Tm3+掺杂硫系光子晶体光纤增益特性理论研究

摘要

稀土掺杂光纤激光器和放大器在空间探测、红外遥感、军事和民用领域有着广阔的应用前景，但目前商用的光纤激光器和放大器多采用石英介质的传统单模光纤，这就限制了其在中远红外波段的大气第二和第三窗口的应用，同时由于传统光纤纤芯较细，在高输入功率下易产生非线性效应，对光纤端面造成损伤甚至烧坏光纤，不利于高质量激光光束的产生和传输。
　　为了从基质材料和光纤结构两方面改善光纤激光器和放大器的性能，本论文在前人研究基础上开展了对Tm3+离子掺杂硫系光子晶体光纤增益特性的理论研究，选取GeS2-Ga2S3-CsI硫卤玻璃系统作为基质材料，完成了从基质玻璃制备、光谱特性测试与参数计算、四能级放大器模型的建立、光子晶体光纤结构设计与模场分布计算和中红外增益特性模拟等一系列的工作，为中红外波段硫系玻璃基质的高功率PCF激光器和放大器的设计实现提供相关的理论依据。
　　论文第一章绪论首先介绍了中红外光源的应用及产生方式，重点综述了稀土离子尤其是Tm3+离子掺杂硫系玻璃中红外发光的研究情况。接下来介绍了硫系光子晶体光纤的基本理论和发展历程，分析了稀土离子掺杂硫系PCF放大器的研究现状，最后在前人理论和实验的基础上提出了本论文的研究内容、手段、目的和意义。
　　第二章主要从三个方面概述了本论文所用到的理论知识，一是稀土掺杂硫系玻璃基质光谱参数的计算，包括Judd-Ofelt理论、Futchbauer-Ladenburg理论以及Mc-Cumber理论；二是光纤放大器的理论基础，包括稀土掺杂光纤放大器的原理、四能级系统、能量转移过程和增益特性模拟方法；三是研究微结构光纤的理论方法。
　　第三章介绍了本论文所用到的硫系玻璃样品的制备工艺和样品性能测试方法，包括热稳定性、吸收光谱、荧光光谱等。
　　第四章研究了Tm3+掺杂GeS2-Ga2S3-CsI硫卤玻璃传统单模光纤在中红外3.73μm的增益特性。计算了 Tm3+离子的光谱参数，在综合各种能级跃迁的基础上建立了四能级放大器模型，讨论了不同泵浦功率下光纤放大器的宽带放大效果，结果显示出硫卤玻璃掺铥传统光纤在中红外波段具有高信号增益和宽增益谱，同时也存在适宜的光纤长度和泵浦功率以获得最佳信号增益。
　　第五章进一步研究了光子晶体光纤的结构参数和模场分布，讨论了GGSI硫系光子晶体光纤中红外波段的增益特性，并与传统单模光纤在相同参数下的增益特性进行对比，接下来分析了泵浦功率、信号功率、光纤长度和背景损耗对输出信号增益的影响，模拟结果显示论文中设计的光纤结构最大增益值达到33 dB，20 dB增益带宽超过200 nm，因此该PCF放大器适于中红外多波段的宽带放大应用。
　　第六章主要研究了Tm3+掺杂 GGSI硫系光子晶体光纤放大器在1.8μm波段的增益性能。计算了Tm3+离子在1.8μm波段的吸收截面和发射截面，建立了该波段下的粒子数速率-光功率传输方程，讨论了设定参数条件下的信号光放大品性，结果显示最大增益值达到39 dB，光纤最佳长度约为0.6 m。
　　最后结论部分全面总结了本论文的研究工作，并指出了研究过程中的不足和需要进一步深入研究的问题。

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引言

1绪论

1.1中红外光源的产生及应用

1.2稀土离子掺杂硫系玻璃研究情况

1.3硫系玻璃光子晶体光纤

1.4稀土掺杂硫系PCF放大器研究现状

1.5本论文的研究内容、方法和意义

2理论依据和研究方法

2.1稀土掺杂硫系玻璃基质参数计算

2.2光纤放大器理论

2.3光子晶体光纤研究方法

3 Tm3+掺杂基质玻璃制备及光谱测试

3.1实验原料及设备仪器

3.2块状玻璃样品制备

3.3玻璃样品性能测试

4 Tm3+掺杂硫卤玻璃光纤的中红外增益特性模拟研究

4.1引言

4.2结果与讨论

4.3本章小结

5 Tm3+掺杂硫系光子晶体光纤中红外放大特性数值模拟

5.1引言

5.2结果与讨论

5.3本章小结

6 Tm3+掺杂硫系玻璃光子晶体光纤1.8 μm波段增益特性研究

6.1引言

6.2结果与讨论

6.3本章小结

7结束语

参考文献

在 学 研 究 成 果

致谢