基于PbSe量子点增益介质的1.7微米光纤激光器的数值模拟研究.pdfVIP

摘要

光纤激光器利用基于全反射原理的光纤进行光传输及放大，具有稳定性高、

光束质量优秀、光电转率高等优点，目前被广泛用于激光加工、光纤通信、激光

测量等领域。光纤激光器的辐射波长范围由谐振腔内的增益介质决定，现有的增

益介质主要是稀土离子（镱、铒、铥等），所能辐射的波长集中在1µm、1.5µm、

2µm波长附近，难以高效辐射一些特殊波长，例如在医学成像领域发挥重要作用

的1.7µm波段。量子点材料是解决这一问题的有效方案。量子点是一种半导体纳

米晶体材料，它具备辐射波长随尺寸连续变化的特点，对于高效辐射1.7µm等特

殊波长意义重大。本文利用量子点的量子尺寸效应，结合硒化铅（PbSe）量子点

的极高发射截面，提出基于PbSe量子点增益介质的1.7µm光纤激光器，探索PbSe

量子点光纤产生连续激光及孤子脉冲的关键问题，为拓展光纤激光器的应用范围

做出突出贡献。具体研究工作包括以下几方面内容:

（1）在以PbSe量子点为增益介质的基础上，建立线形腔光纤激光器和环形

腔光纤激光器的数值计算模型，证明了其实现1.7µm的连续激光输出的可行性。

在线形腔结构下讨论了输出光纤光栅的反射率对输出功率的影响，以及双面泵浦

的优势。在环形腔结构下探究了PbSe量子点光纤的长度、量子点掺杂浓度、输

出耦合比以及泵浦功率对激光输出特性的影响。

（2）为了更符合现实光纤激光器内部的光传输特性，将速率方程与金兹伯

格廊道方程结合，在动态增益的条件下建立了PbSe量子点锁模光纤激光器的数

值计算模型，证明了PbSe量子点锁模光纤激光器产生波长为1.7µm的孤子脉冲

可行性。

（3）在PbSe量子点锁模光纤激光器的数值计算模型基础上，分别探讨了两

种不同的初始信号、PbSe量子点增益光纤的长度、掺杂浓度、谐振腔的色散与

非线性以及可饱和吸收体调制深度对孤子形成和最终形态的影响，最后给出了孤

子脉冲稳定后在谐振腔内部传输的时域演化和光谱演化。

关键词：1.7µm光纤激光器，PbSe量子点，数值计算模型，孤子

ABSTRACT

Thelightendowedwithhighstability,excellentbeamqualityandhigh

photoelectricconversionefficientwhenittransmitsbytotalreflectioninfiberlasers.

Fiberlasersarecrucialinmanyfields,laserprocessing,opticalcommunicationand

lasermeasurement,tonameafew.However,itisdifficulttoemitseveralparticular

wavelengthsfromthepresentfiberlasersowingtothelimitationofemission

wavelengthsfromrare-earth-dopedgainmediainfiberlasers.Forinstance,rare-earth

ionscanradiatewavelengthsof1μm,1.5μm,2μm,etc.Yetthereisnoemission

cross-sectionorextremelylowemissioncross-sectionatanumberofparticular

wavelengths,suchastheimportantbiomedicalwavelengthof1.7μm.Thisfactleads

toadifficultyofobtaining1.7μmfromamode-lockedrare-earth-dopedfiberlaser

directly.Quantumdots(QDs),aquasi