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淘豆网网友近日为您收集整理了关于掺镱双包层光纤激光器的研究的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：掺镱双包层光纤激光器的研究 南开大学硕士学位论文掺镱双层光纤激光器的研究姓名:许兆文申请学位级别:硕士专业:光学指导教师:董孝义南开大学硕士研究生毕业论文摘要由于光纤激光器具有良好的散热特性和很高的转换效率,使高功率光纤激光器受到广泛的关注。目前,在高功率激光器的应用方面,双包层光纤激光器已成为人们的首选产品,并引起了人们浓厚的商业兴趣,在光通信、工业加工、印刷、打标、军事和医疗上有着广泛的应用。本文介绍了双包层光纤激光器的研究进展,描述了其关键技术一耦合方式的研究现状,提出并详细分析了两种新型的耦合方式;从实验和理论两方面研究了结构参数对掺镱双包层光纤激光器的输出特性的影响;提出了两种适用于双包层光纤激光器的选频方案,研制了选频器件:法一珀干涉仪和光纤光栅;实现了波长稳定的多波长、高功率光纤激光器和窄线宽高功率光纤激光器。1.双包层光纤激光器的理论分析推导了光纤激光器输出特性与激光腔参数关系的解析表达式,模拟分析了泵光波长、激光波长位置对掺Yb3+双包层光纤激光器输出特性影响;论述了激光功率、斜率效率、激光阈值等输出特性与光纤长度、前后腔镜反射率、腔内连接损耗等激光腔(来源：淘豆网[/p-9062150.html])参数的关系,对具体的实验研究提供了理论依据。利用二维射线光学分析方法分析了内包层形状对吸收效率的影响。2.包层泵浦关键技术一耦合方式的研究设计制造了两套常规非球面透镜耦合系统,模拟了其输出光斑的能量分布:并基于此种耦合方式实现了高功率双包层光纤激光器和宽带光源。研制了一种适用于边泵浦的新颖的单包层到双包层光纤耦合器,并在此基础上提出了一种可用于多点、同时泵浦的光纤排耦合方式。提出、设计了一种用于阵列半导体激光器与双包层光纤耦合的楔形波导耦合方式:该方法适用于边泵浦。这两种耦合方式已申请了国家发明专利。3. 掺镱(Yb31双包层光纤激光器的实验研究建立了完整的线形腔双包层光纤激光器的实验系统,研究了泵源的性能.给出了泵源输出光谱特性与工作温度、泵浦电流的关系。实验对比了内包层形状为圆形、方形、D形和矩形的双包层光纤组成的激光腔光光转换效率,从而验证了第二章中的二维射线光学分析方法。实验验证了不同反射率的后腔镜对激光器输出功率特性的影响;研究了增益光纤长度对激光器输出波长的影响,并从激光下能级的自(来源：淘豆网[/p-9062150.html])吸收现象的角度很南开大学硕士研究生毕业论文好的解释了这种现象。4 线形腔双包层光纤激光器中选频作用的研究对线形腔双包层光纤激光器波长稳定性进行了分析,讨论、分析了两种适用于双包层光纤激光器的选频方式:干涉选频和光栅反馈选频。基于法.珀干涉原理,在国内率先实现了一种波长稳定的大功率、四波长双包层光纤激光器。分析了光纤光栅选频的基本原理,研制了用于刻写1053nm波段光纤光栅的掺镱双包层宽带光源;并采用相位掩模的方法研制了1053nm的光纤光栅。利用自行研制的光纤光栅构架了窄线宽掺镱双包层光纤激光器,并对这种激光器的波长稳定性进行了分析。5.单包层光纤在测量中的应用研究基于回波损耗分析了用单包层光纤测量液体折射率、浓度参量的原理,给出了回波强度与折射率、浓度的关系式。实现了一种结构简单、灵敏度高的折射率、浓度测量仪。对单包层光纤测量原理进行了分析,研究了微弯效应在缠绕型光纤测量仪中的应用原理。实现了单包层光纤扭角、位移、形变测量装置,实验结果与理论分析能很好的吻合。关键词掺镱光纤激光器,双包层光纤(来源：淘豆网[/p-9062150.html])激光器,掺镱双包层光纤,光纤光栅,法一珀干涉,矩形内包层,圆形内包层,方形内包层,D形内包层,透镜耦合方式,凌镜耦合方式,斜角光纤耦合方式,边泵浦,端泵浦,理论模拟,光纤测量,微弯光纤传感。硕士期间参与的科研项目1.国家自然科学基金项目“双包层光纤光子器件及应用研究”项目编号.天津大学一南开大学合作项目“光纤传感在测量中的应用”¨南开大学硕士研究生毕业论文ABSTRACTNowadays,fiber lasers and fiber amplifiers have many applications in optical measuringand munication for their wonderful heat-sinking capability and highly conversionefficiency.But there is aproblem mon fiber laser,which is the difficulty of couplingmu(来源：淘豆网[/p-9062150.html])lti-mode.high power pump lasers into the single-mode fiber core,so it is difficult to makehigh power fiber lasers and high gain amplifiers.To solve this problem,cladding pumptechnologies are widely applied.We introduce the newest progress and status of cladding pump technology and focus ontheoretical and experimental research on Yb”-doped doub|e-elad fibet tasers,which includes itskey technology-the method of coupling pumping laser into fiber,the ch(来源：淘豆网[/p-9062150.html])aracter of laser output,and the way to select the wavelength of laser in this paper.The research works in detail is thefollowing:I Theoretical research on double.clad fiber lasersDeriving from the rate equations model of fiber Iaser and equations for forward andbackward pumping lasers and signal lasers in double clad fiber,we get the explicit expressionsofoutDut power.slope efficienc)and threshold POwet ofdouble clad fiber lasers.From these expressi(来源：淘豆网[/p-9062150.html])ons we numerically analysis the effect of various parameters,such asthe wavelength of pump source and laser,refiectivity of mirroL length of fiber,and loss ofconnecL on the performances ofYb37-doped double clad fiber rDCF)lasers.At last.using the method of two-dimensional ray optics,we analysis the infiuence ofdifferent lnner clad shape on the absorptive e币ciency ofdouble clad fiber lasers.2.Study'on the method ofcoupling,one key point ofclad pu(来源：淘豆网[/p-9062150.html])mp technologyWe design and produce two normal aspherical lens coupling system,and simulate its powerdistribution of laser spot.Using this system,we realize high power double clad fiber laser andbroadband source.We design a novel single·to—double clad fiber coupler,and analyze its operating principle·Based on this.we put forward a fiber row coupling method for multipoint simultaneouslypumping.A wedge wave-gu!de coupling method for coupling (来源：淘豆网[/p-9062150.html])the laser from LD array into DCF isDresented.This method and the former Can be both used in edge pumping.We have applied forChinese patent of invention about these two methods,3.Experimental research on double.clad ybJ--doped fiber lasersWe setup plete experimental system of linear cavity Yb3+-doped double clad fiber¨l南开大学硕士研究生毕业论文laser,including LD with pigtail fibers,aspherical lens coupling system,cavity mirrors andYb3+-doped double clad fib(来源：淘豆网[/p-9062150.html])er,which are all made in China.And discuss the characteristics ofLD and absorption ofdouble clad fiber with various inner clad shapes in experiments.Then using this system,we demonstrate the effect ofcavity parameters on the performancesof laser OHtput in detail.4. Research on the wavelength choice ofdouble clad fiber lasersWe analyze two wavelength choice method,interference and fiber grating,which can beused in double clad fiber laser.Using the pr(来源：淘豆网[/p-9062150.html])inciple of Fabry-Perot interferometer,we firstlyrealize a wavelength stabilization high power,four-wavelength fiber laser in China.We discuss the setup ofwriting fiber grating,design anYb’+-doped double clad fiber broadband source and realize a fiber grating,whose center wavelength is 1053rim,with the method ofphase mask.Using this fiber grating,we manufacture an yb3+-doped double clad fiber laser,andanalyze its wavelength stabilization.5. Study onsingle clad fiber’s application in measurementBased 0n the Fresnel reflection,we analyze the theory of measuring the refractivity andconcentration of liquid with single clad fiber,and show the equations between the power ofreflected laser and refractivity and concentration.Using this theory,we design and realize asimple and practical fiber-type s科坞睨with which can determine the refractivity and the concentration0fthe liquid.’We analyze the micro-bend characteristics of the multimode optical fiber(MMF),anddemonstrate a novel twisted fiber torsion angle sensoL The experimental principle and the basicformula have been analyzed and given.The experiment shows that the micro—bend loss of themultimode optical fiber is sensitive to the torsion angle.And its results are well agreement withthe theory.Keywords:Yb3一-doped fiber laser,double clad fiber laser,yb3一-doped double clad fiber.fibergrating,FabD-Perot interference,rectangular inner cladding.square inner cladding,circularcladding,D-shape cladding.1ens coupleL prism coupler,bevel fiber coupler-side pumping,edgepumping,theoretical analyses,fiber measurement,micro-bend fiber sensor.南开大学硕士研究生毕业论文第一章绪论1.1引言1961年Snitzer在掺钕0蚶3+)玻璃波导中发现激光辐射【l”,从而开创了光纤激光器领域的研究。年,光纤激光器和放大器的概念也相继提出【I”,但由于当时的光纤损耗大、作为泵源的半导体激光器无法在室温下连续工作等原因,使得这之后很长一段时间的研究仍处于探索阶段。直到1970年,ing公司首次研制出第一根损耗为20dB/km的石英光纤u…,以及后来稀土掺杂光纤制作技术的逐步完善【1,4,1.5】,光纤激光器技术才逐渐成熟,产品进入商用阶段。光纤激光器具有众多令人瞩目的优点,如:其波导结构与传输光纤相同,易于与传输光纤集成和耦合;基质材料具有很好的散热特性和热稳定性:与固体激光器相比,光纤激光器损耗小、阈值低、效率高,而且容易实现小巧、紧凑的结构设计;所以,光纤激光器在光纤通信、传感、工业加工、国防和军事等领域获得日益广泛的应用,对其迸一步研究和完善也成为当前相关领域研究的热点。但传统的泵浦技术很难将高功率的多模泵浦光耦合到单模的纤芯中去,因此很难做出高功率的光纤激光器和高放大倍数的光纤放大器。而包层泵浦技术解决了单模光纤泵浦效率低的问题。与普通单模光纤相比,双包层光纤不仅在纤芯和内包层间存在一个传光波导,而且在内包层和外包层之间也存在一个传光波导,这个波导有较大的数值孔径和截面面积。高功率、多模的泵浦光在内包层中传输.产生的激光在纤芯中传输,而且泵浦光基本上是沿光纤整个长度上泵浦的,因此,可以得到大功率,基横模的激光输出。同时由于双包层光纤具有较大的表面积与体积比,从而可以避免产生热透镜效应。2001年,应用包层泵浦技术,IPG公司已研制出连续输出功率高达700瓦的光纤激光器,并已投放市场【l 61。利用双包层光纤还可以制作调O激光器,获得更高峰值功率的脉冲输出。这种高功率、高能量包层泵浦光纤激光器在光通信、光传感、航天航空、生命科学、精密仪器加工等领域亦有着非常广泛的应用。另外,由于高功率光纤激光器纤芯内的光功率密度极高,使得光纤中出现了多种非线性效应,如受激Rarflarl散射、受激Brillouin散射等,因此还可利用大功率包层泵浦激光器做泵源,实现串级maman放大器,从而有效地拓宽了光纤放大器的工作波长范围。这类器件对于长距离通信和海底光缆通信系统中的遥控泵浦、以及对现有1310nm光通信系统升级扩容都有着十分重要的意义。南开大学硕士研究生毕业论文1.2双包层光纤结构与特性1.2.1双包层光纤的结构包层泵浦的关键技术之一是双包层掺杂光纤的结构优化设计。双包层光纤的基本结构如图1.1所示,由四层材料构成,分别为纤芯、内包层、外包层和涂覆层。纤芯是由掺稀土元素的Si02构成,它作为激光的传输通道,对激光波长应设计成单模,以保证输出激光是基横模。内包层由纯Si02构成,它的横向尺寸和数值孔径都要比纤芯大的多,作为泵光通道,它对泵浦光是多模的。一般内包层可以做成各种形状,有圆形、方形、D形、矩形、梅花形等。泵浦光在不同形状的内包层中传输时,纤芯对泵浦光的吸收率不同,从而影响着激光腔的光光转换效率。外包层是由折射率比内包层小的聚合物材料构成,这样在内包层和外包层之间形成了一个大截面、大数值孔径的光波导结构,它可以允许大数值孔径、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纤中。最外层是硬塑料,用来保护光纤【l”。1.2.2双包层光纤的特性内包层◎◎@③@图1.1双包层掺杂光纤的构形图1.2不同内包层形状的光纤横截面早期大多数包层泵浦光纤激光器中使用的双包层光纤都是圆对称形的,它具有以下优点:一是不需要对预制棒做光学机械加工,从而使工艺相对简单,二是当泵浦源为带尾纤输出的半导体激光器LD时,尾纤与双包层光纤的圆形内包层之间的形状匹配易于耦合连接。但是这种光纤也有一个显著的缺点:圆对称特性会使内包层中大量的泵浦光成为螺旋光,在传输的过程中不经过掺杂稀土元素的纤芯,从而大大降低了纤芯对泵浦光的利用效率。为了克服这个缺陷,人们设计了各种新型的内包层截面形状。另外,随着大功率双包层光纤激光器的发展,连续的激光输出已达几百甚至上千瓦量级,此时单个LD作为泵源其功率显然是太小了,人们改进了泵浦方式。在各种改进的泵浦方案中,有的采用双包层光纤直接与半导体激光器的发光面或阵列耦合,有的与集成束状的尾纤南开大学硕士研究生毕业论文耦合.因此对双包层光纤的内包层形状就有了特殊的要求。为了提高对泵光的利用效率,并考虑到与具体的泵源形式相匹配,近几年来人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光纤,用于各种包层泵浦光纤激光器的研铝4工作中,并取得了很好的效果。图1.2给出几种已见报导的双包层光纤截厦形状图,其中包括同心圆形、偏心圆形、D形、方形(矩形)、梅花形等等。泵浦光在这些有不同内包层形状的双包层光纤中传输时,对泵浦激光的吸收率有很大不同llsl-【li”。一般认为,矩形双包层光纤具有较大的吸收率,理论上可达到100%的吸收。圆形的双包层光纤的吸收效率最小,光纤的曲率对吸收效率的影响也很大,而对矩形双包层光纤,光纤的曲率对吸收率的影响非常小。另外,内包层尺寸对泵浦光耦合效率也有影响。一般来说,圆形内包层由于截面面积较同等条件下拉制的其他形状的内包层要大的多,其耦合效率相对较高。l-3掺镱(Yb斗)双包层光纤激光器的研究现状及发展趋势1.3.1掺镱双包层光纤激光器在国际上的研究进展在20世纪80年代后期,由美国的Polaroid(宝丽来)公司首先提出的包层泵浦技术,大大促进了高功率光纤激光器等器件的发展。此后近十年间,Polaroid公司。南安普顿大学,Lucent技术公司等研究机构,对该领域竞相开发,技术水平发展很快。在包层泵浦技术的发展初期,人们的注意力主要集中在掺钕(Nd”)双包层光纤激光器的研究上,1993年,}L Po等人报道了他们研制的高功率掺钕双包层光纤激光器,在1064mn波长获得了近5W的单模连续激光输出,斜率效率达到51%…2l。1995年,H.Zellmer等人报道了输出波长在1064nm、功率为9.2W的包层泵浦的掺钕光纤激光器It-13]。Z.J.Chen等人报道了包层泵浦掺钕调Q光纤激光器,获得了峰值功率3.7 kw、脉宽2nm的脉冲激光输出11-141。从20世纪80年代后期开始,镱掺入石英或***化物光纤中,作为一种激光介质才开始受到人们的重视。特别是掺镱石英光纤激光器和放大器方面的研究取得了很多进展㈦卜1。22l。1994年,由H-M.Pask等人首先在掺镱石英光纤中实现了包层泵浦.实验中得到了波长为1040nm、0.5W的最大激光输出,斜率效率达到了80%【I舀】。正是由于掺镱双包层光纤激光器比掺钕双包层光纤激光器具有更高的斜率效率,以及镱具有简单的能级结构、宽的吸收带和大的发射截面,使得人们的注意力逐渐转向掺镱双包层光纤激光器的研究。在1997年的国际激光电光会议(CLEO)上,美国Polaroid公司的M.Muendel等人报道了一种掺镱双包南开大学项士研究生毕业论文层光纤激光器。他们用四根光纤耦合的916nm波长的激光二极管阵列,以54.4W的功率泵浦掺镱双包层光纤,在l 100rim波长上获得了35.5W的连续激光输出[1-24]。在1998年的CLEO会议上,Lucent技术公司的S.Kosinki和D.Inniss报道了一种内包层截面形状为星形的掺镱双包层光纤激光器,得到了20W的激光输出【l”J。1999年,V Dominic等人报道了超高功率掺镱双包层光纤激光器的研究结果,实验装置如图I.3所示,他们用四个45W的半导体激光二极管阵列组成总功率为180W的泵浦源,分别经偏振分束器(PBS)后从双端泵浦掺镱矩形双包层光纤,经二相色镜(DM2)反射后在1120nm得到llO的激光输出㈦6l。在如此高的功率水平下,没有发现对光纤性能的任何损伤,预示着光纤作为激光介质还能承受更高的功率。punm pump图1.3高功率光纤激光器实验装置图IPG公司2002年j月20日公告,由他们公司研制的目前世界上输出功率最高的光纤激光器已经在德国交付使用,该激光器最高连续输出功率为2000W,激光为单模、中心波长为1.06p.m:并预计在2002年末,将推出20千瓦级的工业光纤激光器。在双包层光纤激光器理论方面,A.Liu和K.Ueda对光纤内包层截面的几何形状和纤芯对抽运光的吸收效率等方面作了较深入的研究畔7一∞】.A.Bertoni[1 311和N.S.Kim[I-32]也对双包层光纤激光器给出了优化模型,并进行了数值计算。高功率双包层光纤激光器的出现,使纤芯内的光功率密度达到百MW/cm!的量级,因此光纤中将出现多种非线性效应,这些非线性效应提供了拓宽光纤激光器输出波长范围的有效途径。1998年,H.Zellmer等人报道了包层泵浦频率上转换光纤激光器,他们用钛宝石激光器作泵源,选二向色镜作为波长选择器,用双包层Pr”n飞”:ZBLAN光纤作为增益介质,构成了包层泵浦频率上转换光纤激光器,实验获得了波长为635nm、最高功率为440mW的激光输出,斜率效率南开大学硕士研究生毕业论文为17%11-331,1999年,俄罗斯的V 1.Karpov等人报道了包层泵浦串级拉曼光纤激光器,他们利用5W的LD泵浦掺镱双包层光纤,然后泵浦掺磷石英光纤,在1480rim获得了1w的连续激光输出,总的光—光转换效率达到34%【l。“。2000年,N.s.Kim等人报道了:在波长1484nm处输出功率为1.36W的包层泵浦掺磷串级拉曼光纤激光器l】”j,泵浦光源为波长1064nm的掺镱双包层光纤激光器。同年,M.Prabhu等人报道了一种新型的包层泵浦串级拉曼光纤激光器,他们利用8.4W的掺镱双包层光纤激光器泵浦700m掺磷光纤,同时在1239nrn和1484nm两个波长下分别获得1.05W和0.95W的连续激光输出Il舶】调Q和锁模是产生短脉冲激光的两种基本技术【l哪q4“.研究表明:采用包层泵浦技术的调Q光纤激光器与常规调Q光纤激光器相比较,可将峰值功率提高~个数量级,脉宽也从70ns压缩到2ns。1999年,z.J.Chen等人报道了一种增强式包层泵清调Q激光器【1“…,实验选用了高掺杂浓度(2wt%)、内包屡为矩形(150x759m!)的双包层掺Nd3+光纤,波长800nm,输出功率3W的激光二极管。将光纤劈开一个角度.用约lmm小段单模光纤与双包层对接,耦合效率提高到60%。用一个全反射镜和一个二相色镜构成驻波腔结构,该系统获得了峰值功率3.7kW、脉宽2ns的脉冲输出。研究者还发现在常规的调Q双包层光纤激光器中引入一段10m长的常规单模掺杂光纤,这时的激光器可作为具有谐振泵浦的受激布里源散射(SBS)腔工作,SBS对激光腔提供强反馈,形成一段短的SBS驰豫振荡,使得腔内的Q值在很短的周期内增加几个量级;从而可得到高峰值功率、窄线宽的脉冲激光输出。最近两年,研究者们在激光波段的扩展和新型双包层光纤方面做了很多开创性的工作。2002年,Stuart D.Jackson等人【l”J利用掺铥的硅基双包层光纤:i!E29m波长处得到了1.5W的激光输出。2003年,Y.H.Tsang等X[1 431利用1064rim的Nd:YAG激光器作泵源泵浦内包层形状为梅花形的掺镱双包层光纤,实现的边泵浦光纤激光器具有72±j%的斜率效率,nm的波长范围,其输出功率为3.7w。1.3.2国内双包层光纤激光器的研究动态国内关于掺镱双包层光纤激光器的研究起步较晚。1998年,南开大学在国家自然科学基金委和天津市的大力资助下率先开展了该领域的基础研究工作”“1*l。与原信息产业部电子第46研究所合作,于1999年成功地研制出国内第一根大内包层尺寸、大数值孔径(NA)的掺镱双包层光纤,并进行了激光实验”拍】,并且对激光输出特性以及光纤长度对激光波长的影响开展了实验研究¨”】。播放器加载中，请稍候...
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作者姓名：
入学时间： 2007
作作者者姓姓名名：：
入入学学时时间间：：
专业名称：
研究方向：
专专业业名名称称：： 通信与信息系统
研研究究方方向向：： 通信理论与技术
指导教师：
指指导导教教师师：：
副指导教师：
副副指指导导教教师师：：
论文提交日期： 2010
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论文答辩日期： 2010
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摘要 掺铥双包层光纤激光器理论和实验研究 摘 要 掺铥光纤激光器发射谱覆盖1．51zm至2．29m波段，其中含有两个大气窗口和
一个强水吸收峰，由于其波段位于人眼安全区，所以被广泛的应用于激光医学、
遥感探测、激光雷达、军事等领域，是光纤激光器领域里的研究热点。 本文从理论和实验方面对掺Tm3+双包层光纤激光器进行了研究。主要内容
如下： l介绍掺铥光纤激光器的基本原理，归纳和阐述了双包层光纤激光器的关键
技术。研究了铥元素的能级结构特点，对其光谱特性进行了分析，在此基础上介
绍了掺砌3+光纤激光器的三种泵浦方案：3玩一3‘、3风弓3皿、3风弓3只，
并就三种泵浦方案的泵浦过程进行了分析。3见能级在其泵浦波长处的吸收截面
远大于3且和3只能级，3敝一3只泵浦方案属于二能级系统，难以实现粒子数反
转，而3皿能级存在激发态吸收，理论得出3夙一3风的泵浦方案较优 2理论上，从速率方程出发，建立了掺Tm3+双包层光纤激光器的理论模型，
获得了激光器泵浦阈值功率和输出光功率的解析表达式。使用COMSOL软件模拟
出光在光纤传输过程中的基模分布。在MATLAB仿真环境中，进一步分析泵浦光
和信号光功率分布、光纤长度、后腔镜反射率、阈值功率、掺杂浓度以及泵浦结
构对输出功率的影响。 3实验上，对实心双包层光纤和光子晶体光纤端面进行研磨处理，并对比机
器研磨和手工研磨两种技术，改进和提高相关实验操作技术。其次搭建和调试掺
铥光纤激光器系统，采用前端泵浦技术，实现2．89W激光输出，斜率效率为27．5％，
不稳定度为3．7％。
关键词：掺Tm3+光纤激光器输出特性掺杂浓度端面研磨
稳定性 Abstract Abstract Emissionof fiber
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