全光纤掺Tm3+脉冲激光器及放大器的研究

论文摘要

2μm激光处于大气透明窗口和人眼安全波段，被广泛的应用于激光遥感、激光医疗和材料加工等领域，其中2μm脉冲激光器是获得35μm中红外波长参量振荡输出理想泵浦源。和2μm固体激光器相比，全光纤掺Tm3+脉冲激光器具有结构紧凑和抗干扰能力强等优点，但受到器件工艺等因素限制，关于全光纤掺Tm3+脉冲激光器及放大器的研究鲜有报道。本论文以获得2μm全光纤掺Tm3+脉冲激光器，并将其作为种子源进行全光纤掺Tm3+脉冲放大器的探索研究作为基本出发点，分别从理论和实验方面详细研究了带内泵浦的增益开关掺Tm3+光纤激光器激光特性以及全光纤掺Tm3+脉冲放大器的输出特性，期望为相关领域发展做出一定贡献。理论方面，首先在考虑功率重叠因子和Stark能级分裂情况下，建立带内泵浦的掺Tm3+光纤激光器速率方程理论模型，推导出了反转粒子数、腔内光子数、阈值能量、脉冲提取效率等解析式，并在此基础上对激光器的上能级粒子数、腔内光子数、脉冲建立时间、脉冲宽度等参数时间特性进行研究；文中还建立掺Tm3+光纤激光器的行波方程理论模型，讨论了上能级粒子数、腔内光子数沿光纤轴向变化情况，并研究了腔内可提取能量和激光器功率输出特性。其次，在考虑ASE对LMA高掺杂光纤放大器输出特性影响的基础上，建立了掺Tm3+光纤放大器的速率方程理论模型，分别对其在稳态放大和脉冲放大情况下进行数值仿真。在稳态放大情况下，研究了上能级粒子数、泵浦光和ASE沿光纤轴向分布情况；在一定泵浦功率下，分析了种子光功率和增益光纤长度对放大器功率输出特性的影响；在脉冲放大情况下，研究了不同重频和泵浦功率下，上能级粒子数和ASE沿光纤轴向分布情况，分析了脉冲输出能量和光纤存储能量随时间变化情况，以上理论分析为掺Tm3+光纤放大器实验研究奠定基础。实验方面，首先进行了1558nm双级脉冲掺Er3+光纤放大器实验研究，分别对每级放大器的输出能量、ASE功率和输出光谱进行详细测量和分析，讨论了ASE抑制与滤除方法。进行了800nm飞秒激光器刻写大芯径多模FBG的实验研究，通过在线监测激光器输出功率与刻写FBG辐射时间的变化关系，并结合掺Tm3+光纤激光器速率方程模型对FBG反射率和纤芯折射率调制等光栅参数进行估算；进行了紫外曝光法刻写了单模FBG实验研究，并使用宽带光源和高精度OSA对FBG光谱特性进行了研究，获得了中心波长相同，反射率不同的FBG。利用1558nm掺Er3+脉冲放大器作为泵浦源和单模FBG作为输入输出镜，进行了全光纤增益开关掺Tm3+光纤激光器实验，详细研究激光器的输出功率、脉冲宽度和脉冲建立时间。其次利用空间耦合方式将2054nm Q开关Tm,Ho:YVO4脉冲光耦合入LMA掺Tm3+光纤中进行脉冲放大实验，研究了放大器的输出功率、转换效率、光谱特性、光束质量因子、光斑分布情况和放大脉冲波形畸变情况。最后将实验研究的增益开关掺Tm3+光纤激光器作为种子源，进行了全光纤掺Tm3+脉冲放大器的实验研究，详细测量和分析了放大器输出功率、光谱特性、光束质量因子、光斑分布以及放大脉冲波形情况，最后指出ASE功率积累、寄生振荡和自脉冲效应是影响放大器能量输出的主要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 包层泵浦的光纤激光器研究及发展现状
• 1.2.1 双包层光纤原理与结构特性
• 1.2.2 包层泵浦的耦合方式
• 1.2.3 双包层光纤激光器研究现状
• 3+连续光纤激光器研究现状及分析'>1.3 掺 Tm³⁺连续光纤激光器研究现状及分析
• 3+脉冲光纤激光器研究现状及分析'>1.4 掺 Tm³⁺脉冲光纤激光器研究现状及分析
• 3+光纤激光器'>1.4.1 声光调 Q 掺 Tm³⁺光纤激光器
• 3+光纤激光器'>1.4.2 机械调 Q 掺 Tm³⁺光纤激光器
• 3+光纤激光器'>1.4.3 被动调 Q 掺 Tm³⁺光纤激光器
• 3+光纤激光器'>1.4.4 增益开关掺 Tm³⁺光纤激光器
• 3+光纤激光器'>1.4.5 锁模掺 Tm³⁺光纤激光器
• 3+光纤放大器研究现状及分析'>1.5 MOPA 结构掺 Tm³⁺光纤放大器研究现状及分析
• 3+光纤放大器'>1.5.1 连续掺 Tm³⁺光纤放大器
• 3+光纤放大器'>1.5.2 脉冲掺 Tm³⁺光纤放大器
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 3+光纤激光器的理论研究'>第2章 增益开关掺 Tm³⁺光纤激光器的理论研究
• 2.1 增益开关与调 Q 技术
• 3+光纤激光器的速率方程理论'>2.2 带内泵浦掺 Tm³⁺光纤激光器的速率方程理论
• 3+光纤激光器的时间特性'>2.3 增益开关掺 Tm³⁺光纤激光器的时间特性
• 2.3.1 激光器阈值反转粒子数和最大反转粒子数
• 2.3.2 腔内最大光子数与激光峰值功率
• 2.3.3 激光脉冲的建立时间
• 2.3.4 激光输出脉冲宽度
• 3+光纤激光器的行波理论'>2.4 增益开关掺 Tm³⁺光纤激光器的行波理论
• 2.4.1 行波方程的建立
• 2.4.2 行波方程的求解
• 2.5 本章小结
• 3+激光器的实验研究'>第3章 全光纤增益开关掺 Tm³⁺激光器的实验研究
• 3+脉冲光纤放大器的实验研究'>3.1 1.558μm 掺 Er³⁺脉冲光纤放大器的实验研究
• 3.1.1 DFB 结构脉冲 1.558μm 种子激光器
• 3+脉冲光纤放大器实验研究'>3.1.2 单级掺 Er³⁺脉冲光纤放大器实验研究
• 3+脉冲光纤放大器实验研究'>3.1.3 双级掺 Er³⁺脉冲光纤放大器实验研究
• 3.2 光纤光栅的实验研究
• 3.2.1 光纤光栅刻写
• 3.2.2 光纤光栅实验结果分析
• 3+光纤激光器实验研究'>3.3 光纤增益开关掺 Tm³⁺光纤激光器实验研究
• 3.3.1 实验装置图
• 3.3.2 激光器的功率输出和脉冲波形
• 3.3.3 脉冲宽度与脉冲建立时间
• 3.4 本章小结
• 3+光纤放大器的理论研究'>第4章 高功率掺 Tm³⁺光纤放大器的理论研究
• 3+能级结构及光谱特性'>4.1 Tm³⁺能级结构及光谱特性
• 3+能级结构'>4.1.1 Tm³⁺能级结构
• 3+泵浦方式及光谱特性'>4.1.2 Tm³⁺泵浦方式及光谱特性
• 3+光纤放大器的速率方程理论'>4.2 高功率掺 Tm³⁺光纤放大器的速率方程理论
• 4.3 放大器输出特性的理论仿真
• 4.3.1 稳态放大数值模拟
• 4.3.2 脉冲放大数值模拟
• 4.4 本章小结
• 3+光纤放大器的实验研究'>第5章 MOPA 结构掺 Tm³⁺光纤放大器的实验研究
• 3+脉冲光纤放大器实验装置和结果分析'>5.1 空间耦合注入掺 Tm³⁺脉冲光纤放大器实验装置和结果分析
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验结果与分析
• 3+脉冲放大器实验装置和结果分析'>5.2 全光纤掺 Tm³⁺脉冲放大器实验装置和结果分析
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历