全光纤脉冲掺镱放大器

论文摘要

高功率脉冲光纤放大器具有光束质量高、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。本论文在国家科技部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”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”的支持下,对全光纤脉冲掺镱放大器进行了理论和实验上的研究和探索。主要包括:1、分析了Yb3+的能级结构和速率方程,用反转粒子数和光子流强度来描述脉冲放大过程的动态速率方程,得到了动态条件下的解,可求得脉冲放大后的能量及增益;对动态条件下的解进行深入的讨论,讨论分析了不同光脉冲强度下脉冲的变形和增益的变化。2、对种子光分别采用单模掺镱光纤进行了单级,双级放大器预放大的实验研究。在单级掺镱光纤放大器的实验中,对光纤长度进行了优化选择;在双级放大器的研究中,对前后级泵浦功率进行了合理的搭配,最终将平均功率0.5mW,重复频率为50KHz,脉宽为20ns的信号光放大到27.7mW,信噪比25dB的脉冲输出,脉冲波形没有变化,且保持较好的偏振态。同时,我们通过级联WDM的方法有效的保护了泵源。3、分别利用两种不同的泵浦耦合器和不同掺杂浓度的掺镱双包层光纤对信号光作进一步放大,实现了高功率的瓦级全光纤脉冲输出。第一方案所采用的侧面泵浦耦合器具有特殊的设计结构,对泵源形成有效的保护,但其耦合效率不高;在较高的泵浦功率下实现了平均功率为2.12W、峰值功率为2.12kW的脉冲输出。第二方案中泵浦合束器由于其98%的耦合效率,在较低的泵浦功率下,也实现了平均功率2.10W的脉冲输出。分析讨论了不同掺杂浓度的光纤对脉冲形状的影响。并对出现的次脉冲现象进行了初步的分析。4、理论分析了四波混频效应产生的条件,讨论了多波长掺铒光纤激光器中光子晶体光纤引入的四波混频效应对模式竞争的抑制和功率的均衡作用。写制了莫尔光栅并在激光腔内用作选频器件,基于其对温度的敏感特性,实现了室温下稳定可调谐的双波长输出;同时,写制倾斜光栅,并对基于倾斜光栅的双波长掺铒光纤激光器进行了实验研究,并通过调节腔内的偏振态,实现了单、双波长间的转换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 光纤放大器的分类
• 第二节 掺镱双包层光纤放大器
• 1.2.1 连续双包层掺镱光纤放大器的研究进展
• 1.2.2 脉冲双包层掺镱光纤放大器的研究进展
• 第三节 本论文研究的主要内容
• 第二章 掺镱双包层光纤放大器的理论基础
• 第一节 掺Yb3+光纤放大器的工作机理
• 3+的能级结构及速率方程'>2.1.1 Yb³⁺的能级结构及速率方程
• 3+的吸收和发射截面'>2.1.2 Yb³⁺的吸收和发射截面
• 3+双包层光纤及泵浦耦合技术'>第二节 掺Yb³⁺双包层光纤及泵浦耦合技术
• 2.2.1 掺镱双包层光纤的结构和特性
• 2.2.2 包层泵浦耦合技术
• 第三节 脉冲掺镱光纤放大器的特性
• 2.3.1 脉冲掺镱光纤放大器的传输方程
• 2.3.2 动态传输方程的解及讨论
• 2.3.3 脉冲掺镱光纤放大器的特性参数
• 第四节 本章小结
• 第三章 脉冲单模掺镱光纤放大器
• 第一节 单模掺镱光纤单级放大器
• 第二节 单模掺镱光纤双级放大器
• 第三节 种子源偏振态特性研究
• 3.3.1 偏振态的表征和描述
• 3.3.2 种子源偏振特性测试
• 第四节 本章小结
• 第四章 全光纤双包层脉冲光纤放大器
• 第一节 侧面泵浦全光纤双包层脉冲放大器
• 第二节 基于泵浦合束器的全光纤双包层脉冲放大器
• 第三节 本章小结
• 第五章 基于四波混频效应的双波长掺铒光纤激光器
• 第一节 多波长掺铒光纤激光器的研究进展
• 第二节 四波混频的理论分析
• 5.2.1 四波混频的理论
• 5.2.2 双波长掺铒光纤激光器中的四波混频效应
• 第三节 基于FWM 效应的双波长掺铒光纤激光器的实验研究
• 5.3.1 基于莫尔光栅的双波长掺铒光纤激光器的实验研究
• 5.3.2 基于倾斜光栅的可开关双波长掺铒光纤激光器的实验研究
• 第四节 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及攻读硕士期间发表文章