光纤放大器中受激布里渊散射的初步研究

论文摘要

光纤激光器和放大器以其全固态、高可靠性、光束质量好、转换效率高和便于热管理等优势，受到越来越多的关注，其广泛应用于通信、工业生产、医疗等行业。然而在光纤放大器中，由于传输功率高，纤芯的截面小，同时相互作用距离长，导致各种非线性效应很容易产生，包括受激布里渊散射、受激拉曼散射和自相位调制等等。一般情况下，受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering,SBS）的阈值要低很多，因此，对光纤放大器中受激布里渊散射的研究以及根据相关影响因素提出更加有效的抑制方案具有重要的意义。本文的目的在于对光纤放大器中受激布里渊散射问题进行初步的研究，推动对于光纤激光放大器中受激布里渊散射的理解，同时提高对其规律的认识，探索在光纤放大器中抑制非线性效应的方法。围绕掺镱双包层光纤放大器展开了深入的理论和实验研究，具体内容如下：一、根据掺镱双包层光纤结构和镱离子能级理论，建立了双包层光纤放大器的数学模型，推导出了光纤放大器的功率输运方程组，并对方程组进行了数值求解。二、通过本文建立的数学模型，对光纤放大器中的受激布里渊散射进行了模拟。在此基础上分析了信号光强、光纤长度、泵浦方式、泵浦功率、掺杂浓度、换热系数对受激布里渊散射的影响。三、进一步模拟了传输光纤对光纤放大器中受激布里渊散射的影响。主要模拟了传输光纤长度，结构及其增益对受激布里渊散射的影响。四、对部分模拟结果进行了实验验证，对实验结果进行了讨论，验证了模拟的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 掺Yb3+光纤放大器的构成
• 1.3.1 泵浦源——LD
• 1.3.2 泵浦光耦合系统
• 1.3.3 增益光纤
• 1.3.4 耦合输出系统
• 1.4 本文工作
• 第二章 基础理论
• 2.1 掺镱光纤放大器的基本理论
• 2.1.1 理论模型
• 3+能级结构'>2.1.2 Yb³⁺能级结构
• 3+的吸收与发射谱线'>2.1.3 Yb³⁺的吸收与发射谱线
• 2.1.4 速率方程
• 2.1.5 功率输运方程
• 2.2 SBS 的基本物理过程
• 2.3 光纤放大器中的热效应
• 2.3.1 温度场对SBS 增益谱的影响
• 2.3.2 光纤中的温度分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 理论模拟
• 3.1 功率输运方程的数值解法
• 3.2 理论模拟
• 3.2.1 泵浦方式的影响
• 3.2.2 光纤长度对SBS 的影响
• 3.2.3 吸收系数对SBS 的影响
• 3.2.4 泵浦功率对SBS 的影响
• 3.2.5 输入信号功率对SBS 的影响
• 3.2.6 换热系数对SBS 的影响
• 3.2.7 应用温度梯度来抑制SBS
• 3.3 传输光纤对光纤放大器中受激布里渊散射的影响
• 3.3.1 光纤元件所带传输光纤对SBS 的影响
• 3.3.2 放大器输出端传输光纤对SBS 的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 实验验证及讨论
• 4.1 光源的搭建
• 4.2 实验过程与实验结果
• 4.2.1 信号光功率对光纤放大器中SBS 的影响
• 4.2.2 信号光线宽对光纤放大器中SBS 的影响
• 4.2.3 传输光纤对SBS 的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 尚待解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间发表的论文