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掺Yb～（3+）双包层光纤激光器的研究

作　者: 项阳
导　师: 董孝义
学　校: 南开大学
专　业: 光学
关键词: 少量模光纤布拉格光栅布拉格光栅的温度依赖性光纤激光器掺Yb3+双包层光纤激光器线性腔光纤激光器双包层光纤中的热效应应力效应激光增益光纤排耦合方式楔形波导耦合方式泵浦耦合系统圆形内包层方形内包层矩形内包层 D型内包层最佳长度斜率效率双包层光纤激光器的多波长输出双包层光纤超荧光光源
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 311次
引　用: 2次
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内容摘要

本论文围绕着掺Yb3+双包层光纤激光器进行研究工作,报告了得到的科研成果,包括以下的内容:1.在截止波长高于1060nm的少量模光纤中用相位掩模法写入布拉格光纤光栅,制作的布拉格光栅具有几个透射峰。运用光纤光栅的耦合模理论根据光纤的结构和参数,可以模拟出这种方法的每个透射峰的位置,与实验的结果一致性很好。理论上的推导还给出了少量模光纤光栅的温度依赖特性与单模光纤布拉格光栅的温度依赖性相似,得到的结论为在少量模布拉格光纤光栅均匀受热时,它的几个反射峰具有相同的温度漂移,而且这个透射谱的形状不因为温度的改变而改变。最吸引我们的是使用这种光纤光栅做为腔镜组成的掺Yb3+单包层和双包层光纤激光器有着小于0.1nm的3dB带宽,说明少量模光纤布拉格光栅具有较窄的反射峰。上述这些特性使这种光纤光栅在传感技术,光纤通信和其它很多的领域可以得到应用。2.讨论了Yb3+离子的能级结构和光谱特性,并从稳态速率方程,结合谐振腔结构特点采用Ido　Kelson和Amos　Hardy的模型,给出了双包层光纤激光器的输出特性与激光器谐振腔结构参数的关系准解析表达式。　由激光器输出特性准解析表达式出发详细分析了掺Yb3+双包层光纤激光器输出功率、泵浦功率、光纤的最优长度等参数与后腔镜对信号光反射率R2、对泵浦光反射率R3、双包层光纤掺杂浓度等结构参数的关系,并进行了数值模拟,模拟结果表明,激光器的性能参数受其结构参数的影响很大,为优化设计双包层光纤激光器的结构提供了理论依据。　运用热传导方程对高功率双包层光纤激光器的热效应带来的温度、应力、折射率和激光效率的变化进行了理论和数值的分析。给出了热效应对双包层光纤激光器影响的裂解极限、临界折射率极限和熔化极限与光纤结构参数和泵浦功率的表达式,理论分析和数值模拟结果表明对于高功率的双包层光纤激光器温度很高时激光增益下降,在一定的功率水平上需要进行外界的冷却,以保证泵浦激光的效率和高功率的激光输出。　3.系统地讨论了包层泵浦技术的特点,它的核心是如何最大限度的提高包层中传输的泵浦光对纤芯中的掺杂激光介质的泵浦效率。其中双包层光纤的结构、内包层的形状、泵浦光入纤方式等是这项技术的关键所在。介绍了几种目前常见的泵谱光入纤方式,用几何光学的分析方法,给出了圆形、矩形和一种

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-25
  1.1 引言  12
  1.2 掺 Yb~(3+)石英光纤激光器的研究概况  12-14
  1.3 双包层光纤激光器  14-21
    1.3.1 国外双包层光纤激光器发展状况  15-17
    1.3.2 国内的研究动态  17
    1.3.3 双包层光纤激光器的应用前景  17-18
    1.3.4 双包层光纤激光器的谐振腔结构  18-21
      1.3.4.1 线形腔单端泵浦双包层光纤激光器  18-20
      1.3.4.2 线形腔双端泵浦双包层光纤激光器  20-21
      1.3.4.3 全光纤掺镱环形腔双包层激光器  21
  1.4 包层泵浦技术  21-24
    1.4.1 双包层光纤的结构与特性  21-23
    1.4.2 包层泵浦技术中的耦合方式  23-24
  1.5 本论文研究内容  24-25
第二章光纤光栅的基本原理与制作  25-40
  2.1 耦合模理论  25-29
  2.2 多模光纤或少量模光纤中的布拉格光栅  29-31
    2.2.1 相位匹配条件  30
    2.2.2 少量模光纤光栅的温度特性  30-31
  2.3 光纤光栅的制作技术  31-32
  2.4 少量模光纤 Bragg 光栅的写入实验  32-35
  2.5 加拉伸应力的布拉格光纤光栅的制作实验  35-36
  2.6 布拉格光栅作为腔镜的F-P 腔掺Yb~(3+)光纤激光器  36-39
  小结  39-40
第三章掺 Yb~(3+)双包层光纤激光器的理论分析  40-65
  3.1 掺 Yb~(3+)光纤激光器能级结构原理  40-43
    3.1.1 Yb~(3+)离子的能级结构及速率方程  40-42
    3.1.2 Yb~(3+)的吸收和发射截面  42-43
  3.2 掺 Yb~(3+)双包层光纤激光器的理论分析  43-46
  3.3 激光器结构参量对输出特性的影响  46-53
    3.3.1 激光腔内泵谱激光沿着光纤长度方向上的变化  47-48
    3.3.2 输出的信号激光与泵谱激光的关系  48
    3.3.3 光纤中的损耗对增益光纤最佳长度影响  48-49
    3.3.4 谐振腔腔镜反射率对激光输出特性的作用  49-50
    3.3.5 光纤掺杂浓度对谐振腔长度的影响  50-51
    3.3.6 光纤长度对激光输出波长的影响  51-53
  3.4 高功率双包层光纤激光器中的热效应分析  53-64
    3.4.1 双包层光纤激光器的温度分布  53-55
    3.4.2 双包层光纤中的应力分布  55-56
    3.4.3 热效应产生的双包层光纤中折射率的变化  56-58
    3.4.4 大功率双包层光纤激光器的极限值情况  58-60
    3.4.5 热效应对辐射增益的影响  60-62
    3.4.6 讨论  62-64
  小结  64-65
第四章包层泵浦技术研究  65-80
  4.1 包层泵浦技术  65
  4.2 内包层形状对吸收效率的影响  65-70
    4.2.1 二维射线光学分析方法  65-69
      4.2.1.1 内包层形状为圆形的双包层光纤吸收特性  66-68
      4.2.1.2 矩形内包层光纤的吸收特性  68-69
    4.2.2 一种效率最高的内包层形状  69-70
  4.3 泵浦激光与双包层光纤的几种耦合技术及其特点  70-72
    4.3.1 端泵浦技术的特点  71
    4.3.2 边泵浦技术的特点  71-72
    4.3.3 Taper 光纤耦合技术  72
  4.4 斜角光纤耦合及光纤排耦合方式  72-77
    4.4.1 斜角光纤耦合方式  73-77
    4.4.2 光纤排耦合方式  77
  4.5 锲形波导耦合方式  77-78
  小结  78-80
第五章掺 Yb~(3+)双包层光纤激光器的实验研究  80-106
  5.1 双包层光纤激光器实验装置原理  80-89
    5.1.1 泵浦半导体激光器性能  81-85
      5.1.1.1 泵谱半导体激光器的 P-I 输出特性测定  81-82
      5.1.1.2 输出激光波长随工作温度的变化关系  82-83
      5.1.1.3 输出激光波长和波形随工作电流的变化关系  83-85
    5.1.2 掺Yb~(3+)双包层光纤的研制与测量  85-86
    5.1.3 泵浦耦合系统的设计加工  86-88
    5.1.4 激光反馈器件特性  88-89
    5.1.5 光纤端面的制作  89
  5.2 双包层光纤激光器的实验  89-99
    5.2.1 圆形内包层的双包层激光器实验  89-90
    5.2.2 方形内包层双包层光纤激光的实验  90-91
    5.2.3 矩形内包层双包层光纤激光器的实验  91-93
    5.2.4 D 型双包层光纤激光器的实验  93-94
    5.2.5 使用光纤布拉格光栅改善双包层光纤激光输出稳定性的初步实验  94-96
    5.2.6 对上述实验结果的讨论  96-99
  5.3 线性腔双包层光纤激光器的多波长输出现象及讨论  99-103
    5.3.1 实验装置：初期的现象和一个典型的实验  99-102
    5.3.2 关于多波长输出的讨论  102-103
  5.4 掺 Yb~(3+)双包层光纤超荧光光源的实验研究  103-105
  小结  105-106
总结  106-109
参考文献  109-116
攻读博士学位期间发表的论文  116-118
致谢  118

掺Yb～（3+）双包层光纤激光器的研究

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