构。,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的研究,5.2.3输出端光栅反射率对超连续谱的影响：,对输出端光纤光栅拉伸（a）前（b）后获得的超连续光谱对输出端反射光栅进行了拉伸，结果表明，输出超连续谱的展宽范围有所减小，而原有的处于中心波长处的尖峰消失了，3dB带宽由2.7nm变为11.8nm，平坦度大大提高。可通过调谐光栅的方法改变超连续谱形状,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,5.2嵌套式结构产生超连续谱的研究,5.2.4输出端光栅中心波长对超连续谱的影响：,应用喇曼光纤激光器产生超连续谱总结,第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究,装置结构设计与比较设计了四种装置嵌套腔结构、光纤光栅、泵浦方式讨论嵌套式结构产生超连续谱的研究超连续谱的演化超连续谱产生机制（MI、FWM、SRS）结构参数的影响-30dB带宽：102nm，输出功率：1.3W,主要内容,第一部分研究背景和意义第二部分喇曼光纤激光器理论研究第三部分线形腔喇曼光纤激光器实验研究第四部分环形腔喇曼光纤激光器实验研究第五部分应用喇曼光纤激光器产生超连续谱研究第六部分总结,理论研究单波长激光器（增益介质的比较）多波长线形腔激光器Stokes波的竞争（湮灭与重新振荡）优化（输出功率均等）多波长环形腔激光器结构参数的影响（光纤长度、输出耦合比）线形腔激光器实验国产磷硅光纤的设计与研制单级/两级级联激光器，磷硅共用激光器（双单元结构），双波长激光器（多FP腔并联）制成样机，输出功率W量级（成果鉴定）,第六部分总结,环形腔激光器实验多级级联激光器Stokes波的竞争（湮灭与重新振荡）Stokes波的展宽与分裂（FWM）密集型多波长环形腔激光器样机：19波长，25dB隔离度（成果鉴定）应用喇曼激光器产生超连续谱四种装置结构的设计与比较（Opt.Eng.）嵌套式结构研究（IEEEPhoton.Technol.Lett.）产生机制（MI、FWM、SRS）光谱宽度：102nm，输出功率：1.3W,第六部分总结,攻读博士期间参加项目,1、国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目：名称：通信领域高效、高功率包层泵浦光纤激光器件项目编号：2003AA312100。2、国家自然科学基金重点项目：名称：双包层光纤光子器件及应用研究项目编号：60137010。3、国家自然科学基金项目：名称：包层泵浦串级喇曼光纤激光器研究项目编号：69877006。4、天津市自然科学基金项目：名称：喇曼分布光纤放大器项目编号：013602311。,主要论文,M.Feng,Y.G.Li,J.Li,J.F.Li,L.Ding,andK.C.Lu,HighPowerSupercontinuumGenerationinaNestedLinearCavityInvolvingaCWRamanFiberLaser,IEEEPhotonic.Technol.Lett.,17(6),pp.1172-1174,2005(SCI:936JC,EI:05269181924)FENGMing,LIYi-Gang,LIJia-Fang,LIJing,ZHANGXiao-Guang,LUKe-Cheng,WANGHong-Jie,HighPowerOne-andTwo-OrderCascadedRamanLasersBasedonHome-MadePhosphosilicateFibre,Chin.Phys.Lett.,22(5),pp.1137-1139,2005(SCI:927OF)MingF,LiYG,JingL,LiJF,ChenSP,LuKC,ComparisonbetweentheperformanceoftheP-dopedandGe-dopedRamanfiberlasersbasedonnumericalsimulations,inproceedingsofthesocietyofphoto-opticalinstrumentationengineers(SPIE),vol:5623:926-933,Part1-22004(EI:05189084423)J.Li,M.Feng,Y.G.Lietal.,EffectofcavitystructureonthespectrumofthesupercontinuumgeneratedinalinearcavitypumpedbyCWRamanfiberlaser,Opt.Eng.,2005,44(11):114204,主要论文,冯鸣，阮双琛，杜晨林，杜戈果，吕可诚，掺Yb3+双包层光纤激光器中频率上转换产生可见光的实验研究，光子学报，33（6）：648-650，2004(EI:04338313831)李家方，冯鸣，李乙钢，陈胜平，闫培光，吕可诚，48-波长线形腔掺铒光纤激光器，光子学报，2005，34（4）：485-488阮双琛，冯鸣，文华胡，苏红新，吕可诚，高效掺Yb3+双包层光