掺镱双包层光纤激光器、放大器的理论和实验研究

摘要

本论文围绕掺镱双包层光纤激光器、光纤放大器展开了深入的理论和实验研究,具体内容如下:
　　 介绍了镱元素的能级、吸收谱、发射谱,回顾了光纤激光器、光纤放大器的发展历史。
　　 理论上,通过用精确的4阶龙格库塔法,并结合高效的打靶法求解光纤激光器稳态方程组,得到了光纤激光器稳态时的输出,而且计算了不同泵浦光下光纤长度与输出光强的关系、不同掺杂浓度下的光纤长度与输出光强的关系、光纤内功率分布、上能级粒子分布、不同损耗系数下光纤长度与输出光强的关系、不同情况下阈值随光纤长度的变化、腔镜反射率与输出功率的关系。以上结果对于光纤激光器的优化具有指导性的意义。
　　 从放大连续光的光纤放大器方程组出发,通过2阶龙格库塔法、弛豫法进行讨论,计算了单向连续光泵浦条件下信号光从不同方向注入以及没有信号光时的光纤内功率分布,计算了不同信号光功率下的上能级粒子分布,计算了分别从两个方向泵浦时不同泵浦功率下光纤长度与输出功率的关系,还计算了输出功率与信号光功率的变化曲线,又计算了输出功率与泵浦光功率的关系,计算了分别从两个方向泵浦时不同掺杂浓度下的输出功率随光纤长度的变化曲线。
　　 从放大脉冲光的光纤放大器方程组出发,利用有限差分方法,将种子光分为低频脉冲和高频脉冲分别讨论,精确地得到了单向连续光泵浦条件下光纤放大器在低频方波、高斯脉冲输入时的输出波形,并分别得到放大以上两种脉冲时光纤内上能级粒子分布随时间的变化,比较了二者的区别。
　　 并且在光纤放大器放大高频脉冲的理论方面提出了一种精确、高效的稳态输出的计算方法。并讨论了光纤长度与输出脉冲能量的关系、泵浦功率与输出脉冲能量的关系。
　　 在实验上设计并制作了一种结构简单的光纤激光器,无需熔接,使用透镜将光束聚焦耦合进光纤,其中一端仅依靠光纤端面作为反射镜,另外一端使用对于红外波段反射率为97％左右的银镜,得到的阈值为1.1W,在泵浦功率15.25W时获得波长1045nm的最大输出功率9.9W,斜效率70％。实验结果与理论结果符合的很好。
　　 最后,我们设计了一种基于锁模VECSEL和掺镱双包层光纤的放大器。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 光纤激光器、光纤放大器的研究进展

1.2.1 国内外光纤激光器的研究进展

1.2.2 国内外光纤放大器的研究进展

第二章 掺镱双包层光纤激光器的理论计算

2.1 基础知识

2.1.1 镱离子的能级结构和速率方程

2.1.2 双包层光纤

2.2 数值计算方法

2.2.1 理论模型的建立

2.2.2 数值计算

2.3 计算结果

2.3.1 泵浦光功率与输出功率的关系

2.3.2 不同泵浦功率下光纤长度与输出功率的关系

2.3.3 不同掺杂浓度下的光纤长度与输出功率的关系

2.3.4 光纤内功率分布

2.3.5 不同损耗系数下光纤长度与输出功率的关系

2.3.6 不同情况下阈值随光纤长度的变化

2.3.7 输出功率随反射率R1的变化关系

2.4 本章小结

第三章 掺镱双包层光纤放大器的理论计算

3.1 放大连续光情况下的理论模型与数值计算

3.1.1 理论模型

3.1.2 数值计算

3.1.3 计算结果

3.2 放大脉冲光情况下的理论模型与数值计算

3.2.1 脉冲放大理论模型

3.2.2 低频脉冲放大数值计算

3.2.3 计算结果

3.2.4 高重复频率脉冲放大数值计算

3.2.5 计算结果

3.3 本章小结

第四章 掺镱双包层光纤激光器的实验研究

4.1 光路的设计

4.1.1 常见光路结构

4.1.2 实验装置

4.1.3 关于耦合

4.2 实验结果与分析

4.3 掺镱双包层光纤放大器的设计

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术成果

致谢