掺铥光纤激光器及放大器研究

摘要

2μm掺铥光纤激光器及放大器在医疗，激光遥感以及光通信等方面有很多应用，2μm波长附近由于接近掺铥光纤常用的3F4→3H6能级跃迁的截止波长，激光的增益出现明显下降，这对于WDM系统以及未来光通信是很不利的。为了得到2μm波段增益平坦的放大器性能，本文主要围绕掺铥光纤放大器，通过三个实验的结构设计及参数优化，最终实现了长波段增益平坦的掺铥光纤放大器。 本文开始主要介绍了二氧化硅玻璃基质的光纤激光器的优势以及分类，可调谐掺铥光纤激光器的重要性，国内外关于2μm光纤激光器及放大器的研究成果。接着探究了铥离子的能级结构以及发生在能级间的交叉驰豫(CR)与能量上转换(ETU)过程，从原理上说明了基于硅玻璃的掺铥光纤激光器能够产生2μm波段激光的的能力，并介绍了三种泵浦方式及包层泵浦技术。 实验上，首先研制了一套基于光纤光栅的1560nm高功率铒镱共掺光纤激光器，用作对种子光进行放大的泵浦光源，通过对比试验以及优化，最终实现1560nm处功率为1W的稳定输出，激光信噪比良好。 其次是2μm掺铥光纤激光器光路设计，通过环形腔以及F-P腔滤波器的波长选择作用，最终实验实现了波长从1870-2040nm可调的掺铥光纤激光器。 最后，通过实验设计出一套用于实现2μm长波段增益平坦的放大器结构，通过采用上述自制的1560nm激光器后向泵浦掺铥光纤作为一级放大，再以793nm激光器前向泵浦掺铥光纤作为二级放大的两级级联放大结构，在优化后的结构及增益光纤长度下，最终实现在总泵浦功率为6W情况下，激光在1960-2040nm近80nm带宽下增益平坦，增益为28±1.3dB的放大器性能。在2000nm波长处输入0dBm的信号光，得到0.91W的功率输出，斜率效率为15.2％。

目录

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致谢

摘要

1．绪论

1．1．掺铥光纤激光器及放大器应用

1．1．1． 医疗

1．1．2． 激光遥感

1．1．3． 光通信

1．2．光纤激光器优势

1．2．1． 二氧化硅基质用于研制光纤激光器优势

1．2．2． 基于二氧化硅玻璃掺铥光纤激光器分类

1．3．国内外研究现状

1．4．可调谐掺铥光纤激光器在放大器研究中的重要性

1．5．本文的主要内容和章节安排

1．6．本文的主要创新点

2．掺铥光纤激光器的发光原理与泵浦分析

2．1．铥离子发光原理

2．1．1． 铥离子基态和激发态间交叉驰豫

2．1．2． 成对激发态铥离子离子间能量上能级转换

2．1．3． 铥离子产生2μm波段辐射过程

2．2．掺铥光纤激光器泵浦分析

2．2．1． 掺铥光纤激光器泵浦波长选择

2．2．2． 常用的三种泵浦结构

2．2．3． 包层泵浦技术原理

2．3．本章小结

3．掺铥光纤放大器泵浦光源的实验搭建

3．1．1560nm高功率激光器原理

3．1．1． 光栅布拉格光栅原理

3．1．2． EYDF与EDF对比

3．2．1560 nm光纤激光器搭建实验

3．2．1． 光路结构设计

3．2．2． 泵浦光对激光器性能影响

3．2．3． 低反射光栅对激光器性能影响

3．2．4． 掺杂光纤长度对激光器性能影响

3．3．本章小结

4．掺铥光纤激光器及放大器实验研究

4．1．掺铥光纤激光器实验研究

4．1．1． 掺铥光纤激光器光路设计

4．1．2． 掺铥光纤激光器实验结果

4．2．掺铥光纤放大器结构设计

4．2．2． 对放大器结构的优化

4．2．3． 对掺杂光纤长度的优化

4．2．4． 掺铥光纤放大器设计结果

4．3．掺铥光纤放大器增益平坦性实验验证

4．3．1． 掺铥光纤放大器光路结构

4．3．2． 掺铥光纤放大器结果分析

4．4．本章小结

5．总结与展望

5．1．总结

5．2．展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的研究成果