掺铒光纤激光器的动态模型与仿真技术研究

摘要

随着稀土掺杂光纤和密集波分复用(DWDM)光纤通信技术的发展与应用，各种结构新颖的光纤激光器技术成为当前光纤与光电子技术领域的一个重要发展方向。光纤激光器具有与光纤系统完全匹配、潜在的窄线宽、高输出功率和可调谐等诸多独特优点，有可能成为未来长距离大容量的超高速光纤通信系统的理想光源。 本文首先对光纤激光器的发展史和国内外的研究进展进行了介绍，分析了已有的几种主要光纤激光器结构的优缺点，在此基础上对基于高双折射光纤Sagnac环的掺铒光纤激光器设计方案进行了较为深入和详细的研究，主要工作包括： 1．全面介绍和分析了光纤激光器的工作原理和结构特征，对作为激光器增益介质的掺铒光纤的增益和自发辐射特性进行了研究，对比分析了掺铒光纤的不同制作方法和优缺点。同时对掺铒光纤在不同泵浦波长情况下的能级跃迁过程进行了比较。 2．对作为光纤激光器光反馈机构的高双折射光纤Sagnac环形镜的光学特性进行了研究，建立了基于高双折射光纤Sagnac环形镜的理论模型，并对其光学特性进行了仿真。详细分析了偏振控制器、双折射光纤和耦合器等器件参数对光纤Sagnac环形镜反射谱和透射谱的影响。 3．对掺铒光纤中Er<'3+>离子的辐射与吸收截面以及自发辐射与光增益之间关系进行理论分析。导出了基于高双折射光纤Sagnac环形镜光纤激光器的速率方程，并得出了相应的增益阈值条件和相位条件。 4．从掺铒光纤激光器的速率方程出发，结合高双折射光纤Sagnac环形镜的反射和输出特性，建立了掺铒光纤激光器动态模型，并结合MATLAB编程，通过数值计算和仿真对基于高双折射光纤Sagnac环形镜光纤激光器的谐振腔端面镜反射模谱、激光光功率谱、上能级粒子数密度N<,2>，和腔内光子密度和光功率的时间演化特性等进行了分析。在此基础上，对铒光纤长度、泵浦条件(功率和波长)和功率限制因子等设计参数对EDFI特性的影响进行了分析，并对EDFI进行优化设计。 5．文章的最后得出结论，指出了在此基础上需要进一步开展的有意义的研究工作，并对光纤激光器的未来发展方向进行了展望。 本文共计图42幅，参考文献38篇。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1光纤激光器的发展简史及其优势

1.2光纤激光器国内外研究现状

1.2.1包层光纤激光器

1.2.2窄线宽光纤激光器

1.2.3超短脉冲光纤激光器

1.2.4光子晶体光纤(PCF)激光器

1.2.5掺稀土光纤激光器

1.3开展基于光纤环镜EDFL研究工作的意义

1.4本文的工作

2 掺铒光纤激光器基本组成和原理分析

2.1掺铒光纤激光器结构模型

2.2掺铒光纤特性及光谱分析

2.2.1掺铒光纤结构和铒离子光谱

2.2.2光纤铒离子的主要吸收和发射能级

2.2.3掺铒光纤的制作方法

2.3掺铒光纤激光器的工作原理

2.3.1光纤中的激光效应

2.3.2EDFL的能级结构与工作原理

2.3.3 EDFL中激光产生的全过程

2.4本章小结

3 高双折射光纤Sagnac环形镜特性研究

3.1 Sagnac环形镜的结构及其原理定性分析

3.2理论推导及仿真模型建立

3.3数值计算及结果分析

3.4本章小结

4 掺铒光纤激光器理论模型

4.1掺铒光纤激光器理论分析

4.1.1辐射与吸收截面

4.1.2自发辐射系数与光增益的关系

4.2掺铒光纤激光放大器速率方程

4.3激光振荡形成的阈值和相位条件

4.4本章小结

5 基于Sagnac光纤环镜EDFL的动态模型仿真分析

5.1动态模型的建立和数值化

5.2 EDFL仿真结果和特性分析

5.3 EDFL的参数特性分析和优化设计

5.3.1不同参数对EDFL特性的影响

5.3.2参数选择和EDFL的优化设计

5.4本章小结

6 结论

参考文献

附录A

作者简历

独创性声明及学位论文版权使用授权书