一种掺镱双包层光纤激光器理论模型与数值分析研究

摘要

与传统的固体激光器相比，光纤激光器具有很多优点，如高效率、高光束质量、可靠性好、结构紧凑以及散热性好等。掺Yb3+光纤激光器由于能级结构简单、无激发态吸收、增益谱宽易于调谐等优点受到了极大的关注。与传统的光纤不同，双包层光纤在纤芯外面增加了一个内包层。在双包层光纤激光器中，泵浦光在内包层中传输，被掺杂纤芯吸收，从而产生激光输出。由于内包层有较大的几何尺寸和数值孔径，因此，双包层光纤激光器能将更高的泵浦功率耦合到光纤中，得到高功率的激光输出。 本论文对所提出的一种掺Yb3+双包层光纤激光器理论模型进行了公式演算与数值分析： 1．参阅了大量的最新文献，简要的归纳了光纤激光器的研究背景，描述了掺Yb3+双包层光纤激光器当今国内外的最新研究进展。指出了光纤激光器课题研究的重要意义。 2．探讨了掺Yb3+双包层光纤激光器的各个结构部分的工作机理，包括双包层光纤的结构与特点；谐振腔结构；泵浦耦合技术。为掺镱双包层光纤激光器理论模型的提出打下了良好的铺垫。 3．分析了Yb3+的能级结构，光谱特性和Yb3+离子受激辐射的特点。建立了双包层光纤激光器的功率传输方程，以此为基础，提出一种用光纤光栅作为F-P腔掺Yb3+双包层光纤激光器的理论模型，针对此模型进行了理论分析，给出了数值计算的方法。特别阐述了采用的打靶法在设定此微分方程组边界条件的初值方法。为用MATLAB进行数值分析打下了良好的铺垫。 4．根据双包层光纤激光器的速率方程，利用上述所阐述的打靶法，用MATLAB进行了数值模拟，数值分析了掺Yb3+双包层光纤激光器中激光和泵浦光的功率分布，分析了后腔镜反射率、泵浦光波长、散射损耗系数、掺杂浓度等对光纤激光器特性的影响；随后对作为增益光纤的双包层光纤吸收特性进行了详尽的公式演算与分析；对作为腔镜的光纤光栅特性进行了系统的理论推导分析。得出的理论分析结论为设计掺场。Yb3+双包层光纤激光器提供了依据，为实验室的后续实验提供了参考与指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1光纤激光器的研究现状与应用

1.1.1光纤激光器的国内外研究现状

1.1.2光纤激光器的应用

1.2掺镱双包层光纤激光器的研究背景

1.2.1国外掺镱双包层光纤激光器的研究进展

1.2.2国内掺镱双包层光纤激光器的研究进展

1.3笔者所做的主要工作

1.4论文的组织结构

第二章光纤激光器的基本结构分析

2.1光纤激光器的基本原理

2.1.1光与物质的相互作用

2.1.2激光产生的基本理论

2.1.3光纤激光器的基本工作原理

2.2增益光纤的基本特征

2.2.1光纤的基本特性

2.2.2增益光纤的掺杂元素

第三章掺镱双包层光纤激光器的基本结构分析

3.1双包层光纤的结构特性

3.1.1双包层光纤的结构

3.1.2双包层光纤的特点

3.2掺镱双包层光纤激光器中的基本谐振腔结构

3.2.1 F-P腔

3.2.2环形腔结构

3.3掺镱双包层光纤激光器中的泵浦耦合技术

3.3.1端面抽运

3.3.2侧面抽运

第四章掺镱双包层光纤激光器的理论分析

4.1掺镱双包层光纤激光器理论模型的提出

4.1.1Yb3的能级结构

4.1.2掺场Yb3双包层光纤激光器的速率方程

4.1.3掺场Yb3双包层光纤激光器实验模型的提出与计算方法分析

4.2掺镱双包层光纤激光器的数值分析

4.2.1光纤激光器中的功率分布

4.2.2泵浦波长对输出特性的影响

4.2.3散射损耗对输出特性的影响

4.2.4后腔镜反射率对输出功率的影响

4.2.5掺杂浓度对输出特性的影响

4.2.6光纤长度对激光输出波长的影响

4.3作为增益光纤的双包层光纤吸收特性分析

4.4布拉格光纤光栅的特性分析

4.4.1光纤光栅的制作技术

4.4.2耦合模方程推导分析

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文