全光纤纳秒脉冲掺镱放大器的研究

论文摘要

本论文是在国家科技部973项目“基于微结构光纤的光电子功能器件的创新与基础研究”(2003CB314906)和固体激光技术国家重点实验室基金项目“短脉冲双包层光纤相干激光光源的研究”(51438020205JW1502)的支持下完成的。高功率脉冲光纤放大器具有高光束质量、结构紧凑、光纤输出、散热性能好等优势,正广泛运用于精密加工、材料处理、医疗、激光雷达、太空通信等领域。本文对高可靠性的全光纤脉冲放大器从理论和实验上进行了深入研究和探索;对复合腔光纤激光器进行理论与实验研究。得到的主要研究成果包括:1、从动态速率方程,分析得出了脉冲光纤放大器的光子流密度、反转粒子数密度沿信号传输方向的解析表达式。讨论了输入信号的强弱、增益光纤长度以及初始反转粒子数密度对脉冲放大输出的能量及能量增益的影响。分析了强弱不同的输入信号对功率增益及脉冲畸变问题的影响。2、将级联波分复用器的泵浦耦合系统用于单模放大系统中。在泵浦光耦合效率达70%的基础上,有效提高了对后向放大自发辐射光(ASE)的隔离,使泵浦激光器在长时间内正常工作。实验中对高掺杂光纤长度进行了优化;采用分段泵浦来增加增加隔离度,抑制自发辐射,从而增加放大输出的脉冲功率。通过对两级泵浦功率值进行优化来获得较高能量输出和较好的信噪比。将平均功率0.5mW、占空比1/1000的脉冲放大到26mW,信噪比25dB的脉冲输出。相应增益为17.1dB。实验证明了在小信号输入条件下,脉冲形状基本没有发生畸变,并保持了种子光的优良偏振特性。3、在一级包层泵浦放大方案中采用国产的不同掺杂浓度的掺Yb光纤,研究了初始反转粒子数密度的差异对输出功率和脉冲形状的影响。在同样的泵浦功率下,利用高掺杂浓度的掺镱光纤有利于增加放大输出功率,但输出脉冲形状的畸变现象加剧;脉冲放大过程中因自相位调制会引起频谱展宽。在耦合效率高的包层泵浦放大方案中,要防止反馈的光信号影响LD的正常工作;在放大器的泵浦阈值附近,信号光输入功率与输出功率相等,但输出脉冲幅度不稳定。通过一级包层泵浦放大,获得了平均功率1.05W的脉冲输出。4、通过级联两级包层泵浦放大器,实现平均功率2W、峰值功率2kW的全光纤脉冲输出。在较强信号输入的条件下,研究了放大器内的弱反馈对输出脉冲形状产生的影响。低占空比脉冲放大使脉冲间隔内的ASE功率积累,并引起寄生激射和自脉动现象。这两种现象严重影响输出脉冲的功率、形状和信噪比。自脉动引起的次脉冲相对主脉冲延迟时间与放大器的长度有关。提高输入脉冲信号功率能够有效抑制寄生激射和自脉动,还可以通过声光门来控制放大器内的ASE,或采用带通滤波器滤除ASE噪声,从而获得干净的脉冲输出。5、在单一光栅选频的复合腔光纤激光器里对自组织相干合成机理进行研究与讨论。相干耦合模式通过低反(4.5%)布拉格光栅输出。相干组合效率达到了94.3%。实验得到的泄露功率输出特性与理论模拟结果吻合较好。利用高反射率的布拉格光栅作腔镜,并将起偏器和偏振控制器联合使用,达到控制复合腔内偏振态的目的,实现了偏振锁定输出。在迈克尔孙复合腔里,通过选用中心波长不同的布拉格光栅选频,比较了在1557.830nm和1559.845nm处的子腔振荡、复合腔振荡的斜率效率和相干合成效率。实验结果表明选频在复合腔最佳波长范围(1559nm~1561nm),能够有效提高复合腔振荡的斜率效率和相干合成效率。实验中选频在1557.830nm时,子腔和复合腔的斜率效率分别为20%和18.2%。而选频在1559.845nm时,子腔和复合腔的斜率效率分别为27.5%和25.3%。相干合成效率分别为90%和93.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 光放大器
• 1.1.1 光放大器的结构及分类
• 1.1.2 掺稀土光纤放大器的特点及性能
• 第二节 掺镱光纤放大器的研究进展
• 1.2.1 连续单模单包层掺镱光纤放大器
• 1.2.2 连续双包层掺镱光纤放大器
• 1.2.3 脉冲掺镱光纤放大器的发展状况
• 第三节 脉冲放大的包层泵浦耦合技术
• 1.3.1 端面耦合泵浦技术
• 1.3.2 V 型槽耦合泵浦技术
• 1.3.3 锥形光纤耦合泵浦技术
• 1.3.4 树杈形耦合泵浦技术
• 第四节 复合腔光纤激光器及其发展
• 1.4.1 相干合成技术简介
• 1.4.2 复合腔光纤激光器的发展
• 第五节 本论文的研究内容及创新点
• 第二章 脉冲掺镱光纤放大器的理论基础
• 3+光纤放大器的基础理论'>第一节 掺 Yb³⁺光纤放大器的基础理论
• 3+的能级结构和速率方程'>2.1.1 Yb³⁺的能级结构和速率方程
• 3+的吸收和发射截面'>2.1.2 Yb³⁺的吸收和发射截面
• 2.1.3 掺镱光纤放大器的简单工作原理
• 3+光纤放大器的理论分析'>第二节 脉冲掺Yb³⁺光纤放大器的理论分析
• 2.2.1 脉冲掺镱光纤放大器的动态传输方程
• 2.2.2 动态传输方程的解
• 2.2.3 动态传输方程解的讨论
• 3+光纤放大器的评价'>第三节 脉冲掺Yb³⁺光纤放大器的评价
• 2.3.1 描述光脉冲的各参数
• 2.3.2 脉冲放大的评价
• 本章小结
• 第三章 全光纤脉冲掺镱放大器种子源的实验研究
• 第一节 级联 WDM 的泵浦光耦合方式
• 第二节 对增益光纤长度的优化
• 3.2.1 不同长度光纤增益特性研究
• 3.2.2 不同长度光纤分别用于放大的结果分析
• 第三节 级联两级单模放大器的种子源
• 3.3.1 种子源实验系统方案
• 3.3.2 两级泵浦功率值的优化
• 3.3.3 实验结果及分析
• 第四节 种子源偏振态特性研究
• 3.4.1 偏振态的表征和描述
• 3.4.2 种子源偏振特性测试
• 本章小结
• 附：种子源实验实物图
• 第四章 全光纤瓦级纳秒脉冲放大器的实验研究
• 第一节 包层泵浦一级放大系统
• 4.1.1 基于侧面耦合系统的放大方案
• 4.1.2 基于高耦合效率泵浦合束器与D 型内包层DCYDF 的放大方案
• 4.1.3 实验总结
• 第二节 全光纤级联包层泵浦放大的实验研究
• 4.2.1 实验系统布局
• 4.2.2 实验结果与分析
• 4.2.3 解决问题探讨
• 4.2.4 实验结果
• 本章小结
• 附实验实物图
• 第五章 复合腔光纤激光器的研究
• 第一节 复合腔光纤激光器的基本原理
• 5.1.1 复合腔光纤激光器的基本结构及分类
• 5.1.2 复合腔光纤激光器自组织相干的基本原理
• 5.1.3 复合腔自组织相干合成的描述及评价
• 第二节 马赫-增德复合腔掺铒光纤激光器腔内相干的实验研究
• 5.2.1 基于马赫-增德干涉仪的复合腔的工作原理
• 5.2.2 基于马赫-增德干涉仪的复合腔实验结构图
• 5.2.3 腔内自组织相干合成的实验结果与分析
• 5.2.4 偏振锁定相干输出的实验研究
• 5.2.5 实验总结
• 第三节 波长选择对相干合成效率的影响
• 5.3.1 实验系统布局
• 5.3.2 实验中所用的布拉格光栅透射谱
• 5.3.3 实验结果与分析
• 5.3.4 实验总结
• 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及读博期间发表的学术论文与科研成果