掺铥双包层光纤激光器理论和实验研究

论文摘要

掺铥光纤激光器发射谱覆盖1.5μm至2.2μm波段,其中含有两个大气窗口和一个强水吸收峰,由于其波段位于人眼安全区,所以被广泛的应用于激光医学、遥感探测、激光雷达、军事等领域,是光纤激光器领域里的研究热点。本文从理论和实验方面对掺Tm3+双包层光纤激光器进行了研究。主要内容如下：1介绍掺铥光纤激光器的基本原理,归纳和阐述了双包层光纤激光器的关键技术。研究了铥元素的能级结构特点,对其光谱特性进行了分析,在此基础上介绍了掺Tm3+光纤激光器的三种泵浦方案3H6→3F4、3H6→3H5、3H6→3H4,并就三种泵浦方案的泵浦过程进行了分析。3H4能级在其泵浦波长处的吸收截面远大于3H5和3F4能级,3H6→3F4泵浦方案属于二能级系统,难以实现粒子数反转,而3H5能级存在激发态吸收,理论得出3H6→3H4的泵浦方案较优2理论上,从速率方程出发,建立了掺Tm3+双包层光纤激光器的理论模型,获得了激光器泵浦阈值功率和输出光功率的解析表达式。使用COMSOL软件模拟出光在光纤传输过程中的基模分布。在MATLAB仿真环境中,进一步分析泵浦光和信号光功率分布、光纤长度、后腔镜反射率、阈值功率、掺杂浓度以及泵浦结构对输出功率的影响。3实验上,对实心双包层光纤和光子晶体光纤端面进行研磨处理,并对比机器研磨和手工研磨两种技术,改进和提高相关实验操作技术。其次搭建和调试掺铥光纤激光器系统,采用前端泵浦技术,实现2.89W激光输出,斜率效率为27.5%,不稳定度为3.7%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 掺铥光纤激光器的特点及应用
• 1.3 掺铥光纤激光器的国内外研究现状
• 1.3.1 掺铥光纤激光器的国外研究现状
• 1.3.2 掺铥光纤激光器的国内研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 掺铥光纤激光器的基本原理
• 2.1 掺铥光纤激光器的工作原理及结构
• 3+离子的能级结构及光谱特性'>2.2 Tm³⁺离子的能级结构及光谱特性
• 3+离子的能级结构'>2.2.1 Tm³⁺离子的能级结构
• 3+离子的光谱特性'>2.2.2 Tm³⁺离子的光谱特性
• 2.3 双包层光纤激光器的关键技术
• 2.3.1 双包层光纤的结构
• 2.3.2 光纤包层泵浦耦合技术
• 2.3.3 双包层光纤激光器的谐振腔结构
• 第3章 掺铥双包层光纤激光器激光特性理论分析和数值模拟
• 3.1 速率方程
• 3.2 光纤激光器的传输特性
• 3.3 掺铥光纤激光器输出特性的数值模拟
• 3.3.1 信号光与泵浦光功率沿光纤的分布
• 3.3.2 信号光功率与泵浦光功率的关系
• 3.3.3 信号光功率与后腔镜反射率的关系
• 3.3.4 光纤长度和后腔镜反射率对阈值功率的影响
• 3.3.5 掺杂浓度以及泵浦方式对信号光和泵浦光功率的影响
• 第4章 掺铥双包层光纤激光器的实验研究
• 4.1 掺铥光纤激光器的实验装置
• 4.1.1 泵浦源特性
• 4.1.2 掺铥双包层光纤
• 4.1.3 掺铥光纤激光器谐振腔
• 4.1.4 耦合系统
• 4.2 实验研究与结果分析
• 4.2.1 光纤端面处理
• 4.2.2 搭建和调试掺铥光纤激光器系统
• 4.2.3 掺铥激光器的输出特性
• 4.2.4 掺铥光纤激光器功率稳定性
• 4.2.5 实验结果分析
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表的论文及参加的科研项目
• 致谢