学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

端面抽运准二能级双包层光纤激光器的理论探讨

作　者: 段志春
导　师: 陈建国
学　校: 四川大学
专　业: 光学
关键词: 光纤激光器双包层光纤解析解速率方程组端面抽运线性腔准二能级系统再发射损耗系数阈值抽运功率激光输出功率斜线效率
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 97次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

与传统固体激光器相比，掺稀土光纤激光器具有其独特的优点，即具有结构紧凑、体积小巧、阈值低、光束质量好、转换效率高以及表面积／体积比率大利于散热等特性。双包层光纤激光器的问世，更加促使了高功率光纤激光器的飞速发展，并在远程光纤通信、传感、工业加工、医疗、国防和军事等领域获得了日益广泛的应用。对双包层光纤激光器的进一步研究，成为了当前相关领域研究的热点，并在实验和理论上取得了众多丰富的成果。在对光纤激光器的理论研究中，人们通常采用速率方程理论进行分析。研究表明，速率方程组正确、有效，为阐述激光器的工作原理、特点以及研究和设计激光器提供了理论指导。由于速率方程组的解析解相对数值解具有一些明显的优点，人们便尝试在各种合理近似下对速率方程组进行解析分析和讨论。然而，由于速率方程组的非线性特性，很难对之严格求解。不过，在忽略信号光损耗系数的近似情况下，人们已得到了满足下列近似情况之一的解析解：(a)抽运光损耗系数可忽略的单包层光纤激光器件；(b)上能级粒子与抽运光相互作用的再发射可以忽略的较适合于抽运光损耗系数较大的长腔双包层光纤激光器件。对于典型的足够长双包层光纤激光器，抽运光损耗系数通常是远大于再发射项所产生的增益，因而，忽略上能级粒子数是合理的。然而，对于光纤长度短到小于或约等于1米的双包层光纤激光器，或者当讨论单包层光纤激光器的时候，则可能会出现再发射项的贡献与抽运光损耗系数相当，甚至可能会大于抽运光损耗系数，在这种情况下，忽略抽运光损耗系数较为合理。不过，可以推算到，不管是同时忽略信号光损耗系数和抽运光损耗系数，还是同时忽略信号光损耗系数和再发射项，都会造成抽运阈值功率被低估而输出激光功率被高估的事实。前人文献的实验数据充分表明了近似条件下得出的阈值略小于实验测得的结果。依据前人理论基础，本文采用端面抽运准二能级掺杂光纤激光器稳态速率方程组进行了解析分析。主要做了如下工作：(1)在忽略信号光损耗系数的前提下，明确提出了要获得光纤激光器输出功率的解析表达式，关键在于求得抽运光损耗系数与抽运光场乘积的积分值。并针对典型的双包层光纤激光器的参量，在估计了上能级粒子再发射项和抽运光的影响之后，采用保留再发射贡献主导部分而只忽略更高阶小量的办法来提高可积分近似方程的精确度和可应用的腔长范围。运用简洁的方法求得了近似条件下的双包层光纤激光器输出功率的显函解析表达式，导出了激光输出功率对抽运功率的斜线表达式，以及阈值抽运功率的表达式。并给出了近似条件下的最短光纤长度表达式，求得了固定抽运功率下获得最大激光输出功率的最佳光纤长度的隐函式，并对相关的问题进行了数值模拟分析和讨论。(2)在不忽略损耗系数的情况下，对掺准二能级稀土粒子光纤激光器的抽运阈值进行了完全解析求解。求得了抽运阈值功率的显函数解析式，同时，得到了抽运光阈值功率随光纤位置变化的隐函数表达式，以及信号光功率随光纤位置变化的解析解和上能级粒子数随光纤位置变化的解析表达式。并根据所得解，与前人的理论和实验结果进行了比较分析，结果表明，不同近似条件下得到的抽运阈值功率均比实验值要低，但本文的结果却是差别最小的。(3)运用(1)中所用的近似解析方法，从理论上分析了由F-P滤波器实现的多波长双包层光纤激光器的输出特性。讨论了光纤出光端面和双色镜的反射率、F-P滤波器腔长以及抽运光波长等参数对多波长输出功率的影响。为我们在实验中优化设计性能优越的双包层多波长光纤激光器提供了理论依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-11
第一章绪论  11-34
  §1.1 光纤激光器的基本工作原理  11-12
  §1.2 光纤激光器的分类  12-21
    1.2.1 按掺杂基质分类  12-13
    1.2.2 按光纤激光器谐振腔构成分类  13-15
    1.2.3 按掺杂离子能级结构的不同划分  15-17
    1.2.4 按包层结构分类  17-20
    1.2.5 按照抽运方式分类  20
    1.2.6 按照激光器输出信号的时间特性分类  20
    1.2.7 按光纤类型的不同划分  20-21
  §1.3 双包层光纤激光器的优越性  21-22
  §1.4 双包层光纤激光器的抽运耦合方式  22-25
    1.4.1 端面抽运耦合  23-24
    1.4.2 侧面抽运耦合  24-25
  §1.5 双包层光纤激光器的国内外研究状况和发展趋势  25-29
    1.5.1 国内外研究状况  25-28
      1.5.1.1 实验研究状况  25-27
      1.5.1.2 理论研究状况  27-28
    1.5.2 发展趋势  28-29
  §1.6 本文的主要研究内容  29-30
  参考文献  30-34
第二章光纤激光器的理论模型  34-39
  §2.1 速率方程组  35-36
  §2.2 边界条件  36-37
  参考文献  37-39
第三章双包层光纤激光器近似条件下输出特性解析分析  39-54
  §3.1 速率方程组求解  39-44
  §3.2 对近似条件下解析结果的数值模拟分析和讨论  44-51
    3.2.1 各参数对光纤激光器输出功率影响的模拟分析和讨论  44-50
      3.2.1.1 光纤长度与输出激光功率的关系  44-47
      3.2.1.2 损耗对输出功率的影响  47-48
      3.2.1.3 掺杂浓度对输出功率的影响  48
      3.2.1.4 腔镜反射率对输出功率的影响  48-49
      3.2.1.5 抽运功率与输出功率的关系  49-50
    3.2.2 斜线效率与各参数间关系的理论模拟分析和讨论  50-51
  §3.3 速率方程中光功率分布的数值解和解析解的比较分析  51-52
  §3.4 小结  52-53
  参考文献  53-54
第四章阈值抽运双包层光纤激光器速率方程的完全解析分析  54-67
  §4.1 阈值抽运功率求解  54-55
  §4.2 完全解析结果的数值理论分析和讨论  55-64
    4.2.1 对阈值抽运功率的分析和讨论  56-60
      4.2.1.1 光纤长度对阈值的影响  56-57
      4.2.1.2 损耗对阈值的影响  57-59
      4.2.1.3 腔镜反射率对抽运阈值的影响  59-60
    4.2.2 抽运光在光纤中的变化情况  60-61
    4.2.3 随光纤位置变化的信号光分布  61-63
    4.2.4 光纤中上能级粒子数变化情况  63-64
  §4.3 与前人近似解析结果的比较  64-66
  §4.4 小结  66
  参考文献  66-67
第五章双包层光纤激光器多波长输出性能解析分析  67-76
  §5.1 速率方程组的求解  68-71
  §5.2 对解析结果的数值模拟分析和讨论  71-74
    5.2.1 透射率T_(eff)与激光波长的关系曲线  71-72
    5.2.2 输出激光功率与光纤长度之间的曲线关系分析  72-73
    5.2.3 激光输出功率与光纤后腔镜反射率R_2的关系  73-74
  §5.3 小结  74
  参考文献  74-76
第六章总结与展望  76-78
  §6.1 课题回顾与总结  76-77
  §6.2 课题展望  77-78
附录:作者在攻读硕士期间取得的学术成果  78-80
致谢  80

端面抽运准二能级双包层光纤激光器的理论探讨

内容摘要

全文目录

相似论文