可调谐分布反馈染料激光器的研究

摘要

与传统固体染料激光器相比,分布反馈(Distributed Feedback,DFB)染料激光器不需要传统激光器中的反射镜提供反馈,形成激光的反馈是分布在激光介质中的,这就使得DFB染料激光器具有小型化、易于集成、可调谐输出和窄线宽输出等优点。所以DFB染料激光器在光信息技术、光学器件和医学等领域都有重要应用。
　　在增益DFB染料激光器的研究方面,以往的实验研究都集中于以获得更大的调谐范围为目的,并没有探索液晶是否是加电压调谐的根本原因。本文用液晶与酒精分别掺杂染料,对增益DFB激光器进行了对比实验研究,这种研究方法并没有在国内外文献中见到。
　　在实验中,采用二倍频532nm调Q的Nd:YAG激光相干光泵浦两种激光介质,输出的激光线宽小于0.2nm。改变加在介质两端的电压,观察输出波长的变化。在染料掺杂液晶的实验中获得了调谐范围9nm的ASE输出,而染料掺杂的酒精实验中并没有获得调谐输出,验证了液晶分子是导致可调谐输出的原因。
　　在沟槽结构折射率DFB激光器的研究方面,近几年获得的最好的结果是调谐范围10nm左右,并没有更宽的范围出现。这是由于对沟槽结构的DFB激光器没有理论的研究基础,无法获得沟槽的最佳参数。本文提出了沟槽结构折射率DFB激光器的理论设计方法,国内外都没见报道。
　　在理论计算中,改变沟槽的占空比、周期、深度和倾斜度,获得了激光输出与它们之间的关系。以此为基础,确定了沟槽的最佳参数:槽的占空比为1:1,槽的周期长度为3μm,即槽的凹面及凸面的宽度均为1.5μm,槽的深度为1μm。同时对所设计的沟槽进行了仿真研究,通过改变折射率的大小和经过沟槽结构的次数,验证了所设计的DFB激光器可调谐窄线宽的输出特性。最后通过计算禁带边缘的群速度,分析了禁带边缘形成激光的原因。

目录

摘 要

Abstract

绪 论

课题背景及研究意义

DFB激光器的国内外研究进展

1.2.1沟槽制作工艺的研究进展

1.2.2增益DFB激光器的研究进展

1.2.3折射率DFB激光器的研究进展

1.2.4国内研究进展

本文主要研究内容

DFB激光器的耦合波理论

引言

耦合波理论模型

耦合波方程求解

增益饱和条件下的阈值条件

小信号增益条件下的阈值条件

DFB激光器的增益饱和效应

DFB激光器理想四能级的速率方程

本章小结

增益DFB激光器的输出特性

引言

增益DFB激光器的调谐

角度调谐

折射率调谐

染料的荧光光谱

增益DFB激光器实验装置

实验结果及分析

ASE光谱

窄线宽激光光谱

加电压调谐特性

本章小结

有限时域差分理论

引言

Maxwell 方程组和Yee元胞

笛卡尔坐标系中的一维FDTD理论

笛卡尔坐标系中的二维FDTD理论

二维FDTD离散方程

FDTD边界条件

笛卡尔坐标系中的三维FDTD理论

本章小结

设计折射率DFB激光器

引言

FDTD理论计算

一维理论计算

二维理论计算

三维理论计算

最终设计方案

设计结构图

模拟验证可调谐的输出特性

模拟验证窄线宽的输出特性

禁带边缘处形成激光的原因

本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢