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包层泵浦掺Tm～（3+）光纤激光器的研究

作　者: 张云军
导　师: 王月珠
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 光纤激光器 Tm3+-doped 包层泵浦 2μm激光增益开关
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

采用包层泵浦技术,加上大功率多模半导体激光器工艺的快速发展与完善,光纤激光器在常温下获得了极高的输出功率。热问题是影响掺Tm³⁺晶体激光器阈值、效率和输出功率的主要因素,而掺Tm³⁺硅基光纤激光器的掺Tm³⁺光纤不需要复杂的主动冷却设备,在常温下即可获得高效率的大功率激光输出。本论文从理论和实验两个方面对掺Tm³⁺硅基双包层光纤激光器进行了研究工作。讨论了Tm³⁺掺在四种常用激光晶体里的吸收光谱、荧光发射谱和Tm³⁺掺在ZBLAN、silica光纤基质中的吸收光谱、荧光发射谱,Tm³⁺在两种光纤基质中的吸收光谱、荧光发射谱要明显宽于Tm³⁺在四种晶体里的光谱。概述了强泵浦光纤激光器的输出功率和阈值的解析表达式,分析了掺稀土离子双包层光纤吸收泵浦光有效吸收系数的理论模型和计算有效吸收系数的简化表达式。从Tm³⁺的稳态速率方程出发,结合谐振腔结构特点,在输出793nm的LD激光器作为泵浦源的情况下,给出了双包层光纤激光器的振荡阈值特性、激光输出特性和激光器谐振腔结构参数的关系。从理论上分析了3H6,3H4→3F4,3F4交叉弛豫过程降低掺Tm³⁺硅基光纤激光器的阈值、提高激光器斜率效率的机理。3H6,3H4→3F4,3F4交叉弛豫过程可以使激光器的量子效率达到2,分析了掺杂浓度与加强掺Tm³⁺硅基光纤激光器交叉弛豫过程的关系、掺杂浓度对光纤长度的影响。详细介绍了LD单端泵浦掺Tm³⁺硅基双包层光纤激光器的实验过程和实验结果。研究了光纤长度、腔型结构和光纤温度对激光器阈值、斜率效率以及输出激光光谱的影响。在实验上对比了单程泵浦和双程泵浦掺Tm³⁺双包层LMA光纤激光器的阈值、斜率效率的变化,用LD输出的807.5nm激光作为泵浦源泵浦掺Tm³⁺双包层LMA光纤获得了高效的连续波激光输出。从速率方程出发,模拟了在1.06μm脉冲激光作为泵浦源时掺Tm³⁺硅基光纤激光器增益开关弛豫振荡输出近2μm脉冲激光的波形振荡过程,模型中加入了Tm³⁺在1.06μm作为泵浦源时强的激发态吸收效应,而且Tm³⁺间存在的四个交叉弛豫效应也包含在速率方程中。计算并分析了Tm³⁺掺杂浓度对激光器阈值的影响。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
第1章绪论  12-30
  1.1 包层泵浦光纤激光器的原理结构  12-14
  1.2 光纤激光器的优点  14-16
  1.3 高功率光纤激光器－现状和应用  16-20
    1.3.1 单根光纤输出功率达到千瓦级  16-17
    1.3.2 高功率脉冲光纤激光器  17-18
    1.3.3 光纤激光组束技术和相干组束技术  18-19
    1.3.4 高功率光纤激光的应用  19-20
  1.4 掺Tm~(~(3+))光纤激光器的发展和应用  20-28
    1.4.1 掺Tm~(3+)固体激光器  21-22
    1.4.2 2μm 掺Tm~(3+)光纤激光器  22-26
    1.4.3 上转换掺Tm~(3+)光纤激光器  26-28
    1.4.4 掺Tm~(3+)光纤激光器的应用  28
  1.5 本论文的工作  28-30
第2章掺稀土离子光纤激光器的基本理论  30-51
  2.1 稀土离子掺在玻璃基质里的一般特性  30-38
    2.1.1 稀土离子电学和光学特性  32-33
    2.1.2 稀土离子的能级辐射跃迁  33-34
    2.1.3 稀土离子的能级非辐射跃迁  34-35
    2.1.4 线宽展宽机理  35-36
    2.1.5 稀土离子间的相互作用  36-38
  2.2 Tm~(3+)掺杂在各种基质中的光谱特性  38-43
    2.2.1 Tm~(3+)掺在激光晶体基质中的光谱特性  38-40
    2.2.2 Tm~(3+)掺在激光玻璃基质中的光谱特性  40-43
  2.3 光纤激光器的理论模型和优化  43-46
  2.4 包层泵浦光纤激光器有效吸收系数的理论分析  46-49
    2.4.1 泵浦光在光纤内包层中的分布  47-48
    2.4.2 内包层内的泵浦光和纤芯内的激光重叠系数的计算  48-49
    2.4.3 双包层光纤有效吸收系数的简化计算  49
  2.5 本章小结  49-51
第3章掺Tm~(3+)光纤激光器连续波输出理论研究  51-61
  3.1 掺Tm~(3+)光纤激光器连续波输出理论模型  51-55
  3.2 数值分析掺Tm~(3+)光纤激光器的结果  55-57
  3.3 Tm~(3+)掺杂浓度对激光器特性影响的理论分析  57-60
  3.4 本章小结  60-61
第4章掺Tm~(3+)光纤激光器连续波输出实验研究  61-75
  4.1 包层泵浦掺Tm~(3+) D-shape 光纤激光器实验研究  61-67
    4.1.1 掺Tm~(3+) D-shape 光纤激光器实验装置  61-63
    4.1.2 掺Tm~(3+) D-shape 光纤激光器实验结果  63-67
  4.2 包层泵浦掺Tm~(3+) LMA 光纤激光器实验研究  67-73
    4.2.1 掺Tm~(3+) LMA 光纤激光器实验装置  67-69
    4.2.2 掺Tm~(3+) LMA 光纤激光器实验结果  69-73
  4.3 本章小结  73-75
第5章掺Tm~(3+)光纤激光器增益开关理论研究  75-85
  5.1 掺Tm~(3+)光纤激光器增益开关理论模型  75-81
  5.2 增益开关数值分析结果  81-84
  5.3 本章小结  84-85
第6章掺Tm~(3+)光纤激光器增益开关实验研究  85-96
  6.1 掺Tm~(3+)硅基光纤激光器增益开关实验装置  85-87
  6.2 D-shape 掺Tm~(3+)双包层光纤的增益开关实验结果  87-92
  6.3 LMA 掺Tm~(3+)双包层光纤的增益开关实验结果  92-95
  6.4 本章小结  95-96
结论  96-97
参考文献  97-106
攻读学位期间发表的学术论文  106-108
致谢  108-109
个人简历  109

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