掺镱石英光纤光子器件研究

论文题目: 掺镱石英光纤光子器件研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学

作者: 范万德

导师: 董孝义,袁树忠

关键词: 掺双包层光纤,光纤激光器,双包层光纤激光器,光纤光栅,双包层光纤光栅,泵浦耦合系统,内包层形状,斜率效率,超荧光光源,调谐范围,少模光纤,全光纤化,激光选频

文献来源: 南开大学

发表年度: 2005

论文摘要: 掺镱石英光纤具有几个方面的优点,如能级结构简单,与掺Er3+、Nd3+等稀土离子的光纤相比,不存在对泵浦光或信号光的激发态吸收(ESA),可以有更高的掺杂浓度;有较宽的吸收光谱(850~1050nm),可以利用多种泵浦光源来设计泵浦方案;辐射光谱宽(900~1200nm),激光输出波长可以有很宽的可调谐范围。尤其是包层泵浦技术的应用,使高功率输出的光纤激光器实现成为可能。因此,掺Yb3+石英光纤激光器在激光空间通讯、光纤传感、工业加工、医疗和国防军事等领域有广阔的应用前景。本项研究工作结合国家自然科学重点基金和国家八六三项目,研究内容是对包层泵浦的掺镱光纤器件进行研究,从理论和实验两方面对掺镱双包层光纤激光器、放大器,双包层光纤Bragg光栅及其选频的光纤激光器,泵浦耦合方式等进行研究,取得了良好的结果。研究主要内容包括如下几个方面:一、首先对掺镱光纤及掺镱光纤激光器的发展状况、包层泵浦技术和高功率光纤激光器的应用等进行了综述;二、在前人对高功率双包层光纤激光器的理论基础上,在考虑了光纤散射损耗因子的情况对光纤激光器理论进行了推导,给出了准解析解,进一步完善了理论分析。数值模似了掺镱双包层光纤激光器的输出特性与组成器件的参数之间的关系。对光纤Bragg光栅选频双包层光纤激光器的特性进行了分析。这些理论分析为双包层光纤激光器的实验研究具有很大的指导意义。三、在少模光敏光纤中制作了一种波长在1.06μm波段的光纤Bragg光栅,理论和实验上给出了少模光纤光栅的温度敏感特性,另外将其作为光纤激光器腔镜进行激光选频,给出了实验结果。四、对在双包层光纤中制作光纤光栅进行了研究,制作出了一种用于双包层光纤激光器选频的光纤光栅。同时对在多种双包层光纤写制多种光纤光栅进行了实验研究,并进行了分析。五、系统地讨论了包层泵浦技术的特点,其核心是如何最大限度的提高包层中传输的泵浦光对纤芯中的掺杂激光介质的泵浦效率,其中双包层光纤的结构、内包层的形状、泵浦光入纤方式等是这项技术的关键所在。提出了光纤排和楔形棱镜波导耦合方案,从射线光学理论出发详细分析了斜角光纤耦合技术的原理,介绍了两种耦合方案的结构及实现方案。六、基于全国产化元件,实现了掺镱双包层光纤激光运转,输出功率达到了12.7W,斜效率达76.9%,且输出稳定。给出了高功率掺镱双包层光纤激光器

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 光纤激光器的发展及研究意义

1.2 掺镱光纤激光器的研究概况

1.2.1 国外双包层光纤激光器的发展状况

1.2.2 国内研究状况

1.3 双包层光纤结构特性与泵浦耦合方式

1.3.1 双包层光纤结构特性

1.3.2 包层泵浦技术中的耦合方式

1.4 光纤光栅在双包层光纤激光器件的应用及意义

1.5 双光层光纤激光器的应用前景

1.6 本论文研究的主要内容及创新点

第二章 掺镱双包层光纤激光器的理论分析

2.1 掺镱光纤激光器能级结构原理

2.1.1 镱离子的能级结构及速率方程

2.1.2 镱离子的吸收和发射截面

2.2 掺镱双包层光纤激光器的理论分析

2.3 结构参量对输出特性的影响

2.3.1 激光腔内泵浦激光沿着光纤长度方向上的变化

2.3.2 激光波长对双包层光纤激光器输出特性的影响

2.3.3 输出的激光功率与泵浦激光功率的关系

2.3.4 谐振腔腔镜反射率对激光输出特性的影响

2.3.5 光纤长度对激光输出功率的影响

2.4 光纤 Bragg 光栅选频双包层光纤激光器

2.5 本章研究内容小结

第三章 光纤Bragg 光栅的基本原理及双包层光纤Bragg 光栅

3.1 耦合模理论

3.2 少模光纤 Bragg 光栅

3.2.1 少模光纤Bragg 光栅的特性

3.2.2 少模光纤 Bragg 光栅的实验研究

3.2.3 少模光纤光栅作为腔镜的掺 Yb~(3+)光纤激光器

3.3 双包层光纤中光栅的制作

3.3.1 掺镱双包层光纤Bragg 光栅的制作

3.3.2 双包层光纤中 Moiré相移光纤光栅

3.4 本章研究内容小结

第四章 包层泵浦技术研究

4.1 内包层形状对吸收效率的影响

4.1.1 二维射线光学分析方法

4.1.2 内包层形状为圆形的双包层光纤吸收特性

4.1.3 矩形内包层光纤的吸收特性

4.2 泵浦耦合方式及技术特点

4.2.1 端泵浦技术的特点

4.2.2 边泵浦技术的特点

4.2.3 Taper 光纤耦合技术

4.3 非球面透镜组耦合方式

4.4 斜角光纤、光纤排耦合方式

4.4.1 斜角光纤耦合方式

4.4.2 光纤排耦合方式

4.5 楔形棱镜波导耦合方式

4.6 本章研究内容小结

第五章 包层泵浦掺镱光纤有源器件的实验研究

5.1 全国产化从1.8W到12W双包层光纤激光器的实验研究

5.1.1 双包层光纤激光器实验装置

5.1.2 全国产化1.8W 双包层光纤激光器的实验

5.1.3 全国产化12W 双包层光纤激光器的实验

5.2 大功率双包层光纤激光器的实验研究

5.2.1 半导体激光泵浦源特性测量

5.2.2 大功率双包层光纤激光器实验结果

5.2.3 对实验及结果的分析讨论

5.3 线性腔双包层光纤激光器的多波长输出实验研究

5.3.1 基于法布里－珀罗干涉的波长选择原理

5.3.2 多波长光纤激光器的实验研究及结论分析

5.4 高功率宽带双包层超荧光光源的实验研究

5.5 本章研究内容小结

第六章 双包层光纤Bragg 光栅选频光纤激光器实验研究

6.1 少模光纤 Bragg 光栅选频双包层光纤激光器实验初探

6.2 双包层光纤 Bragg 光栅选频光纤激光器实验研究

6.2.1 D 形内包层双包层光纤激光器

6.2.2 圆形内包层双包层光纤激光器

6.2.3 全光纤化双包层光纤激光器

6.2.4 Moiré相移光纤光栅选频双波长光纤激光器

6.2.5 结论

6.3 基于光栅选频宽调谐范围双包层光纤激光器实验研究

6.3.1 光纤光栅的应变和温度的敏感特性

6.3.2 应用于激光器选频的光纤光栅波长调谐技术

6.3.3 宽调谐范围的双包层光纤激光器的实验研究

6.4 本章研究内容小结

总结

参考文献

发表论文及研究成果

致谢

发布时间: 2006-10-30

参考文献

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