掺铥光纤激光器的优化设计与分析

论文摘要

掺铥光纤激光器输出的2μm波段激光位于人眼安全波长区，具有效率高、光束质量好、散热性能好及可调谐宽等优点，在医学、生物学、超快光学、激光雷达、遥感等领域具有潜在的应用价值，已经成为光纤激光器研究的热点。而且，2μm掺铥光纤激光器作为中红外光源的泵浦源，可以实现更长波段激光的输出。目前连续功率输出已经接近千瓦量级，但是，随着输出功率的不断提升，如何优化光纤激光系统成为激光器总体设计和工程研制的重要问题。本论文对2μm掺铥光纤激光器进行了理论和实验研究。主要工作可归纳如下：首先，从速率方程出发，理论研究了千瓦级掺铥光纤激光器的最佳光纤长度和斜率效率。理论研究了千瓦级掺铥光纤激光器的泵浦功率、交叉弛豫系数、信号光散射损耗、输出耦合反射率及Tm3+掺杂浓度对2μm激光输出最佳光纤长度的影响。通过优化分析掺铥光纤激光器的工作参数后，得到了最佳光纤长度和最高输出功率。理论研究了千瓦级掺铥光纤激光器的交叉弛豫系数、泵浦光功率填充因子、输入耦合反射率、输出耦合反射率及Tm3+掺杂浓度对斜率效率的影响。为了获得高的斜率效率，详细分析了斜率效率与不同参数之间的变化规律，为获得了高斜率效率掺铥光纤激光器提供了设计依据。其次，搭建了环形腔掺铥光纤激光器的实验系统，实验研究了掺铥光纤激光器的输出特性。在波长为975nm光源泵浦下，获得了中心波长为1.99μm的激光输出。分析了不同输出耦合比及光纤长度情况下，光纤激光器的输出功率变化。最后，从热传导方程出发，推导得出了2μm高功率掺铥双包层光纤激光器中温度分布表达式。理论研究了泵浦功率、包层半径及传热系数对高功率掺铥光纤激光器中温度分布的影响。合理地增加传热系数，选用大包层半径、较长的光纤，可以有效地减少高功率掺铥双包层光纤激光器的热效应问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 插表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 掺铥光纤激光器的国内外研究现状
• 1.2.3 掺铥光纤激光器的应用
• 1.3 本文结构与内容介绍
• 第2章 掺铥光纤激光器的理论模型
• 2.1 掺铥光纤激光器的工作原理
• 2.2 Tm3+的能级结构及掺杂在各种基质中的光谱特性
• 2.2.1 Tm3+的能级结构
• 2.2.2 Tm3+掺杂在各种基质中的光谱特性
• 2.3 掺铥光纤激光器的泵浦方案
• 2.3.1 3H6→3F4泵浦方案
• 2.3.2 3H6→3H5泵浦方案
• 2.3.3 3H6→3H4泵浦方案
• 2.4 2μm 掺铥光纤激光器的速率方程
• 2.5 小结
• 第3章 掺铥光纤激光器的优化分析及实验研究
• 3.1 掺铥光纤激光器的数值求解算法
• 3.2 2μm 掺铥光纤激光器的最佳光纤长度分析
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 仿真与结果分析
• 3.3 2μm 掺铥光纤激光器的斜率效率分析
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 仿真与结果分析
• 3.4 掺铥光纤激光器的实验研究
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 掺铥光纤激光器的实验装置
• 3.4.3 实验中的关键问题
• 3.4.4 实验结果与分析
• 3.5 小结
• 第4章 2μm高功率掺铥光纤激光器的热效应分析
• 4.1 概述
• 4.2 高功率掺铥光纤激光器内部温度的理论模型
• 4.3 仿真与结果分析
• 4.3.1 光纤轴向温度分布
• 4.3.2 包层半径对光纤轴向温度分布的影响
• 4.3.3 传热系数对光纤轴向温度分布的影响
• 4.3.4 光纤径向温度分布
• 4.3.5 泵浦功率对光纤径向温度分布的影响
• 4.3.6 传热系数对光纤径向温度分布的影响
• 4.4 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文论文目录