1.06μm掺镱磷酸盐光纤激光器理论及实验研究

论文摘要

光纤激光器具有低阈值、低噪声、高信噪比、高稳定度和高集成化等优点,在光纤通信系统、相干检测系统、相位型光纤传感系统及光谱学等领域中有着广泛的应用。镱离子具有能级结构简单且能级之间相距较远的特点,因此难以发生无辐射交叉弛豫和浓度猝灭,在抽运波长和激光波长处也不存在激发态吸收,近年来成为传感领域和通信领域研究的热点。本文围绕1.06μm掺镱磷酸盐光纤激光器开展了大量的理论和实验研究:探讨了光纤激光器的纵模横模选择技术,并对1.06μm掺镱磷酸盐光纤激光器的谐振腔结构进行了设计。利用镱离子能级跃迁模型,针对自制的掺镱单模磷酸盐光纤,采用速率方程和传输方程对光纤激光器工作过程进行了数值模拟,分析了抽运光和信号光沿光纤轴向的分布情况,以及不同抽运波长、镱离子掺杂浓度、散射损耗和腔镜反射率对激光器输出特性的影响。对激光器弛豫振荡噪声的理论原理进行分析,采用计算机模拟分析不同的光纤长度、腔内损耗和抽运功率对弛豫振荡噪声的影响,并提出了相应的降噪方案。对实验中所采用的各个光学元器件进行性能测量和分析,确保光纤激光器处于最佳工作状态。并在不同谐振腔结构下,利用不同长度的自制掺镱单模磷酸盐光纤作为增益介质,获得了稳定的激光光谱性能和噪声性能。为了获得较大的纵模间隔,目前实现最佳性能的光纤激光器采用单模975nm LD作为抽运源,利用光纤光栅、二色镜、2cm长自制的掺镱单模磷酸盐光纤组成谐振腔,构成了单纵模光纤激光器。该激光器抽运阈值为30mW,最高输出功率达55mW,斜率效率为9.5%,输出激光的中心波长为1063.5nm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤激光器的分类和应用
• 1.3 单纵模光纤激光器的技术方案
• 1.3.1 实现单纵模光纤激光器的常用技术方案
• 1.3.2 单纵模光纤激光器的常用腔型
• 1.4 1.06μm波长的应用范围
• 1.5 掺镱单纵模光纤激光器国内外研究进展
• 1.6 本论文章节安排
• 第二章 单纵模光纤激光器谐振腔结构的研究与设计
• 2.1 单纵模光纤激光器谐振腔结构理论
• 2.1.1 模式的概念，激光谐振腔与模式的一般联系
• 2.1.2 横模的形成
• 2.2 横模选择技术
• 2.2.1 横模选择原理
• 2.2.2 横模选择方法
• 2.3 纵模选择技术
• 2.3.1 纵模选择原理
• 2.3.2 纵模选择方法
• 2.4 掺镱磷酸盐单纵模光纤激光器的设计
• 2.4.1 横模选择方案
• 2.4.2 纵模选择方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 掺镱磷酸盐光纤激光器理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 自制单包层掺镱磷酸盐光纤
• 3.3 镱离子能级结构介绍
• 3.4 掺镱单包层磷酸盐光纤激光器输出特性
• 3.4.1 镱离子速率方程的建立
• 3.4.2 解析解求解
• 3.4.3 数值解分析
• 3.5 光纤激光器噪声特性研究
• 3.5.1 理论
• 3.5.2 理论模拟分析
• 3.5.3 降低噪声的方案
• 3.6 本章小结
• 第四章 掺镱磷酸盐光纤激光器实验研究
• 4.1 光纤激光器外部元器件实验研究
• 4.1.1 抽运源稳定性测量
• 4.1.2 光栅性能测量
• 4.1.3 端面处理与测量
• 4.2 掺镱磷酸盐光纤荧光光谱测量
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.3 双光栅结构光纤激光器实验研究
• 4.3.1 L=2cm掺镱磷酸盐光纤
• 4.3.2 L=6cm掺镱磷酸盐光纤
• 4.3.3 L=8cm掺镱磷酸盐光纤
• 4.3.4 不同光纤长度下双光栅结构光纤激光器实验结果对比与分析
• 4.4 光栅+腔镜光纤激光器实验研究
• 4.4.1 L=1.4cm光纤光栅+腔镜光纤激光器
• 4.4.2 L=2.0cm光纤光栅+腔镜光纤激光器
• 4.4.3 结果对比分析
• 4.4.4 L=2cm 光栅+腔镜光纤激光器相对强度噪声及稳定性测量
• 4.4.5 小结
• 4.5 激光器研制下一步需要解决的问题
• 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
• 致谢
• 附件