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掺铥光纤激光器的理论研究

作　者: 王文杰
导　师: 延凤平
学　校: 北京交通大学
专　业: 光通信与移动通信
关键词: 掺铥光纤泵浦方式速率方程交叉驰豫
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 275次
引　用: 3次
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内容摘要

铥(Tm³⁺)离子具有丰富的能级结构,通过控制泵浦光的波长和功率,掺铥光纤激光器可以产生1.8μm～2.1μm波长范围的激光,被广泛应用于工业、农业、军事以及医学等领域。其中大功率、高效率的2μm波段掺铥光纤激光器的研制是当今的一个研究热点。军事上,它是激光雷达的关键组成部分;医学上,可作为一种高精度的手术刀,其优点是伤口创面小,出血少;通信上,除本身可作为空间光通信的光源外,还可作为泵浦源去抽运其它工作物质,以产生4μm～5μm波长的激光,应用于空间光通信。目前2μm波段掺铥光纤激光器研究的重点是如何改善效率,提高激光输出功率和光束质量。本文主要工作如下:（1）通过分析Tm³⁺离子能级结构及其在各类玻璃基质中的光谱吸收特性,了解掺铥光纤的制备过程,解读国外相关文献中已报道的掺铥光纤激光器模型,进而对Tm³⁺离子掺杂浓度、光纤长度、泵浦工艺等人为可控制的、并对激光器性能会产生重大影响的参量、条件进行分析和讨论。（2）在此基础上,进行三种泵浦方式下掺铥光纤激光器的建模和仿真。着重讨论交叉弛豫现象对泵浦光在1m长掺铥光纤中功率吸收的影响;不同掺杂浓度对泵浦光、激光沿光纤分布的影响;不同掺杂浓度对掺铥光纤最佳长度的影响以及掺杂浓度增长与交叉弛豫项之间的比例关系。（3）利用实验室现有条件搭建了793nm和980nm两种激光泵浦下的掺铥光纤激光器的实验系统,其中谐振腔采用光纤光栅对。利用经液氮冷却的氮气对800nm的泵浦源降温得到工作波长为793nm的泵浦激光,通过光斑仪和光谱分析仪观察泵浦光的光斑以及泵浦光耦合进光束整形石英锥之后输出的光斑特性;使用980nm泵浦源抽运掺铥光纤,通过光谱分析仪观察到掺铥光纤激光器尾纤输出的激光特性,给出相应的数据、图像和实验结论分析。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-16
  1.1 研究背景及意义  11
  1.2 掺铥光纤激光器的特点及应用  11-13
  1.3 掺铥光纤激光器的国内外发展现状  13-14
  1.4 本文研究内容  14-16
2 掺铥光纤激光器简介  16-28
  2.1 铥元素的特性  16-18
    2.1.1 铥元素的物理特性  16
    2.1.2 铥元素的能级结构与光谱特性  16-18
  2.2 掺铥光纤激光器的工作原理  18-22
    2.2.1 掺铥光纤激光器的泵浦方式  19-20
    2.2.2 掺铥光纤激光器的构造和工作原理  20-22
  2.3 影响掺铥光纤激光器性能的诸多因素  22-26
    2.3.1 玻璃基质的选择  22-23
    2.3.2 光纤长度  23
    2.3.3 铥离子掺杂浓度  23-24
    2.3.4 泵浦工艺  24-26
  2.4 小结  26-28
3 掺铥光纤激光器的数学模型分析  28-41
  3.1 ~3H_6-~3F_4泵浦方式下的数学模型  30-32
  3.2 ~3H_6-~3H_5泵浦方式下的数学模型  32-35
  3.3 ~3H_6-~3H_4泵浦方式下的数学模型  35-37
  3.4 带交叉弛豫项的数学模型分析  37-38
  3.5 吸收截面与发射截面的分析  38-40
    3.5.1 吸收截面的标度分析  38-39
    3.5.2 发射截面的标度分析  39-40
  3.6 小结  40-41
4 仿真参数设定与结果分析  41-49
  4.1 仿真参数设定  41
  4.2 交叉弛豫对泵浦光吸收性能的影响  41-43
  4.3 不同掺杂浓度下泵浦光功率沿光纤的分布情况  43-45
  4.4 不同掺杂浓度下激光功率沿光纤的分布情况  45-47
  4.5 不同掺杂浓度与交叉弛豫间的数值关系  47-48
  4.6 小结  48-49
5 掺铥光纤激光器的搭建与测试  49-55
  5.1 系统组成原理  49
  5.2 系统搭建与测量步骤  49-50
  5.3 测量结果与分析  50-55
6 结论  55-57
  6.1 本文工作总结  55
  6.2 未来工作展望  55-57
参考文献  57-60
作者简历  60-62
学位论文数据集  62

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