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掺镱双包层光纤的研究

作　者: 衣永青
导　师: 金杰；宁鼎
学　校: 天津大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 光纤激光器双包层光纤 Yb3+掺杂吸收系数
分类号: TN818
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 153次
引　用: 3次
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内容摘要

双包层结构的掺镱光纤具有较宽的吸收和发射截面积,高的量子转换效率,以它为增益介质的光纤激光器具有高功率输出、高斜率效率、高光束质量等特点,其应用范围越来越广泛,如精度激光加工、激光雷达系统、光通信及目标指示等领域中相干光源,在军事上也有着广泛的应用潜力。掺镱双包层光纤作为研制高功率光纤激光器的关键元器件,成为目前国内外研究热点,近年来发展迅速。在本论文中,概述了掺镱双包层光纤的优点及应用、最新研究现状及最新发展情况。对掺镱双包层光纤激光器的工作原理、优势及发展情况也进行了介绍,同时开展了以下研究工作:一、双包层光纤结构及与吸收特性关系研究。双包层光纤概念的提出使得光纤激光器作为高功率输出器件成为可能。结合镱离子的吸收及发射特性及掺镱双包层光纤的特性,采用几何光学和纤维光学模式理论的方法分析了不同内包层结构的双包层光纤对光纤激光器性能的影响,建立理论分析模型,并设计了新型内包层结构的双包层光纤。二、掺镱双包层光纤制备工艺技术的研究。根据目前国内研制高功率掺镱双包层光纤所遇到的关键技术问题,开展了高浓度掺杂技术的研究,对影响掺杂浓度的关键工艺技术和工艺过程进行了改进,找到了提高掺杂浓度的有效方法;开展了大纤芯直径和大纤芯直径下降低纤芯数值孔径技术的研究,有效降低了纤芯数值孔径;同时开展了溶液掺杂机理的研究工作,疏松层沉积温度和掺杂浓度关系的研究工作以及脱水温度和脱水时间等对光纤损耗的影响,成功研制出性能优良的大模场面积掺镱双包层光纤。其掺镱浓度达到6000ppm以上,976nm有效吸收系数达到7.5dB/m,纤芯直径高达30μm,解决了研制过程中的一些关键技术,用所研制的光纤进行激光器实验,激光输出功率达到404W,斜率效率67.8%。三、对掺镱双包层光纤的吸收特性进行了研究。采用光纤截断法和包层模剥除技术,实现了掺镱双包层光纤纤芯吸收系数的精确测量,测量结果与实际吸收系数的测量误差小于5%。利用白光光源测量掺镱双包层光纤的损耗谱,对其有效吸收系数进行了详细的实验研究,对实验结果进行了定性分析。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-25
  1.1 课题研究背景和意义  8-12
  1.2 掺镱光纤概述  12-18
    1.2.1 稀土元素及掺Yb~(3＋)离子激光材料的优点  12-13
    1.2.2 光纤基质  13-14
    1.2.3 掺镱光纤的发展现状  14-18
  1.3 光纤激光器  18-23
    1.3.1 光纤激光器的工作原理  18-19
    1.3.2 光纤激光器的优点  19-20
    1.3.3 掺镱光纤激光器的发展现状  20-23
  1.4 本论文主要研究内容  23-25
第二章掺镱双包层光纤  25-40
  2.1 镱离子能级理论  25-27
  2.2 镱离子的光谱特性  27-28
  2.3 双包层光纤工作原理  28
  2.4 稀土掺杂双包层光纤的物理特性  28-29
    2.4.1 双包层光纤基质材料  28-29
    2.4.2 光纤传输损耗  29
    2.4.3 强度及可靠性  29
  2.5 双包层光纤结构  29-32
  2.6 双包层光纤中泵浦光分布及吸收特性  32-40
    2.6.1 圆形内包层结构  32-34
    2.6.2 偏移芯型内包层结构  34-35
    2.6.3 矩形内包层结构  35-36
    2.6.4 准圆形内包层结构  36-40
第三章掺镱双包层光纤的制备  40-58
  3.1 工艺流程  40-45
    3.1.1 材料的选择  41-42
    3.1.2 工艺参数设计  42-44
    3.1.3 MCVD 工艺原理  44-45
    3.1.4 疏松层中镱离子掺杂的机理  45
  3.2 工艺实施  45-49
    3.2.1 YbCl_3 溶液的配制  46
    3.2.2 光纤阻挡层和疏松芯层的制作  46
    3.2.3 预烧结  46-47
    3.2.4 溶液掺杂  47
    3.2.5 脱水缩棒套管  47-48
    3.2.6 预制棒加工处理  48
    3.2.7 拉丝  48-49
    3.2.8 测试  49
  3.3 疏松层对Yb~(3＋)的吸附实验  49-52
    3.3.1 吸附时间对吸附量的影响  50-51
    3.3.2 搅拌速度对吸附量的影响  51-52
  3.4 关键工艺及其优化  52-58
    3.4.1 疏松层沉积工艺技术  52-54
    3.4.2 溶液掺杂工艺技术  54-55
    3.4.3 脱水工艺技术  55-57
    3.4.4 疏松层预烧结工艺技术  57-58
第四章关键技术及相关测试技术的实验研究  58-70
  4.1 关键技术  58-60
    4.1.1 稀土离子高浓度掺杂技术  58-59
    4.1.2 大纤芯直径及低纤芯数值孔径技术  59-60
  4.2 关键技术和难点的解决方案及实施情况  60-63
    4.2.1 Yb~(3＋)离子浓度的提高及均匀性的控制  60-61
    4.2.2 增大纤芯面积及低纤芯数值孔径控制技术  61-63
  4.3 试验结果及讨论  63-67
    4.3.1 光纤的参数测试及分析  63-65
    4.3.2 激光特性实验及分析  65-67
  4.4 主要成果  67-70
    4.4.1 研制取得成果的特点  67-68
    4.4.2 与国外光纤对比  68-70
第五章掺镱双包层光纤吸收系数测试的研究  70-77
  5.1 实验  70-75
    5.1.1 纤芯吸收系数的测量  70-72
    5.1.2 有效吸收系数的测量  72-75
  5.2 分析和讨论  75-76
  5.3 结论  76-77
第六章总结  77-80
参考文献  80-83
发表论文和参加科研情况说明  83-85
致谢  85

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