（光学专业论文）掺yb3光纤激光放大器及其短脉冲放大研究.pdf

摘要 f 1 2 7 0 0 摘要 ，本论文是在8 6 3 4 1 6 项目掺y b 3 + 单频光纤振荡器关键技术研 究的高技术研究背景下进行的。神光i i i ，是由我国自行设计的惯性 约束核聚变装置，采用掺y b 3 + 光纤放大器放大前端优质光纤光源产生 的调制或非调制小信号单频种子激光，向后级功率放大系统提供具有 、 的一定能量、高信噪比的高质量光束。) 本文涉及的掺y b l 光纤激光放 大器及其短脉冲放大，就是神光i i i 装置中的关键技术之一。 。一 本文的工作主要分为三个部分： 第，部分：通过速率方程理论，在小信号条件下，埘掺n b 计光纤 放大器动态放大的动力堂过程进行了建模，并得到了解析解。通过解 析的和数值解的分析，得到了掺y b 3 + 光纤放大器脉冲放大信号不失真 ，一 条件。f 恒定掺y b 光纤长度条件下泵浦功率和信号增益之间的关系， 以及恒定泵浦功率条件下掺y b 3 十光纤长度和信号增益之间的关系，提 出了在恒定掺y b 3 + 光纤长度时的最佳泵浦功率，以及在恒定泵浦功：棼 条件下的掺y b 3 + 光纤最佳长度和信号最大增益。这些结果成功的解释 了实验现象，很好得吻合了实验结果，对进一步的掺y b ”光纤放大器 ，7 、 设计工作产生积极而明确的指导意义。7 7 第一：部分：详细介绍了我们进行的掺y b 3 + 光纤短脉冲放大实验研 究。这是国内首次进行的1 0 5 3 m 波长的掺y b p 短脉 r | 1 光放大的实验研 ， 究，填补r 国内空白。f 在实验中，我们利用国产掺y b 3 + 光纤研制成功 厂掺y b p 光纤放大器，仅用十几米光纤便获得了超过2 6 d b 的增益，并 创造性地采用单频的d p l 及窄线宽的d f b 激光分调制和非调制两种方 分别作为注入信号对掺y b 3 卞光纤放大器的特性进行了研究，给f 土j 了 小1 1 ) ! 日榭剑j - 咏i 1 然科丛书8 6 3 - 4 1 6 的盘持 中陶科学技术人学硕士学位论文 摘要 放大器增益随相应参量的变化曲线；可看出放大器增益与泵浦光功 率、信号光功率及光纤长度有很大关系。同时发现在小信号交流放大 时，放大前后信号光的波形没有明显失真，此时调制与不调制对信号 放大没有影响，完全可以胜任作那些需要高峰值能量激光装置的前置 放大。这些结果与第一部分的理论分析相吻合。广v 一 第三部分：光谱分析是光纤有源器件设计和制造中的重要依据， 这里介绍了光栅光谱仪及其周边仪器的自动化改造。供中包括机械结 构设计与加工、应用软件设计、硬件驱动编程、电子电路制作和调 试。经过自动化改造以后的仪器设备完全适应现代化物理光学实验的 需求，所有仪器都实现了可编程控制，可进行自动化测量。现在这套 仪器已经用于实验室聚合物光纤损耗谱测量工作，并取得了良好的实 验结果，为进一步的聚合物光纤器件的开发和研制提供了数值依据。7 、 本项日得到了1 日家自然科学基金8 6 3 4 1 6 的支持 ! 堕兰! 兰塾查苎兰塑! ：竺垡堡兰 垒! ! ! ! ! ! ! y b 3 + _ d o p e d f i b e r a m p l i f i e r a n dt h e e x p e r i m e n t o fs h o r t p u l s e l a s e r a m p l i f i c a t i o n a b s t r a c t t h er e s e a r c h e si nt h i sp a p e ra r eo nt h eb a s i so f h i g h - t e c h n o l o g y s t u d yo ft h e 8 6 3 416p r o j e c t “s t u d yo ft h e k e yt e c h n o l o g i e so nt h e s i n g l ef r e q u e n c yy b 3 + _ d o p e df i b e rl a s e r ”“h o l yl i g h ti i i i st h ev i t a l i n g r e d i e n to f t h ep r o j e c to ni n e r t i ac o n s t r a i nf u s i o n ( i c f ) i nc h i n a ， w h i c hu s e sy b 3 + _ d o p e df i b e ra m p l i f i e rt oa m p l i f yt h ef r o n t e n ds e e dl i g h t s o u r c e ，m o d u l a t e do rn o n m o d u l a t e d ，i no r d e rt op r o v i d et h eh i g h - q u a l i t y a m p l i f i e dl a s e rb e a mf o rt h es e q u e n c eh u g ep o w e ra m p l i f y y b 3 + - d o p e d f i b e ra m p l i f i e ra n di t ss h o r tp u l s e a m p l i f y , p r o p o s e db y t h i st h e s i s ，a r et h e v i t a lt e c h n i q u eo f “h o l yl i g h ti i i ” t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s t h ef i r s t p a r t i sa b o u tt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s b yu s i n gt h e r a t e e q u a t i o n a n dw i t ht h e s m a l l s i g n a l a m p l i f i e da s s u m p t i o n ，an e w m o d e lh a sb e e ns e tu pt om o d u l a t et h ed y n a m i cp r o c e s so f y b 3 + - d o p e d f i b e ra m p l i f i c a t i o n ，a n da l s os o m ea n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lr e s u l t sh a v e b e e no b t a i n e d ：t h e f i d e l i t y c r i t e r i o nf o rs h o r t p u l s ea m p l i f i c a t i o n ，t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ep u m pp o w e rw i t ht h e s i g n a lg a i n w h e nt h e l e n g t h o f y b 3 _ d o p e d f i b e ri s f i x e d ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e y b 3 + - d o p e df i b e rl e n g t hw i t ht h es i g n a lg a i nw h e nt h ep u m pp o w e r i sa c o n s t a n t ，a n da l s og e tt h er e s u l t s ：t h eo p t i m i z e dp u m pp o w e rw i t ht h e ! 圈盟堂丝查叁堂塑! ：兰竺笙壅 垒! ! ! ! ! 坐 c o n s t a n t l e n g t h o fy b s + _ d o p e d f i b e r , t h eo p t i m i z e dy b 3 + _ d o p e df i b e r l e n g t ha n dt h em a x i m u mo fs i g n a lg a i nw i t ht h ec o n s t a n tp u m p p o w e r t h e s er e s u l t ss u c c e s s f u l l ye x p l a i nt h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n o n ，a n dw i l l s u p p o r t t h ef u r t h e rd e s i g na n d e x p e r i m e n to f y b 3 + - d o p e df i b e ra m p l i f i e r t h es e c o n dp a r ti sa b o u tt h ee x p e r i m e n to f1 0 5 3 u m y b 3 + - d o p e d f i b e r a m p l i f i c a t i o n t h ey b 3 + _ d o p e d f i b e r a m p l i f i e r h a sb e e n m a n u f a c t u r e d ，a n dt h e2 6 d bg a i nh a db e e ng o tj u s tw i t h18 m y b 3 + - d o p e d f i b e r i n n o v a t i v e l y t h ed p l s i n g l e f r e q u e n c y l a s e ra n dt h ed f b s i n g l e - f r e q u e n c ys m a l l - b a n d w i d t hl a s e rw e r ei n j e c t e di n t ot h ea m p l i f i e r , w i t hm o d u l a t e do rn o n m o d u l a t e d m o d e ，t os t u d y t h ec h a r a c t e ro f y b 3 + - d o p e df i b e ra m p l i f i e r t h er e s u l t ，s i g n a lg a i nv e r s u sc o r r e s p o n d p a r a m e t e r s ，i so b t a i n e d ，a n di t r e v e a l st h a tt h es i g n a lg a i nd e p e n d so nt h e p u m pp o w e r ，s i g n a lp o w e r a n dt h ey b 3 + - d o p e df i b e rl e n g t h w ea l s of i n d i n s m a l l s i g n a l a m p l i f i e dc o n d i t i o n ，t h ew a v ep r o f i l eb e e na m p l i f i e di s e x a c t l yc o r r e s p o n d e n c e w i t h s i g n a l w a v e p r o f i l e t h a t m e a n st h e y b 3 + - d o p e da m p l i f i c a t i o nh a sh i g hf i d e l i t y , i tc a nb eu s e da st h ef r o n t e n d a m p l i f i e r o ft h eh u g e p o w e ra m p l i f i c a t i o ni n s t r u m e n t i nt h et h i r dp a r t ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f g r a t i n gs p e c t r o g r a p ha n d a l s oo t h e ra c c e s s o r i a lo p t i c a le x p e r i m e n td e v i c e sh a sb e e nd e m o n s t r a t e d ， i nw h i c hi n c l u d e st h em a c h i n ed e s i g nf o ro p t i c a lf i b e rc o u p l e r , h a r d w a r e d r i v e r s d e s i g n ，e l e c t r o n i c c i r c u i t d e s i g n & d e b u g g i n g ，a n d a l s o a p p l i c a t i o ns o f t w a r ec o m p i l a t i o n a f t e rb e i n gr e c o n s t r u c t e d ，t h ew h o l e 中田科学披术人学钡i 学位论史a b s t r a c t s y s t e m c a nw o r k c o r r e c t l y a n d e f f i c i e n t l y , a l l t h e s e e q u i p m e n t s c a n r e a l i z e p r o g r a m m a b l ec o n t r o l ，a n d c a nb em o r ef i tf o rm o d e mo p t i c s p e c t r u me x p e r i m e n t n o w t h ew h o l e s y s t e m h a s a l r e a d y u s e di n p o l y m e r f i b e rs p e c t r a le x p e r i m e n t ，a n d w eo b t a i ng o o de x p e r i m e n t r e s u l t ， w h i c hi s i m p o r t a n tf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fp o l y m e r - f i b e rd e v i c e d e s i g na n da n a l y s i s 中田科学披术人学坝l + 学位论义 第一章：概论 第一章概论 1 1 激光放大技术 在许多重要的激光应用中，往往要求激光具有很高的能量( 或 是功率) ，如激光核聚变至少需要高达万焦耳的能量，激光雷达需 要大功率的调制激光等等。但为了获得高能激光，仅仅依靠激光( 振 荡) 器来满足所有要求是很困难的。这是因为提高激光器的输出功 率( 能量) 和其他激光的性能指标( 如光束发散角单色性，脉宽调制 性能等) 的要求相互矛盾。为了保证激光光束的优良光学特性，其 工作物质的口径和长度都不宜太大。再者激光器内的激光束要多 次往返通过工作物质，因此当输出功率( 能量) 很高时工作物质就有 被破坏的可能，同时非线性效应的增强也会破坏激光的光学品质。 利用传统的锁模或是调q 技术，虽然也可以获得极高的峰值 功率( 1 0 9 1 0 1 w ) ，把能量压缩在极端的时间内释放出来，但是这 种高峰值功率激光器实际上所输出的能量往往不一定很大，受制 于激光工作介质的光学性能、破坏阈值等等的限制。因此，为了 同时获得光学性能优良而且是高能量的激光，应用激光放大技术 则是种最佳方法。 激光放大器与激光( 振荡) 器基于同一物理过程( 受激辐射的光 放大) ，其主要区别是激光放大器( 行波) 没有谐振腔。工作物质在 光泵浦作用下，处于粒子数反转状态。当从激光( 振荡) 器产生的光 中围科学拙术人学坝i 。学位论艾 第一章：概论 脉冲信号通过时，由于入射光频率落在放大介质的增益谱线内， 故激发态上的粒子在注入光信号的作用下产生强烈的受激辐射， 使得输出一束比原来激光亮度高的多的出射光束。激光放大器要 求工作物质具有足够的反转粒子数，以保证光脉冲信号通过它时 得到的增益大于介质内部的各种损耗。另外，为了得到共振放大， 要求放大介质有与输入信号相匹配的能级结构。 采用行波放大技术有如下优点： 1 由于激光束一次通过放大介质，因此在相同的介质的破坏 阈值下，输出功率可以大大提高。即在相同的输出功率密度下， 放大器的工作介质不易被破坏。 2 当需要超高能量激光时，可以根据需要采用多级串联行波 放大，放大器逐级扩大激光束的孔径、增强激光束的能量，每一 级的工作物质长度可以缩短以利于防止超辐射和自聚焦以及其他 非线性效益的破坏。 在这个振荡器和放大器分离的系统中，由振荡器决定其脉冲 宽度、谱线宽度、光束发散角等，而由放大器决定脉冲的能量和 功率，以及光束孔径、空间分布。这两者的结合有利于系统的集成 和分别调试，容易得到较优良的激光特性，同时又能够大大提高 输出激光的亮度。 激光放大器按其放大脉冲信号时域宽度的不同，可以分为长 脉冲激光放大器( 也作连续激光放大器) ，脉冲激光放大器和超短脉 冲激光放大器三种。对于激光放大器，放大介质中激发态的粒子( 原 中田科学技术人学坝l j 学位论文 子、分子、离子还有团簇结构) ，由于辐射跃迁有一定的驰豫时间 t ，称为纵向驰豫时间，其值随着放大器增益介质的不同而不同。 例如对于晶体和玻璃等固体，t l 由粒子在亚稳态时的寿命决定，量 级为1 0 - 3 s ；对于气体和半导体，t l 由电偶极跃迁允许的跃迁能级寿 命决定，量级为1 0 1 0 一s 。同时，放大介质中粒子之间相互交换 能量引起的非辐射跃迁，会使激发态粒子的感应偶极矩有一定的 驰豫时间t ：，这个驰豫时间被称为横向驰豫时间。对于均匀加 宽工作介质，t 2 具有谱线宽度倒数的量级。在固体工作物质中， t 2 约为1 0 j o s 量级。当激光放大器输入信号的脉冲大于纵向驰 豫时间，即r z ，如一般自由运转的脉冲激光器输出的脉冲宽 度可以达到几个毫秒就能满足这个条件时。由于光信号脉冲与工 作物质相互作用时间足够长，而且受激辐射所消耗的反转粒子数 可以很快地由泵浦激发所补充，因此反转粒子数密度能够维持在 个稳态值附近。此时可以近似的认为反转粒子数密度不随时间 变化，_ o a n ( x , t ) ：0 ，也就是说反转粒子数密度只与工作物质的坐标 d t 有关，即a n ( x ，) = 一( x ) 。这样就可以使用稳态方法来研究放大过程 这类激光放大器被称为长脉冲放大器。 当输入脉冲光信号的脉宽比较窄，满足条件瓦 r 巧时，如调 o 激光器输出的短脉冲只有几十个纳秒，远远小于激光的荧光寿 命，这时因受激辐射而消耗的反转粒子数来不及由光泵浦补充， 反转粒子数和腔内光子数密度在这个极短的时间内达不到稳定状 态，因而反转粒子数是随时间和空间变化一( 工，) 。这类激光放大器 第一常：概论 必须用非稳态方法研究，这种放大器就是脉冲激光放大器。 以上两类放大器都满足r ) 2 ( 2 4 ) 能级j 向能级j 跃迁分支比由下式计算 ， 、 1 巾【目科必术人学哽主堂位论文第二章：掺y b 卜光纤能级结构及其光谱特性 8 = 彳川 j ” 能级j 的辐射跃迁寿命可以由跃迁几率按照下面关系求出 l f = 厶 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 使用j - o 理论，结合实验，就能够详细确定各种基质条件下的 y b 3 + 离子特性。 在石英玻璃中y b 3 + 的2 ：能级的寿命为0 7 7m s 【2 8 】，在氟锆酸盐 玻璃和磷酸盐玻璃中2 r 能级的荧光寿命比它在石英玻璃中的要长， 恐 r 。分别为1 7 7 m s 和1 0 1 m s ，磷酸盐玻璃中，y b 3 + 离子的荧光寿命在高 浓度掺杂时出现了下降，在掺杂浓度分别为1 ，2 ；f t i4 ( 质量分 数) 时，荧光寿命变化不大，为1 2 - 1 4 m s 3 0 】，详细参数见图2 - 4 n d d z 1 o m ( a z l a 以。 o - m r w f m n m p m 2 n m p m 2 m s 儋 s 。1 m s c m 3 f l u o r o z i r c o1 44 29 70 9 55 6 39 9o 61 72 3 n a t eg l a s s e s8 9 01 55 0857 p h o s p h a t e 1 53 39 71 0 69 9 l1 00 71 01 2 g l a s s e s 6 8 053 50 08l3 7 图2 - 4 掺y b ”的氟锆酸盐玻璃和磷酸盐玻璃系统的光谱性能 中幽科学技术人学硕士学位论文 第二章：掺y b h 光纤能级结构及其光谱特性 2 6 小结 本章简介了稀土元素的光谱特点，重点介绍了掺y b 3 + 的特点和光 谱特性，同时介绍了基质材料以及掺杂浓度等因素对掺y b 3 + 光纤光谱 的影响，还简介了j - o 理论关于稀土离子参数的理论计算，给出了 y b 3 + 的光谱参数，这些参数是后续章节分析的基础。 参考文献 l 固体发光，中国科学院，吉林物理所，中国科学技术大学，固体发 光编写组，1 9 7 6 2 光电子技术明海，张国平，谢建平，中国科学技术大学出版社 1 9 9 8 3 d e m c c u m b e r t h e o r yo fp h o n o n t e r m i n a t e do p t ic a lm a s e r s p h y r e v ，1 9 6 4 ，1 3 4 ( 2 a ) ：a 2 9 9 一a 3 0 6 4 d e m c c u m b e re i n s t e i nr e l a t i o n sc o n n e c t i n gb r o a d b a n d e m i s s i o na n da b s o r p t i o n s p e c t r a p h y s r e v a ，v 0 1 1 3 6 ，p p 9 5 4 - 9 5 7 1 9 6 4 5 h t a k e b e ，t m u r a t a ，a n dk m o r i n a g a c o m p o s i t i o n a ld e p e n d e n c e o fa b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n c eo fy b ”i no x i d eg l a s s e s j a m e r c e r a m s o c ，v 0 1 7 9 ，p p 6 8 卜6 8 7 ，1 9 9 6 6 m 1 w e b e r j e l y n c h d h ib l a c k b u r n ，a n dd 。j c r o n i n d e p e n d e n c eo ft h es t i m u l a t e de m i s s i o nc r o s ss e e t i o no fy b + o nh o s t g l a s sc o m p o s i t i o n ，i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，v 0 1 q e 一1 9 ，p p 1 6 0 0 一 1 6 0 7 1 9 8 3 7 s a p a y n e ，l k s m i t h ，l d d e l o a c h ，e t a 1 l a s e ro p t i c a la n d t h e r m o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fy b d o p e df l u o r a p a t i t e i e e ej q u a n t u m l e c t r o n 1 9 9 4 3 0 ( 1 ) ：1 7 0 一1 7 9 8 d c h a n n a 。i r p e r r y ，r g s m a r t e ta 1 e f f i c i e n t s u p e r f lu o r e s c e n te m i s si o na t9 7 4 n ma n d1 0 4 0 n mf o r ma ny b d o p e df i b e r o p t c o m m ，1 9 8 9 ，7 2 ( 3 ，4 ) ：2 3 0 2 3 4 9 h w e t z e l ，h w g a n d y ，r j g i n t h e r s t i m u l a t e de m i s s i o no f i n f r a r e dr a d i a t i o nf r o my t t e r b i u m a c t i v a t e ds i l i c a t eg l a s s a p p l o p t ，1 9 6 2 ，1 ( 4 ) ：5 3 4 5 3 6 2 7 ， ， 中幽科学技术人学颂士学位论文 第一章：掺y b 光纤能级结构及其光潜特性 1 0 l d d e l o a c h ，s a p a y n e ， s t r u c t u r ei nt h ee m i s s i o n s p e c t r a j l u m i n ，1 9 9 4 。6 2 ：8 5 9 4 w l k w a y ，e t a 1 v i b r a t i o n a l o fy b ： - d o p e d a p a t it ec r y s t a l s 11 l d d e l o a c h ，s a p a y n e ，l l c h a s e e t a 1 e v a l u a t i o no f a b s o r p t i o na n de m i s s i o np r o p e r t i e so fy b 。”d o p e dc r y s t a l sf o rl a s e r a p p l i c a t i o n s i e e ej q u a n t u me 1 e c t r o n ，1 9 9 3 ，o e - 2 9 ( 4 ) ：1 1 7 9 1 2 j la d a m ，j l u c a s ，j i a n gs h i b i n ，r e c e n t d e v e l o p m e n t si n r a r e e a r t h d o p e dg l a s s e s ，p r o c s p i e ，1 9 9 7 ，2 9 9 6 ：1 4 1 9 1 3 杨培志，邓佩珍，黄国松，徐军y b ：r a p 晶体的光谱特性光了学 报，j u l y1 9 9 9 ，v 0 1 2 8 n o 7 1 4 f a u z e l ，d m e i c h e n i a ， f p e l l ee t a 1 c o o p e r a t i v e 1 u m i n e s c e n c ea sa d e f i n i t i n gp r o c e s s f o rr e i o b s c l u s t e r i n g i n 9 1 a s s e sa n dc r y s t a l s o p t m a t e r ，1 9 9 4 。4 ：3 5 1 5 s a p a y n e ，ld d e l o a c h ，l “k s m i t h e t a 1 y t t e r b i u m d o p e d a p a t i t e s t r u s t u r ec r y s t a l s ：an e wc l a s s o fl a s e r m a t e r i a i s j a p p l p h y s ，1 9 9 4 ，7 6 ( 1 ) ：4 9 7 1 6 m p h e h l e n ，x s r a n d c o o p e r a t i v eb i s t a b i l i t y i nd e n s e e x c i t e da t o m i cs y s t e m s p h y s r e v l e t t ，1 9 9 4 ，7 3 ( 8 ) ：1 1 0 3 1 7 d s s u m i d a t y f a n e f f e c to f r a d i a t i o n t r a p p i n g o n f l u o r e s c e n c e1i f e t i m ea n de m i s s i o nc r o s s s e c t i o nm e a s u r e m e n t si n s o l i d - s t a t el a s e rm e d i a o p t l e t t ，1 9 9 4 ，1 9 ( 1 7 ) ：11 4 3 - 1 3 4 5 1 8 c b a y n e ， w h l o w d e r m i l k ，m j w e b e r m u l t i p h o n o n r e l a x a t i o no fr a r e e a r t hi o n si no x i d e g l a s s e s p h y s r e v b ， 1 9 7 0 1 6 ( 1 ) 1 0 1 9 c s l a y n e m j w e b e r m u l t i p h o n o n r e l a x a t i o no fr a r e e a r t h i o n si n b e r y l l i u m f l u o r i d eg l a s s p h y s r e v b ，1 9 7 0 ，1 6 ( 7 ) ：3 2 5 9 2 0 p l a c o v a r a ，h k c h a t ，c a w a n g ，e ta 1 r o o m t e m p e r a t u r e d i o d e p u m p e dy b ：y a gl a s e r o p t l e t t e r 1 9 9 i 1 6 ：1 0 8 9 - 1 0 9 1 2 1 x u e l uz o u h i s a y o s h it o r a t a n i e v a l u a t i o no fs p e c t r o s c o p i c p r o p e r t i e so fy b ”一d o p e dg l a s s e s p h y s r e v b ，1 9 9 5 ，5 2 ( 2 2 ) ：8 8 9 8 9 6 2 2 雷宁，姜中宏，y b 。+ 掺杂固体中的浓度粹灭机制，中国激光， n o v 1 9 9 5 v 0 1 a 2 2 n o 1 l 2 3 张军杰，李毛和，胡何方，y b ”离了在氟化物玻璃中的红外光谱性 质，光学学报，d e c 1 9 9 9 ，v 0 1 1 9 ，n o 1 2 l 巾i 卅科学技术人学硕士学位论文 第一章：捧y b 卜光乡t 能级结构及其光| 酱特性 2 4 r p a s c h o t t a ，j n ii s s o n ，p r b a r b e r ，j e c a p l e n ， a c t r o p p e r ，d c h a n n a l i f e t i m eq u e n c h i n gi ny b d o p e df i b r e s ，o p t i c s c o m m u n i c a t i o n s1 3 6 ( 1 9 9 7 ) 3 7 5 3 7 8 2 5 m d s h i n n ，w a s i b l e y ，m g d r e x h a g ee t a l t r a n s i t i o n so fe r 。+ i o n si nf l u o r o z i r c o n a t eg l a s s j b ，1 9 8 3 ，2 7 ：6 6 3 5 o p t i c a l p h y s i c a lr e v i e w 2 6 b r j u d d ，o p t i c a la b s o r p t i o ni n t e n s i t i e so fr a r e - e a r t h i o n s p h y s i c a lr e v i e w 1 9 6 2 ，v 0 1 1 2 7 ：n o 3 ：7 5 0 2 7 o f e l tgs i n t e n s i t i e so fc r y s t a ls p e c t r ao fr a r ee a r t h i o n s j j c h e m p h y s ，1 9 6 2 ，3 7 ：5 1 1 2 8 j y a 1 l a i n ，m m o n e r i e ， f l u o r i d ef i b r e1 a s e r o p e r a t i o n a t1 l e t t ，1 9 9 2 ，2 8 ( 1 1 ) ：9 8 8 - 9 8 9 h p o i g n a n t y t t e r b i u m d o p e d 0 2 u m e l e c t f o r 2 9 j y a 1l a i n ，j f b a y o n ，m m o n e r i e e t a 1 y t t e r b i u m d o p e d s i l i c af i b r el a s e rw i t hi n t r a c o r eb r a g gg r a t i n g s o p e r a t i n ga t 1 0 2 u m e l e c t r o nl e t t ，1 9 9 3 ，2 9 ( 3 ) ：3 0 9 3 1 0 3 0 陈宝玖，王海宇，秦伟平，许武，黄世华，y b 。+ 和额e r 。+ 共掺杂氟硼 酸盐玻璃材料光学跃迁及红c b 至 l 可见上转换，发光学报， m a r ，2 0 0 0 ，v 0 1 2 l ，n o 1 3 1 光纤激光器与放大器技术聂秋华，电子工业出版社，1 9 9 7 、 巾l q 科：拙术人学硕十学位论文第三阜：掺y b ”光纤激光放人器理论研究 第三章：掺y b 3 + 光纤激光放大器理论研究 3 1 激光放大技术概论 激光放大器按其放大脉冲信号时域宽度的不同，可以分为长脉 冲激光放大器( 也作连续激光放大器) ，脉冲激光放大器和超短脉冲 激光放大器三种。对于激光放大器，放大介质中激发态的粒子( 原 子、分子、离子还有团簇结构) 的辐射跃迁有一定的驰豫时间t 。，称 为纵向驰豫时间，其值随着放大器增益介质的不同而不同。例如对 于晶体和玻璃等固体，t 。由粒子在亚稳态时的寿命决定，量级为 1 0 s ；对于气体和半导体t 。由电偶极跃迁允许的跃迁能级寿命决 定，量级为1 0 6 l o s 。同时，放大介质中粒子之间相互交换能量弓 起的非辐射跃迁会使激发态粒子的感应偶极矩有一定的驰豫时间 t 2 ，这个驰豫时间被称为横向驰豫时间。对于均匀加宽工作介质， t 2 具有谱线宽度倒数的量级，在固体工作物质中t 2 约为1 0 1 0 s 量 级。当激光放大器输入信号的脉冲大于纵向驰豫时间即r z ，一 般自由运转的脉冲激光器输出的脉冲宽度可以达到几个毫秒就能满 足这个条件。由于光信号脉冲与工作物质相互作用时间足够长，而 且受激辐射所消耗的反转粒子数可以很快地由泵浦激发所补充，因 此反转粒子数密度能够维持在一个稳态值附近。此时可以近似的认 为反转粒子数密度不随时间变化坐掣盟= 0 ，也就是说反转粒子数 ( 玎 密度只与工作物质的坐标有关，即抽( x ，f ) = 加( x ) 。这样就可以使用 稳态方法来研究放大过程。这类激光放大器被称为长脉冲放大器。 巾旧科学技术人。# 硕十学位论文 第三章：掺y b 光! 干激光放人器理论研究 当输入脉冲光信号的脉宽比较窄，满足条件疋 r 7 ：时，如调 q 激光器输出的短脉冲只有几十个纳秒，远远小于激光的荧光寿 命，这时因受激辐射而消耗的反转粒子数来不及由光泵浦补充，反 转粒子数和腔内光子数密度在这个极短的时间内达不到稳定状态， 因而反转粒子数是随时间和空间变化a n ( x ，f ) 。这类激光放大器必须 用非稳态方法研究，这种放大器就是脉冲激光放大器，也是本章所 要讨论的重点。 以上两类放大器都满足r 的条件，原子在光场作用下产生 的感应偶极矩所需要的时间可以忽略，因此没有滞后效应，即物质 的宏观电极化可以立即跟上光场的快速变化，故可以不考虑原子和 光场相互作用的相位关系。因此可以采用速率方程理论来讨论上述 两类激光放大器。 在超短脉冲( 即脉冲宽度r 瓦，如锁模激光器输出的脉冲只有 1 0 。1 1 1 0 。2 s 量级) 的激光放大情况下，当光与物质相互作用时，由于 物质的宏观电极化跟不上光场的快速变化，所以不能忽略物质的原 子和光场相互作用的位相关系。这种相干作用使得超短脉冲通过放 大介质时，会产生新的现象。如在介质中产生稳定的y 脉冲或2 万脉 冲，吸收介质中产生自感透明效应，并由此产生光学孤子现象等 等。所以对于超短脉冲放大器必须采用半经典理论进行分析。 3 2 短脉冲放大的速率方程 设激光放大器的工作物质的长为l ，光信号脉冲沿着x 方向入 ，7射激光工作物质，如图3 1 所示： ， 巾【q 科学技术人学硕士学位论文 第三章：棒y b h 光纤激光放大器理论研究 i ( 0 ，t ) i ( l j t ) 图3 - 1 光放大过程概念原理图 由于光信号在行进过程中不断被放大，而反转粒子数不断被消 耗，所以单位体积中的光子数和反转粒子数都是时间t 和空间x 的 函数，分别以庐g ，f ) 和a ( x ，t ) 表示。为了使问题简化，假设放大器工 作物质的横截面中反转粒子数是均匀分布的，而且忽略谱线宽度和 线形的影响，以及光泵和白发辐射对反转粒子数的影响，则三能级 系统的反转粒子数密度速率方程为： 塑b 业 。) m ，r ) (31)t-28a x , t 相应的四能级系统的反转粒子数密度速率方程为： 竺掣：5 a n ( 州) 小，f ) ( 3 - 2 ) 下面再考察工作物质在x 斗x + d x 体积元中光子数的变化情况。 引起光子数变化的有以下两个因素：一，由于受激辐射，在d t 时 间内d x 中产生的光子数为a s ( x ，f ) 幽( x ，t ) d x d t ；z ，在d t 时间内x 处 进入体积元的光子数为庐( x ，t ) c d t ，而在x + 出处流出的光子数为 ( 。+ d x ，咖d t ；因而在d t 时间内进入体积元的净光子数为 渺( ，f ) 一( x + d x ) c d t 。设放大其中的其他各种损耗可以忽略，则d t 时 中i 目科学投术人学硕十学位论文 第三章：掺y b 卜光纤激光放人器理论研究 间内体积元中光子密度的变化率应为受激辐射产生的光子数和净进 入体积元光子数的代数和。即 至掣出矾圳( 州川( h d x , t ) c d t 慨黼) a n ( x , t ) d x d t ( 3 - 3 ) 所以光子数密度的变化量可以使用偏微分方程表示