双级结构高功率铒/镱共掺光纤放大器的理论和实验研究

论文摘要

波长1.5μm附近的红外激光处于光纤通信的低损耗窗口,且具有“人眼安全”特性,因此在通信、医疗、远程遥感等方面都有很广的用途,研究意义重大。本论文研究的是能对1.5μm附近波长激光进行放大的高功率光纤放大器系统。此放大器采用双级结构,其中的第二级为铒/镱共掺双包层光纤放大器。研究具体内容如下:绪论中,介绍了铒/镱共掺双包层光纤放大器的发展历史、基本原理和研究现状等。理论方面,文中以原子速率方程为基础,结合功率传输方程分别针对连续和脉冲放大情况建立了包含ASE功率计算过程在内的理论模型。对于连续光的放大,通过数值模拟分析了增益光纤长度和信号输入功率变化对放大器输出功率的影响,仔细描述了在泵浦功率一定的情况下优化光纤长度以及选取恰当输入信号功率的过程,并确定了模拟中使用的放大器的最佳参数。对于脉冲信号的放大,分别模拟了不同形状、不同重复频率脉冲信号的放大情况,以矩形和高斯脉冲为例分析了不同形状脉冲放大后波形的变化以及不同脉冲频率对输出功率、脉冲能量和ASE抑制效果的影响。实验方面,对连续光和脉冲信号的放大情况分别进行了实验。第一级放大器实验中,分别测得了连续、方波、正弦三种输入信号情况下不同泵浦功率对应的输出功率大小的变化曲线以及光谱和脉冲波形变化。对第二级,实验了连续和调Q高斯脉冲两种输入信号的放大情况,测得了不同泵浦功率对应的输出功率随输入信号功率变化的几组数据曲线以及放大前后的光谱和波形并进行分析,得出的功率和波形变化趋势与理论模拟的情况相符合。实验中获得最高输出功率为1.33 W,光-光转换效率17 %,系统的总增益29.5 dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光的问世
• 1.2 激光放大技术的意义
• 1.3 光纤放大器的发展历史
• 1.4 光纤放大器的分类
• 1.4.1 掺杂型光纤放大器
• 1.4.2 利用非线性效应的光纤放大器
• 1.5 双包层光纤技术
• 1.5.1 双包层光纤结构
• 1.5.2 双包层光纤的泵浦耦合技术
• 1.6 高功率铒镱共掺光纤放大器的发展及应用前景
• 1.6.1 高功率铒镱共掺光纤放大器发展近况
• 1.6.2 铒镱共掺光纤输出激光的应用
• 1.7 本文的主要内容
• 第二章 稀土掺杂双包层增益光纤物理特性分析
• 2.1 稀土掺杂元素的特点
• 2.2 掺杂基质对稀土离子的影响
• 2.3 掺杂光纤的参数特性
• 2.3.1 离子掺杂浓度简介
• 2.3.2 吸收截面与发射截面
• 2.3.3 光纤中光场的重叠因子计算
• 第三章 铒镱共掺双包层光纤放大器的理论模拟
• 3.1 铒镱共掺光纤掺杂离子的能量传输特性
• 3+)与镱离子(Yb³⁺)掺杂的作用'>3.1.1 铒离子(Er³⁺)与镱离子(Yb³⁺)掺杂的作用
• 3.1.2 铒镱共掺时的能级结构
• 3.2 铒镱共掺增益光纤中的速率方程与功率传输方程
• 3.2.1 铒镱共掺光纤中的速率方程
• 3.2.2 功率传输方程
• 3.2.3 速率方程的简化
• 3+/Yb³⁺共掺增益光纤中放大的理论模拟'>3.3 连续光在Er³⁺/Yb³⁺共掺增益光纤中放大的理论模拟
• 3.3.1 简介连续光放大理论模型的基础
• 3.3.2 输入连续信号的计算
• 3.3.3 利用理论模型对参数进行优化
• 3+/Yb³⁺共掺增益光纤中的放大'>3.4 模拟脉冲信号在Er³⁺/Yb³⁺共掺增益光纤中的放大
• 3.4.1 用有限差分方法解功率传输方程的基本原理
• 3.4.2 输入为脉冲信号的计算
• 3.4.3 不同脉冲序列的放大情况分析
• 第四章 双级结构光纤放大器的实验研究
• 4.1 双级结构放大器设计方案
• 4.2 前级掺铒光纤放大器的实验研究
• 4.2.1 掺铒放大级的实验设备
• 4.2.2 掺铒放大级的实验数据及分析
• 4.3 铒镱共掺双包层放大级的实验研究
• 4.3.1 铒镱共掺双包层放大器的实验设备
• 4.3.2 铒镱共掺放大器的实验数据及分析
• 4.4 双级放大器实验总结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢