包层泵浦掺Tm3+光纤激光器及放大器的研究

论文摘要

随着包层泵浦技术以及大功率多模半导体激光器工艺的快速发展与完善,光纤激光器及光纤放大器获得了前所未有的发展。近年来,2μm激光光源在军事、医学、工业等领域显示出越来越广泛的应用前景。本文从理论和实验两个方面对2μm双包层掺Tm3+光纤激光器及放大器进行了研究。理论上,分析了Tm3+在氟化物、石英两种光纤基质中的光谱特性。从光纤激光器的速率方程和传输方程出发,结合交叉弛豫过程,数值模拟了后腔镜反射率,光纤掺杂浓度以及光纤长度等参数对光纤激光器输出特性的影响,分析了光纤掺杂浓度,光纤传输本征损耗等因素与激光器输出波长的关系。根据双包层掺Tm3+光纤放大器简化的稳态理论模型,通过数值模拟,分析了正向泵浦和反向泵浦两种方式下,光纤长度、光纤掺杂浓度、泵浦功率对放大器输出特性的影响以及最佳光纤长度与泵浦功率之间的关系。实验上,进行了LD包层泵浦掺Tm3+光纤激光器的实验,获得了11.7W的2μm连续激光输出,斜率效率达到53.8%。采用主振荡功率放大技术开展了掺Tm3+光纤放大器对信号光1988nm和2050nm放大实验。在1988nm波长处,实现3W的连续放大输出,增益10dB;比较了不同长度光纤对脉冲1988nm种子信号光的放大效果,2.9m光纤放大效果最佳;在2050nm波长处,重复频率在10kHz时,获得平均功率最高2.88W,脉冲宽度80ns,峰值功率3.6kW的脉冲放大输出。最后,采用耦合波理论对单模均匀分布光纤光栅和多模光纤光栅进行了定性分析。对于以光纤光栅作为腔镜的掺Tm3+光纤激光器进行了初步的实验研究,获得了2.73W的窄线宽连续激光输出,激光器斜率效率达35.9%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 双包层光纤的结构特性及发展
• 1.2.1 大模场面积双包层光纤（LMA）
• 1.2.2 保偏的大模场面积的双包层光纤（PM-LMA）
• 1.3 双包层光纤激光器的基本谐振腔结构
• 1.3.1 F-P 腔结构
• 1.3.2 环形腔结构
• 1.4 双包层光纤激光器及放大器的应用前景
• 3+光纤激光器的发展概况'>1.5 掺Tm³⁺光纤激光器的发展概况
• 3+光纤放大器的发展概况'>1.6 掺Tm³⁺光纤放大器的发展概况
• 1.7 本论文的工作
• 3+光纤激光器及放大器理论'>第2章 掺Tm³⁺光纤激光器及放大器理论
• 3+的光谱特性'>2.1 在激光玻璃基质中Tm³⁺的光谱特性
• 3+光纤激光器的理论研究'>2.2 掺Tm³⁺光纤激光器的理论研究
• 3+的能级结构及速率方程'>2.2.1 Tm³⁺的能级结构及速率方程
• 3+光纤激光器功率传输方程及边界条件'>2.2.2 掺Tm³⁺光纤激光器功率传输方程及边界条件
• 3+光纤激光器输出波长的特性'>2.2.3 掺Tm³⁺光纤激光器输出波长的特性
• 2.3 双包层光纤激光器的数值模拟及结果分析
• 2.3.1 光纤激光器中的功率的分布
• 2.3.2 泵浦光沿光纤长度方向上的分布
• 2.3.3 输出功率与泵浦功率的关系
• 2.3.4 输出功率与后腔镜反射率的关系
• 2.3.5 不同掺杂浓度时激光器中的功率分布
• 2.3.6 不同参数下输出激光波长的分布
• 3+光纤放大器稳态理论模型'>2.4 掺Tm³⁺光纤放大器稳态理论模型
• 2.5 双包层光纤放大器数值模拟结果及分析
• 2.5.1 不同泵浦方式下放大器中光功率分布
• 2.5.2 不同掺杂浓度条件下信号光功率分布
• 2.5.3 不同泵浦功率条件下信号光功率分布
• 2.5.4 放大输出功率与泵浦功率的关系
• 2.5.5 最佳光纤长度与泵浦功率的关系
• 2.6 本章小结
• 3+光纤激光器及放大器实验研究'>第3章 掺Tm³⁺光纤激光器及放大器实验研究
• 3+光纤激光器实验研究'>3.1 LD 泵浦掺Tm³⁺光纤激光器实验研究
• 3.1.1 实验装置
• 3+光纤激光器实验结果及分析'>3.1.2 掺Tm³⁺光纤激光器实验结果及分析
• 3.2 双包层光纤放大器198811m 连续种子光注入放大实验
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 种子信号源
• 3.2.3 实验结果与分析
• 3.3 双包层光纤放大器1988nm 脉冲种子光注入放大实验
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 种子信号源
• 3.3.3 实验结果及分析
• 3.4 双包层光纤放大器2050nm 种子信号光注入放大实验
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 种子信号源
• 3.4.3 连续种子光放大实验结果及分析
• 3.4.4 脉冲种子光放大实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 双包层光纤光栅原理及初步实验研究
• 4.1 光纤光栅的分类
• 4.2 光纤光栅耦合模理论分析
• 4.2.1 单模光纤光栅的定性分析
• 4.2.2 多模光纤光栅的定性分析
• 4.3 光纤光栅作为F-P 腔镜的双包层光纤激光器实验研究
• 4.3.1 实验装置
• 4.3.2 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢