高功率2μm掺杂Tm3+光纤激光器输出特性研究

摘要

半导体激光器泵浦的高功率双包层光纤激光器以其可靠性好、散热性好、阈值低、效率高、结构紧凑等优点，近年来发展十分迅速。2μm波长的激光处于人眼安全波段，在激光雷达、遥感、工业加工及医学等领域有着广泛的应用前景，高功率2μm掺铥双包层光纤激光器具有极高的研究价值，在国际上引起了科研人员的高度重视。
　　 在高功率运转时，光纤激光器的热效应会对激光输出功率、谱线宽度、中心频率、偏振态等产生影响，从而限制了高功率2μm掺铥双包层光纤激光器的应用。热效应对其输出特性的影响的理论研究至今未见报道。因此有必要研究热效应对高功率2μm掺铥双包层光纤激光器输出特性的影响。
　　 本论文对基于速率方程组和光传导方程组的数学模型进行数值计算，分析了2μm掺铥双包层光纤激光器的输出特性。首先研究了泵浦光和激光沿光纤的功率分布和不同泵浦方式对该分布的影响，探讨了光纤长度、腔镜反射率、泵浦光和激光的光场重叠因子等参数对输出特性的影响。从热传导方程出发，计算了高功率2μm掺铥双包层光纤激光器的温度分布表达式，并数值模拟了光纤轴向、径向和三维温度场的分布。
　　 为研究将热效应考虑在内的高功率2μm掺铥双包层光纤激光器的输出特性，本论文首次建立了基于速率方程组、光传导方程组和热传导方程组的数学模型，并做出了数值模拟。根据多声子弛豫理论，平均声子数决定无辐射跃迁，交叉驰豫和上转换等过程的速率，本文研究了温度对平均声子数，吸收截面，发射截面和分支比的影响。最后，研究了内包层半径，对流传热系数，环境温度等参数对高功率2μm掺铥双包层光纤激光器的输出特性的影响，比较研究了硅基光纤激光器和ZBLAN光纤激光器输出特性的区别。