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高功率掺镱光纤主振荡功率放大系统研究

作　者: 张伟毅
导　师: 宁继平
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: 高功率光纤放大器主振荡功率放大脉冲泵浦放大自发辐射
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

种子源主振荡功率放大(MOPA)系统具有高斜率效率、输出脉冲特性可以通过种子光源控制等优点，因而成为近年来高脉冲能量、高峰值功率脉冲激光输出系统的主要方式。本论文对采用掺镱光纤的高功率MOPA进行了理论和实验方面的研究，重点研究了工作在较低重复率脉冲输出状态的高功率脉冲MOPA系统。论文的主要工作和创新点如下：1.首次对泵浦功率100~1000W的超高功率连续和脉冲状态掺镱光纤放大器(YDFA)进行了详细的理论模拟，分别研究了不同泵浦功率下，信号峰值、脉宽、重复率参数变化对放大效果的影响。模拟发现相邻脉冲之间的放大自发辐射(ASE)功率增长速度随泵浦功率的增加而极快的增大，以至于脉冲重复率降到几十kHz量级以下时，ASE功率超过了信号平均功率，这在普通高功率YDFA中观察不到。2.首次模拟分析了增益光纤中的ASE功率分布情况随时间的演变过程，发现了正向ASE功率分布曲线的峰值位置随着时间增加向光纤输出端移动的现象，由此解释了正向ASE功率增长慢于反向ASE功率的原因，提出了“ASE建立时间”的概念。3.首次模拟研究了脉冲泵浦状态下，不同泵浦脉冲宽度对信号脉冲放大效果的影响，发现信号脉冲的放大效果并非一直随泵浦脉宽的增加而增强，而是存在一个放大效果最强的泵浦脉宽；找到了不同泵浦功率下放大效果最强的泵浦脉冲宽度，综合比较了不同泵浦脉宽进行放大时的泵浦能量消耗、ASE功率、输出脉冲峰值。4.首次研究了脉冲泵浦YDFA中信号脉冲与泵浦脉冲的时间匹配对放大效果的影响。发现当信号脉冲峰值位于泵浦脉冲末尾时，能得到最强的放大效果；若信号脉冲注入时间略有延迟，放大效果会有比较明显的减弱。而且发现泵浦功率越大时，信号脉冲经过相同延迟时间之后，其放大效果减弱的程度越严重。5.对掺镱光纤MOPA系统的信号源激光器和采用脉冲泵浦方式的功率放大级分别进行了实验研究。通过优化放大级的泵浦脉冲宽度，成功把放大后输出光的ASE功率降到了连续泵浦状态下的1/8，同时信号脉冲峰值功率略高于连续泵浦。实验证明了脉冲泵浦方式与传统的连续泵浦方式相比，在抑制ASE功率方面有明显优势，与理论模拟的结论相符。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-21
  1.1 激光系统采用MOPA结构的优势  9-10
  1.2 MOPA系统中常用的种子源激光器  10-15
    1.2.1 传统固体激光器作为种子源  10-11
    1.2.2 半导体激光器作为种子源  11-12
    1.2.3 光纤激光器作为种子源  12-15
  1.3 MOPA系统的功率放大级  15-18
    1.3.4 双包层光纤作为放大级的增益光纤  15-17
    1.3.5 光子晶体光纤作为放大级的增益光纤  17-18
  1.4 采用掺镱光纤的MOPA系统研究现状  18-19
  1.5 本论文的研究重点和章节结构  19-21
第二章掺镱光纤MOPA系统理论基础  21-30
  2.1 镱离子的能级结构  21-22
  2.2 掺杂光纤中的掺杂浓度与吸收/发射截面的意义  22-25
  2.3 掺镱光纤激光器和放大器的理论模型  25-30
    2.3.1 掺镱光纤中的速率方程和功率传输方程  25-27
    2.3.2 运用FDTD算法求解方程组  27-30
第三章常规连续泵浦的大功率掺镱光纤放大器数值模拟  30-62
  3.1 模拟中使用的YDFA结构以及其有关参数  30-31
  3.2 对连续信号进行放大的YDFA模拟  31-41
    3.2.1 最佳光纤长度的分析  31-35
    3.2.2 不同泵浦功率和信号功率对输出功率的影响  35-37
    3.2.3 对光纤中ASE功率的分析  37-41
  3.3 对脉冲信号进行放大的YDFA模拟  41-60
    3.3.1 对YDFA进行模拟时，输出脉冲序列的稳定性分析  42-44
    3.3.2 不同波形的脉冲经过YDFA放大后的形变情况  44-46
    3.3.3 不同峰值功率的脉冲经过YDFA后的变化情况  46-48
    3.3.4 不同宽度的脉冲经过YDFA后的变化情况  48-50
    3.3.5 重复率不同的脉冲序列经放大后的变化情况  50-54
    3.3.6 脉冲YDFA中ASE功率的分析  54-60
  3.4 本章小结  60-62
第四章脉冲泵浦的YDFA理论模拟  62-88
  4.1 脉冲泵浦方式YDFA的研究现状  62-63
  4.2 脉冲泵浦YDFA模拟方式与连续泵浦YDFA的区别  63-64
  4.3 脉冲泵浦YDFA中ASE功率随着泵浦时间持续的变化规律  64-71
    4.3.1 ASE功率的稳定以及“ASE建立时间”的概念  64-65
    4.3.2 泵浦为 10W时YDFA中的ASE功率变化  65-67
    4.3.3 泵浦为 100W时YDFA中的ASE功率变化  67-69
    4.3.4 泵浦为 1000W时YDFA中的ASE功率变化  69-71
  4.4 泵浦脉冲宽度对信号放大效果的影响以及最佳泵浦宽度的选择  71-81
    4.4.1 泵浦 10W时，不同泵浦脉冲宽度对信号放大的影响  71-75
    4.4.2 泵浦 100W时，不同泵浦脉冲宽度对信号放大的影响  75-78
    4.4.3 泵浦 1000W时，不同泵浦脉冲宽度对信号放大的影响  78-81
  4.5 信号脉冲的注入时机不同对放大效果的影响  81-86
    4.5.1 泵浦功率 10W，在不同时间注入信号脉冲的放大效果  81-82
    4.5.2 泵浦功率 100W，在不同时间注入信号脉冲的放大效果  82-84
    4.5.3 泵浦功率 1000W，在不同时间注入信号脉冲的放大效果  84-86
  4.6 本章小结  86-88
第五章掺镱光纤MOPA系统信号源激光器的实验研究  88-107
  5.1 被动调Q掺镱光纤激光器信号源的实验研究  88-96
    5.1.1 被动调Q掺镱光纤激光器的结构设置和部件参数  88-90
    5.1.2 激光器采用的被动调Q方式及原理  90-92
    5.1.3 被动调Q激光器实验输出波形及光谱  92-96
  5.2 主动调Q式掺镱光纤激光器实验研究  96-106
    5.2.1 主动调Q掺镱光纤激光器的结构设置  96-97
    5.2.2 实验中采用的主动调Q方式及其原理  97-99
    5.2.3 主动式声光调Q掺镱光纤激光器的实验结果  99-106
  5.3 本章小结  106-107
第六章采用脉冲泵浦方式的MOPA系统放大级实验研究  107-126
  6.1 脉冲泵浦方式下，泵浦脉冲与信号脉冲的同步  107-110
  6.2 主动调Q光纤激光器作为信号源的掺镱MOPA系统实验  110-119
    6.2.1 实验装置的基本结构和参数  110-112
    6.2.2 输入信号脉冲和泵浦脉冲的参数选择及其同步效果  112-113
    6.2.3 不同泵浦脉冲宽度条件下的实验结果  113-116
    6.2.4 不同脉冲重复率条件下的实验结果  116-118
    6.2.5 脉冲泵浦与连续泵浦条件下的放大效果比较  118-119
  6.3 被动调Q光纤激光器作为信号源的掺镱MOPA系统实验  119-122
    6.3.1 实验装置的基本结构和参数  119-120
    6.3.2 实验结论及分析  120-122
  6.4 铒镱共掺MOPA系统与掺镱MOPA系统中ASE功率的比较  122-125
  6.5 本章小结  125-126
第七章对以后研究工作的展望  126-127
参考文献  127-135
发表论文和参加科研情况说明  135-136
致谢  136

高功率掺镱光纤主振荡功率放大系统研究

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