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飞秒激光直写氟化锆基光纤光栅及其中红外激光性能研究

摘要

2–5μm中红外波段在电磁波谱中处于重要地位，其在航空航天、医疗诊断、精密

探测、国防安全等领域具有重要且明确的应用。在众多类型的中红外激光器中，光纤

激光器被认为是最有希望实现轻量化、高光束质量和高效率的激光光源。氟化锆基玻

璃材料具有声子能量低、传输窗口宽、稀土离子溶解度高、传输损耗低等优势，是实

现2–5μm激光输出优异的增益介质。目前应用最广泛的氟化锆基玻璃光纤为ZBLAN

光纤，但是ZBLAN光纤长时间在空气中工作时容易发生潮解而失效。针对此问题本课

题组研发了一种兼具良好抗潮解性能和热学性能的ZBYA氟化锆基光纤，然而，作为

构建全光纤激光系统核心器件的光纤光栅尚未被研究。本文围绕ZBLAN光纤与ZBYA

光纤此两种氟化锆基玻璃光纤，采用飞秒激光逐线直写的方法在这两种光纤上分别刻

写高反射率的布拉格光纤光栅（FiberBraggGrating，FBG），通过改变单脉冲能量、刻

写速度、光栅阶数、栅区长度，探索了不同参数对于FBG性能的影响。此外，利用高

反射率FBG进行了中红外光纤激光器的研制，并测试了输出激光的性能。本论文取得

的研究成果具体如下：

1.使用中心波长为800nm的飞秒激光通过逐线刻写的方式在7mol%Er3+掺杂的双

D型包层ZBLAN光纤中写入了FBG。探索了不同单脉冲能量、刻写速度、光栅阶数、

栅区长度对所刻写的FBG透射谱的影响。当飞秒激光单脉冲能量为1.32uJ，刻写速度

为20μm/s，阶次为3阶，刻写长度为0.9cm时，FBG获得了最高的反射率，在2825

nm处的谐振峰强度为20dB，对应反射率约为99%，其插入损耗为0.3dB，最大负折

−3

射率改变量为1.6×10。

2.将反射率为99%的FBG刻写在6.5m长的7mol%Er3+掺杂的ZBLAN光纤的一

端。在976nm半导体激光器的泵浦下，获得了中心波长为2825nm的激光输出。激光

激射阈值为0.969W，最高输出功率为3.75W，斜率效率为34.4%。

3.使用中心波长为800nm的飞秒激光通过逐线刻写的方式在国产0.5mol%Ho3+掺

杂的ZBYA光纤中写入FBG。探索了不同单脉冲能量、刻写速度、光栅阶数、栅区长

度对所刻写的FBG透射谱的影响。当飞秒激光单脉冲能量为1.98uJ，刻写速度为20

μm/s，阶次为4阶，刻写长度为1.1cm时，光纤光栅在2080nm处的谐振峰强度为8

dB，对应反射率约为84.2%，器插入损耗为1.6dB，最大负折射率改变量为1.5×10−3。

4.将反射率为84.2%的FBG刻写在83cm长的0.5mol%Ho3+掺杂的ZBYA光纤的

I

哈尔滨工程大学工学硕士学位论文

一端。在1976nm掺铥光纤激光器的泵浦下，获得了中心波长为2080nm的激光输出。

激光激射阈值为66mW，最高输出功率为1.25W，斜率效率为39.4%。

关键词：飞秒激光直写；光纤布拉格光栅；氟化锆基玻璃光纤；中红外光纤激光

器

II

飞秒激光直写氟化锆基光纤光栅及其中红外激光性能研究

ABSTRACT

The2–5μmmidinfraredwavelengthlaserhasimportantandclearapplicationsin

aerospace,medicaldiagnosis,precisiondetection,nationaldefenseandsecurityfieldsdueto

itssigni