掺镱双包层光纤激光器研究

论文摘要

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。掺镱(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。除了耦合到光纤中的泵浦光功率外，影响双包层光纤激光器输出功率提高的主要因素有热效应和非线性效应。 本论文理论和实验研究了掺Yb3+双包层光纤激光器的特性，主要内容可概括如下： 1、分析了双包层光纤激光器的特点、泵浦方式、研究现状和应用前景。 2、分析了Yb3+的能级结构和跃迁截面。根据光纤激光器的速率方程，利用打靶法，理论研究了掺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、掺杂浓度、散射损耗系数、泵浦光波长对光纤激光器特性的影响，为设计掺Yb3+双包层光纤激光器提供了理论依据。 3、采用将光纤分段的方法，理论研究了单点侧向泵浦双包层光纤激光器的特性，分析了不同泵浦光分布条件下，光纤中的正反向激光功率分布，以及泵浦点位置变化对输出激光功率的影响。 4、建立了端面泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器的实验系统，解决了光纤激光器的端面泵浦耦合、光纤端面研磨、泵浦半导体激光器波长控制等问题。实验得到了输出功率为3.87W、斜率效率为70％的单模双包层光纤激光器。 5、实验研究了大纤芯、短腔长光纤激光器，得到了不同光纤长度下，光纤激光器的输出特性。实验研究了不同弯曲半径下，大纤芯掺Yb3+双包层光纤激光器的输出特性。通过改变掺Yb3+光纤激光器的温度，实现了可调谐光纤激光器，调谐范围为11.4nm。降低前腔镜的反射率，调节光纤端面与前腔镜的距离形成Fabry-Perot滤波器，实验研究了双包层光纤激光器的窄线宽输出特性。 6、研究了角度磨抛侧向耦合。采用几何光学的方法，理论推导了角度磨抛侧

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤激光器简介
• 1.2 双包层光纤激光器
• 1.2.1 双包层光纤
• 1.2.2 包层泵浦技术
• 1.3 双包层光纤激光器的研究现状与应用
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.1 应用前景
• 1.4 本文的主要贡献及内容安排
• 3+双包层光纤激光器基本特性的理论研究'>第二章 掺Yb³⁺双包层光纤激光器基本特性的理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 光纤激光器的基本原理和结构
• 3+的能级原理'>2.3 Yb³⁺的能级原理
• 3+的能级结构'>2.3.1 Yb³⁺的能级结构
• 3+的跃迁截面'>2.3.2 Yb³⁺的跃迁截面
• 3+双包层光纤激光器的速率方程'>2.4 掺Yb³⁺双包层光纤激光器的速率方程
• 2.4.1 速率方程分析
• 2.4.2 数值计算方法
• 3+双包层光纤激光器的理论分析'>2.5 端面泵浦掺Yb³⁺双包层光纤激光器的理论分析
• 2.5.1 光纤激光器中的功率分布
• 2.5.2 后腔镜反射率对输出功率的影响
• 2.5.3 散射损耗对输出特性的影响
• 2.5.4 掺杂浓度对输出特性的影响
• 2.5.5 泵浦光波长对输出特性的影响
• 3+双包层光纤激光器的理论分析'>2.6 单点侧向泵浦掺Yb³⁺双包层光纤激光器的理论分析
• 2.6.1 理论模型
• 2.6.2 光纤中的功率分布
• 2.6.3 输出功率与泵浦点的关系
• 2.7 本章小节
• 3+双包层光纤激光器的实验及分析'>第三章 掺Yb³⁺双包层光纤激光器的实验及分析
• 3.1 引言
• 3.2 实验系统设计
• 3.2.1 实验的基本装置
• 3.2.2 实验中的一些技术问题
• 3.3 单模、高效率双包层光纤激光器
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 实验及分析
• 3.4 大纤芯、短腔长双包层光纤激光器
• 3.4.1 理论分析
• 3.4.2 实验研究
• 3.4.3 讨论
• 3.5 大纤芯双包层光纤激光器的弯曲特性
• 3.5.1 弯曲损耗的理论分析
• 3.5.2 中心波长与阈值关系的理论分析
• 3.5.3 实验与讨论
• 3.5.4 结论
• 3.6 温度调谐双包层光纤激光器
• 3.6.1 实验与结果
• 3.6.2 理论分析
• 3.7 窄线宽双包层光纤激光器
• 3.7.1 Fabry-Perot滤波器理论分析
• 3.7.2 实验与讨论
• 3.8 角度磨抛侧向耦合研究
• 3.8.1 基本原理
• 3.8.2 耦合效率推导
• 3.8.3 计算和分析
• 3.8.4 侧向耦合的实验研究
• 3.9 本章小节
• 第四章 高功率双包层光纤激光器的热效应
• 4.1 引言
• 4.2 光纤中的温度分布
• 4.3 光纤中的应力分布
• 4.4 光纤中的折射率分布
• 4.5 计算及讨论
• 4.5.1 温度分布特性
• 4.5.2 应力分布特性
• 4.5.3 折射率分布特性
• 4.6 泵浦方式对功率和温度分布的影响
• 4.6.1 端面泵浦对光纤激光器功率和温度分布的影响
• 4.6.2 多点泵浦对光纤激光器功率和温度分布的影响
• 4.7 非均匀掺杂双包层光纤激光器的功率与温度分布
• 4.8 辐射平衡双包层光纤激光器
• 4.8.1 辐射平衡激光器介绍
• 4.8.2 理论模型
• 4.8.3 辐射平衡双包层光纤激光器的特性
• 4.9 本章小节
• 第五章 高功率双包层光纤激光器的受激拉曼散射
• 5.1 引言
• 5.2 拉曼散射的基本特性
• 5.2.1 拉曼增益谱
• 5.2.2 拉曼阈值
• 5.3 双包层光纤激光器的受激拉曼散射分析
• 5.3.1 理论模型
• 5.3.2 纤芯直径对输出的影响
• 5.3.3 光纤长度对输出的影响
• 5.3.4 前腔镜反射率对输出的影响
• 5.3.5 掺杂浓度对输出的影响
• 5.3.6 端面泵浦方式下的光纤激光器特性
• 5.3.7 三点泵浦方式下的光纤激光器特性
• 5.4 实验对比与讨论
• 5.5 本章小节
• 第六章 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间撰写的学术论文
• 作者简介