高功率掺镱双包层光纤激光器的研究

论文摘要

高功率光纤激光器是集结了激光二极管光纤模块及其泵浦技术、双包层光纤制作技术及光纤光栅技术于一身的新型激光器技术,在通信、工业加工、军事、激光印刷、医疗等领域有着重要的应用前景,近年来,双包层光纤激光器(DCFL)已成为国际激光界的一个研究热点。由于特殊的双包层结构,DCFL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。目前,影响DCFL输出功率进一步提高的主要因素有热效应和非线性效应等。本文概述了光纤激光器的发展历史、最新研究现状及发展方向,结合镱离子的吸收及发射特性,建立了高功率掺镱DCFL的稳态速率方程模型,并数值模拟了泵浦吸收系数、增益光纤长度、腔镜反射率和信号光损耗系数对DCFL输出特性、阈值特性和增益特性的影响,得到了一些有用的结论,为设计掺镱DCFL提供了理论依据。针对高功率掺镱DCFL中泵浦光沉积所导致的热效应问题,考虑了以聚合物为材料的外包层结构,基于一维热传导方程和平面应变各热应力分量表达式得到了DCFL内部各个区域的温度分布和热应力分布,并模拟分析了泵浦光吸收系数、纤芯半径、包层半径、对流换热系数、光纤长度、泵浦波长、泵浦方式对光纤激光器温度场和热应力场的影响。针对高功率掺镱DCFL的非线性效应问题,深入研究了其中的受激拉曼散射(SRS)效应。讨论了SRS的产生机理、并理论推导了SRS的阈值特性和增益特性表达式。在原有稳态速率方程模型的基础上,引入斯托克斯光速率方程,建立了包含SRS效应的数学模型。通过该数学模型,利用打靶法,模拟了高功率掺镱DCFL存在SRS效应时的输出特性,分析了光纤半径、增益光纤长度、泵浦光波长、腔镜放射率对SRS效应的影响,讨论了不同泵浦方式(单端泵浦、双端泵浦)下存在拉曼效应时光纤激光器中的信号光和斯托克斯光分布。利用已有的实验结果对理论模型进行了对比和验证。所得出的结论为优化高功率掺镱DCFL结构,减小SRS效应的影响提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤激光器的优点及其发展历史
• 1.2 光纤激光器的应用及国内外发展现状
• 1.3 本论文的研究内容
• 第2章 掺镱高功率DCFL的基本原理
• 3+的能级结构及光谱特性'>2.1 双包层光纤中Yb³⁺的能级结构及光谱特性
• 2.2 高功率DCFL的理论模型与速率方程的建立
• 第3章 高功率DCFL输出特性的数值模拟
• 3.1 双包层光纤激光器各参量对输出特性的影响
• 3.1.1 谐振腔对激光器性能的影响
• 3.1.2 双包层光纤激光器的阈值特性与斜率效率
• 3.1.3 双包层光纤激光器的增益特性
• 3.2 小结
• 第4章 高功率DCFL热效应分析
• 4.1 高功率DCFL内部温度的理论表达式
• 4.2 腔内各参量对温度特性的影响
• 4.2.1 泵浦吸收系数对腔内温度的影响
• 4.2.2 光纤损耗系数对腔内温度的影响
• 4.2.3 对流换热系数与纤芯半径对腔内温度的影响
• 4.3 DCFL热应力分析
• 4.3.1 热应力场的分布
• 4.3.2 泵浦方式对热应力的影响
• 4.3.3 泵浦波长对热应力的影响
• 4.3.4 光纤长度对热应力的影响
• 4.4 小结
• 第5章 高功率DCFL非线性效应分析
• 5.1 SRS的产生机理
• 5.2 拉曼增益谱
• 5.3 掺镱DCFL受激拉曼散射理论模型
• 5.4 DCFL中受激拉曼散射效应分析
• 5.4.1 纤芯半径对SRS的影响
• 5.4.2 光纤长度对SRS的影响
• 5.4.3 腔镜反射率对SRS的影响
• 5.4.4 泵浦光波长对SRS的影响
• 5.4.5 泵浦方式对SRS的影响
• 5.5 实验对比与讨论
• 5.6 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文