大芯径掺铒光纤脉冲放大器的理论研究与仿真

摘要

为了实现高光束质量激光输出，传统的光纤放大器和光纤激光器均采用芯径较小的单模光纤作为增益介质波导。在脉冲激光应用领域中，这类小芯径光纤放大器和激光器的输出脉冲能量受限于自发辐射放大、非线性效应以及光纤的端面损伤。基于这样的限制，本文探讨了以多模光纤作为光纤放大器和光纤激光器增益介质波导的可行性。
　　本文从波动理论基础出发，结合模式耦合理论和弯曲损耗理论，提出了一种用于分析弯曲多模光纤的空间滤波特性的理论模型，并运用逐步扫面法、二分法以及四阶龙格－库塔法对此模型进行了数值仿真。仿真结果表明，弯曲多模光纤的空间滤波作用能够很好地弥补了因多模波导的引入所引起的光束质量劣化问题。
　　对多模光纤采取弯曲来抑制高阶模的方法带来了额外的功率损耗，这个额外的损耗对光纤放大器的增益以及输出的激光脉冲能量都会造成影响。本文通过对损耗机制的分析，计算出多模光纤的基模等效损耗系数，并将其引入到光纤放大器模型中去，得到了存在弯曲损耗时的光纤放大器等效模型，并详细分析了弯曲损耗对光纤放大器性能的影响。
　　本论文主要工作是提出了用于分析弯曲多模光纤的空间滤波特性的理论模型和存在弯曲损耗时的光纤放大器等效模型。通过数值仿真，我们得到了纤芯为32 m?时，放大器仍然能够保持单模运转，此时输出的单脉冲能量达到2.69 mJ，比传统的单模光纤放大器所能提取的脉冲能量大两个量级。

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第一章 绪 论

1．1 光纤放大器的发展

1．2 实现高能激光脉冲的途径

1．3大芯径光纤脉冲放大器和激光器的国内外进展

1．4 本论文工作

第二章 光纤波动理论基础

2．1 阶跃折射率光纤的模式特征方程的求解

2．2 多模光纤的模式耦合

2．3 多模光纤的弯曲损耗

2．4 空间滤波特性分析模型

2．5 小结

第三章 大纤芯掺铒光纤脉冲放大器

3．1 掺铒光纤放大器的理论基础

3．2 低重频下的脉冲放大器模型

3．3 存在弯曲损耗时的放大器等效模型

3．4 小结

第四章 仿真试验与结果分析

4．1 模式耦合方程的误差分析

4．2 LP01模与LP11模的弯曲损耗系数的差异分析

4．3 多模光纤的空间滤波特性分析

4．4 光纤放大器的增益饱和现象分析

4．5 弯曲损耗对增益和脉冲能量的影响

4．6 纤芯半径的优化设计

4．7 小结

第五章 论文工作总结

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的成果