高功率全光纤化Er3+/Yb3+共掺光纤激光器的研究

论文摘要

包层泵浦技术的出现带来了高功率光纤激光器的革命,而Er3+/Yb3+共掺光纤光纤在激光器上的应用,扩展了掺Er3+光纤激光器的泵浦源选择范围和避免了浓度猝灭效应,进一步提高了光纤激光器在1.5μm波段的输出功率。高功率的Er3+/Yb3+共掺光纤激光器具有良好的光束质量和高功率密度,不仅用于长距离的通讯传输,还可以高效泵浦多种掺Er3+和掺Tm3+晶体,所以获得了越来越多的关注。理论上,应用Er3+/Yb3+共掺光纤激光器的速率方程,在高功率稳态情况下获得了其功率传输方程组,并结合光纤激光器的边界条件获得功率输出函数。以此为理论基础,仿真确定了光纤的最佳长度,并分析了腔镜反射率、掺杂浓度、注入泵浦功率和背景损耗对正反向输出功率和最佳长度的影响。实验上,根据所用LD的输出功率特性和红移特性,在保证LD安全的前提下,确定了最佳泵浦情况时的工作状态。在此基础上,搭建了端面反射的全光纤化光纤激光器,获得了1.5μm波段的多尖峰振荡输出,斜率效率达到18.3%。首次成功地将单包层光纤刻写的光栅处理后获得双包层光纤光栅的性质,以此作为激光器的输入腔镜,以光纤端面为输出腔镜,构建了全光纤化单光栅光纤激光器:首先获得了斜率效率为22.9%,最高输出功率6.3W,线宽为36.0pm,中心波长为1569.7nm的单波长窄线宽输出激光;更换光栅和优化光纤长度后获得斜率效率达到21.3%,最高输出功率4.02W,线宽34.9pm,中心波长为1531.9nm单波长窄线宽输出激光。分析了在全光纤化单光栅激光器中影响光束质量的主要原因。通过在输出端熔接单包层通讯光纤的方式,剥离包层中传输的泵浦光、激光以及荧光。成功熔接和掺杂光纤匹配的通讯光纤将输出激光光束质量因子M2从17.2改善到1.82。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 光纤激光器的优点
• 1.1.2 包层泵浦技术
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器的应用'>1.1.3 Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器的应用
• 1.2 高功率掺稀土离子激光器的发展
• 1.3 双包层光纤激光器的结构
• 1.3.1 腔镜式结构
• 1.3.2 全光纤化结构
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器的发展现状'>1.4 高功率Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器的发展现状
• 1.5 本论文的工作
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器理论'>第2章 Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器理论
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器的发射机理'>2.1 Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器的发射机理
• 3+/Yb³⁺的能级结构及速率方程'>2.2 Er³⁺/Yb³⁺的能级结构及速率方程
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器功率传输方程'>2.3 Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器功率传输方程
• 2.4 本章小结
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器的理论模拟'>第3章 Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器的理论模拟
• 3.1 光纤长度对激光器特性的影响
• 3.2 腔镜（光栅）反射率对激光器特性的影响
• 1s对输出功率的影响'>3.2.1 R_1s对输出功率的影响
• 2s对输出功率的影响'>3.2.2 R_2s对输出功率的影响
• 2p对输出功率的影响'>3.2.3 R_2p对输出功率的影响
• 3.3 掺杂浓度对激光器特性的影响
• 3.3.1 掺杂浓度比不变，掺杂浓度变化
• 3.3.2 镱铒杂浓度不变，掺杂浓度比变化
• 3.4 注入功率对激光器输出影响
• 3.5 背景损耗对激光器的影响
• 3.6 本章小结
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器实验研究'>第4章 双包层Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器实验研究
• 4.1 泵浦源的波长变化特性
• 4.1.1 泵浦源输出功率的标定
• 4.1.2 泵浦源输出波长的变化特性
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器'>4.2 端面反射全光纤化Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器
• 4.2.1 实验装置图
• 4.2.2 实验结果及分析
• 3+/Yb³⁺共掺光纤激光器'>4.3 全光纤化单光栅Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器
• 4.3.1 实验装置图
• 4.3.2 出射波长为1569.311m激光的实验结果和分析
• 4.3.3 出射波长为1531.911m激光的实验结果和分析
• 4.4 包层传输光剥离和光束质量的改善
• 4.4.1 影响光束质量的因素
• 4.4.2 包层传输光的剥离
• 4.5 实验存在的问题以及课题建议
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢