掺铥大模场光纤设计及其放大特性分析

摘要

2μm掺铥光纤激光器由于具有更宽的调谐光谱，因此在窄线宽高功率输出方面具有更大的优势，在塑料材料的激光焊接、切割等领域也有着重要的作用。由于受激布里源散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)、交叉相位调制等非线性效应的影响，目前光纤激光器获得高功率窄线宽的输出还较为困难[1]。由于光纤的非线性效应与光纤的模场面积成反比，模场面积越大，非线性阈值越高[2]，因此大模场掺铥光纤能够有效提升光纤激光器的输出功率及光纤放大器的转换效率。本文设计了一种具有较大模场面积的掺铥光纤，将其应用到光纤放大器中，并对放大器的特性进行了理论及仿真分析。
　　论文主要工作如下:
　　(1)针对非均匀布拉格光纤(Irregular Bragg Fiber，IBF)结构，对其模场分布进行了理论分析，研究了IBF的6种结构。通过对光纤进行仿真，从光纤的半径及折射率两个角度来研究不同光纤结构对模场面积的影响，从而选出具有最优模场面积的光纤结构。
　　(2)根据所设计光纤结构的特点，具体分析光纤参数对模场面积的影响并进行参数优化，主要是纤芯半径，折射率差，各层半径厚度比这三个参数，最后实现了模场面积为719μm2的大模场掺铥光纤。根据光纤参数，分析所设计光纤的弯曲损耗及稳定性，结果表明所设计光纤具备实用价值。
　　(3)根据铥离子能级结构特性，建立了793nm波长泵浦方式下的大模场掺铥光纤放大器理论模型。考虑掺铥光纤放大器的输出功率及放大器效率和SBS效应，利用设计的掺铥大模场光纤结合放大器理论模型进行仿真模拟。
　　(4)通过与普通阶跃光纤进行对比，分别研究两种模场面积下光纤长度、放大器泵浦功率与输出功率的关系。当使用793nm波长泵浦，泵浦光功率为100W,Tm3+浓度为4.0×1025m-3时，所设计的大模场面积光纤与普通阶跃光纤相比，转换效率提高5％,达到40％，输出功率为41.08W。结果表明，大模场掺铥光纤能够有效提升掺铥光纤放大器输出效率，并且整个放大器系统具有较高的稳定性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 大模场单模光纤研究意义及研究进展

1．1．1 大模场单模光纤的研究意义

1．1．2 大模场单模光纤的研究进展

1．2 掺铥光纤放大器研究意义及研究进展

1．2．1 掺铥光纤放大器研究意义

1．2．2 掺铥光纤放大器研究进展

1．3 本文的结构安排

2 大模场掺铥光纤放大器的理论分析

2．1 大模场光纤结构设计

2．1．1 非均匀布拉格光纤的理论分析

2．1．2 光纤参量的影响

2．2 掺铥光纤放大器结构分析

2．2．1 铥元素的基本特性

2．2．2 铥离子的泵浦方式

2．2．3 光纤放大器的结构描述

2．3 掺铥光纤放大器的性能研究

2．3．1 掺铥光纤放大器中的受激布里渊效应

2．3．2 掺铥光纤放大器的影响因素

2．4 本章小结

3 非均匀布拉格光纤结构仿真分析

3．1 非均匀布拉格光纤的数值分析

3．1．1 基于有限元法的IBF模式分析

3．1．2 IBF特性参数的数值计算

3．2 IBF结构参数对模场面积影响

3．2．1 IBF光纤的结构设计

3．2．2 IBF模场仿真分析

3．3 对于H-G(上升型)模型结构的参数优化

3．3．1 最内层折射率对模场面积的影响

3．3．2 纤芯各层厚度比对于模场面积的影响

3．3．3 外层折射率对模场面积的影响

3．4 光纤弯曲损耗

3．5 光纤结构稳定性分析

3．6 本章小结

4 大模场掺铥光纤放大器设计

4．1 掺铥光纤放大器模型

4．2 数值计算方法

4．2．1 牛顿迭代法

4．2．2 龙格-库塔法

4．3 793 nm波长泵浦掺铥光纤放大器仿真分析

4．3．1 放大器功率分布

4．3．2 泵浦功率的影响

4．3．3 铥离子掺杂浓度的影响

4．3．4 模场面积的影响

4．4 掺铥光纤放大器稳定性分析

4．5 本章小结

5．1 本文工作总结

5．2 未来的工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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