（光学专业论文）掺yb3光纤激光器性能的研究.pdf

南开大学硕士学位论文 a b s t r a c t abs tract t h e d i s s e r ta t i o n f o c u s e s o n t h e y b 3 - d o p e d f ib e r l as e r s , a n d in c lu d e s t h e d e t a i le d d e s c r i p t i o n s o n t h e f o l l o w i n g s u b j e c t : 1 . t h e t h e o r e t i c a l re s e a r c h o f t h e y b 3 - d o p e d f ib e r la s e r s , p r i m a r i ly i n c l u d e d : ( 1 ) a c c o r d i n g t o t h e e q u a t io n o f p a rt i c l e r a t e e q u a t i o n , b a s e d o n c .b a r n a r d t h e o ry , w e d e d u c e d e x p r e s s io n s o f t h e y b 3 + - d o p e d fi b e r l a s e r s t h r e s h o ld v a l u e a n d s lo p e e f fi c i e n c y , a n d r e s e a r c h e d t h e r e l a t i o n s o f p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s a n d s t r u c t u r e p a r a me t e r s . ( 2 ) a c c o r d i n g t o t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f p u m p i n g m o d e , w e p r o v e d t h a t c o u p l i n g s t r u c t u r e o f t w o - e n d p u m p i n g c a n d e c re as e t h e i n j e c t in g p o w e r d e n s i t y , a n d p o w e r d e n s i t y , as w e l l as g a i n d i s t r ib u t i n g i s m o re u n i f o r m in t h e f i b e r . th e r e f o r e , t o h i g h p o w e r fi b e r l as e r s , t w o - e n d p u m p i n g i s a k i n d o f g o o d c h o i c e , th o u g h i t i s c o m p l e x . w e a l s o p r o v e d t h a t t h e b a c k - p u m p i n g c a n i n c r e as e t h e p o w e r o f f i e r l as e r s i n t h e t h e o ry. ( 3 ) d e d u c e d t h e d y n a m ic s c o u p lin g e q u a t io n o f y b 3 - d o p e d f ib e r las e r s . 2 . t h e e x p e r im e n t re s e a r c h o f t h e y b 3 + - d o p e d f i b e r l a s e r i n c l u d e s : ( 1 ) e x p e r im e n t re s e a r c h o f c o n v e n t io n a l s i n g l e m o d e y b 3 - d o p e d fi b e r la s e r s : a . w e r e s e a r c h e d tw o k i n d s o f l in e a r c a v it y y b 3 + - d o p e d fi b e r las e r w i th d i ff e r e n t c o u p li n g m e t h o d s . t h e y b 3 - d o p e d f ib e r l as e r w it h f u s in g c o u p l in g li n e a r c a v it y r e a l i z e d t h e o u t p u t s w i t h t h r e s h o l d v a l u e p u m p i n g p o w e r 1 5 m w , s l o p e e ff i c i e n c y 2 2 .2 % , th e h ig h e s t o u t p u t p o w e r 2 .3 6 m w . t h e y b 3 - - d o p e d f ib e r l as e r w it h w d m c o u p l i n g l i n e a r c a v i t y h a d t h e o u t p u t s w i t h t h r e s h o l d v a l u e p u m p i n g p o w e r 3 0 m w , s l o p e e ff i c i e n c y 7 0 .4 %, t h e h i g h e s t l as e r o u t p u t p o w e r 8 .8 m w. t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s p r o v e d t h a t b a c k - p u m p i n g h a s t h e b e tt e r p r o p e rt i e s t h a n fr o n t - p u m p i n g . b . w e c a r r ie d o u t e x p e r i m e n t r e s e a r c h o f r in g c a v i t y y b 3 - d o p e d f ib e r las e r s w it h wd m c o u p l i n g . t h e l as e r s r e a l i z e d t h e re s u l t s w i t h p u m p i n g t h r e s h o l d v a l u e p o w e r 3 0 . 2 m w , t h e h i g h e s t l as e r o u t p u t p o w e r 7 .5 m w , s l o p e e f f i c i e n c y 6 1 . 7 % . t h e f wh m o f t h e c e n t e r w a v e l e n g t h 1 0 6 0 n m i s o n l y 0 .2 n m , w h i c h is o n e t i m e s m a l l e r t h a n t h a t o f y b 3 - d o p e d f i b e r las e r s w it h l in e a r c a v ity s t r u c tu r e . ( 2 ) e x p e r i m e n t re s e a r c h o f y b 3 - d o p e d d o u b l e - c la d f i b e r l a s e r s : a . s t u d i e d t h e i n fl u e n c e o n t h e l as e r p e r f o r m a n c e w h e n t h e p u m p l d i s a t d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e . s t u d i e d t h e t h e c i r c u l a r d o u b l e - c l a d y b - d o p e d f ib e r l a s e r a n d t h e t h e r e c t a n g l e d o u b l e - c l a d y b - d o p e d f i b e r l as e r . u s in g a g ro u p o f b a c k - c a v i t y m i r r o r w i t h d i ff e r e n t r e fl e c t i v i t y t o s t u d y t h e r e l a t i o n s b e t w e e n t h e s l o p e e ff i c i e n c y , o u t p u t p o w e r , t h r e s h o ld v a l u e a n d r e fl e c t i v i t y 凡. b . w e u s e d f i b e r b r a g g g r a t i n g w i t h h i g h re fl e c t i v i t y as fr o n t - c a v i t y m i r r o r , w h i c h t o g e t h e r w i t h t h e f i b e r e n d c o m p o s e d n o n - s y m m e t ry c a v i t y s t r u c t u r e . t h e f wh m o f c e n t e r w a v e l e n g t h 1 0 5 9 . 7 n m i s 0 . 1 2 n m ; t h e h i g h e s t o u t p u t p o w e r i s 2 1 3 m w . t h e s l o p e e f f i c i e n c y i s 4 4 . 5 4 % , a n d t h e t h r e s h o l d v a l u e i s 8 0 . 8 m w. wi t h t h e f b g 南 开 大 学 硕 士 学 位 论 文_ _ .一 一 一 一 一a b s t r a c t ( r e fl e c t i v i t y : 9 3 .7 % d b ) c o m p o s i n g t w o g r a t i n g s r e s o n a n c e c a v i t y , w e g o t t h e o u t p u t s w i t h t h e h i g h e s t p o w e r 1 5 9 m w , t h e la u n c h e d t h r e s h o l d p o w e r 2 0 .6 m w , t h e s l o p e e ff i c i e n c y 2 9 .3 % a n d f w h m 0 . 1 0 4 n m . t h e r e s u l t s o f e x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e d t h a t t h e t h r e s h o l d v a l u e d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e b a c k - c a v i t y m i r r o r r e fl e c t i v i t y , a n d t h e s p e c t r u m w i l l b e b e tt e r b y u s i n g t w o f b g s . c , s t u d i e d t h e t i m e d o m a in 咖a m ic c h a r a c te r i s t ic o f y b 3 - d o p e d d o u b le - c l a d f ib e r l a s e r . t h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c o f l a s e r p o w e r i s r e l a t e d w i t h t h e p h o t o n l i f e t i m e , p u m p p o w e r a n d i o n s c o n c e n t r a t i o n o f t h e f i b e r c o r e . k e y w o r d s : w - d o p e d f ib e r la s e r , c o n v e n t io n a l f ib e r , d o u b le - c la d f ib e r , t h r e s h o l d v a l u e , s l o p e e ff i c i e n c y 南开大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章绪论 光纤 激光器最早的 研究可以 追溯到1 9 6 1 年s n i t z e : 在 掺 钦 ( n d 3 + ) 玻璃波导 中 激光 辐射的发 现 4 1 ， 从 时间 上来说， 仅仅比固 体 激光 器 落后一 年。 在1 9 6 3 -1 9 6 4 年， 光纤激光器和 放大器的 概念相继提出 2 1 ， 但因 为当 时的 光 纤损耗大、 半导体 激光器无法在室温下连续工作等原因，之后很长一段时间的研究仍处于探索阶 段。 直到1 9 7 0 年， 美国c o rn i n g 公司首次 研制出 第一 根损 耗为2 0 d b / k m的石英 光 纤 3 1 ， 经过 后来 稀 土 掺 杂光 纤 制 作 技术的 逐步 完 善 4 ,5 1 ， 光 纤 激 光器 技 术 才逐 渐 成熟， 产品进入商用阶段。由于光纤激光器具有波导形式的结构，易于与传输光 纤集成和祸合; 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， 光纤激光器具有低损耗、 低阐值、高效率的性能优点， 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、 光传感、 工业加工、国防和军事等 领域获得广泛应用并且市场还在扩大， 光纤激光器本身的 研究和完善也仍然是当 前相关领域研究的热点。 1 . 1掺y b 3 + 光纤激光器的 研究状况 1 . 1 . 1 国外的发展状况 yb3 + 离子在 石英 玻 璃中 的 红外辐射于 1 9 6 2年被首次 发 现 6 1 ， 但在此 之前， 与yb3 + 离 子 具 有 相同 光 谱 辐 射的n 子 十 离 子已 先引 起 人 们的 注 意， 所以 后 来一 段 时间内 掺y b 3 + 光纤 激光器没 有作为人们研究的 主 要 对象， 而yb3 + 离子则一直作 为给其他离子传输能量的 载体7 1 在y b 3 + 离子的 荧光 辐射发现之后，1 9 8 8 年英国 南安 普顿大学h a n n a 等人分 别用染 料和半导体激 光器泵浦掺 y b 3 + 光纤获得激 光 输出 8 1 。 实 验发现， 激光波 长随光 纤长度而变化; 与s n i t z e r 荧光 观察9 1 的 结 果稍 微不同 的 是， 这次y b 3 + 离 子的荧光发射峰为9 7 9 n m和1 0 3 8 n m，而且1 0 6 0 n n 3 处的峰值没有出现;用色散 棱镜调谐范围为1 0 1 5 n m -1 1 4 0 n m:在 1 0 8 4 n m附近获得4 m w的输出，泵浦阂 值功率为8 m w， 斜 率 效率为1 5 % 。 作为第 一个掺y b 十 光 纤 激光器实 验， 其结果 由于条件的限制并不理想。 在1 9 8 9 年， 他 们 用 掺y b 3 + 光 纤又 进行了 超 荧 光 光 纤 激 光 器的 实 验 1 0 。 在 9 7 4 n m和1 0 4 0 n m两个辐射峰实现了输出， 并得到三个重要的结果: 首次证明了 3 + 离子除了四能 级跃迁外， 还存在9 7 4 n m处的三能 级跃迁; 从理论 上用y b 3 + 南开大学硕士学位论文第一章 绪论 离子能级跃迁及粒子数分布解释了9 7 4 n m波长辐射的可能性和必要条件;得到 当 时最大的 输出 功 率和 斜率 效 率。 同 文 章一 起发 表的 y b 3 + 光 纤激 光器实 验 用 9 0 0 n m的泵光， 在前腔镜9 9 % 反射率、 后端面4 % 反射率构成的f -p 腔内 实现 了6 7 %的斜率效率，阐值为 l l m wo 与 此同 时， 英国j .r .a r m it a g e 等 人 用8 .6 c m长 的 掺y -b 3 + 光 纤 也实 现了9 8 0 n m 处的 三能级跃迁 ; l斜 率效率 近4 0 % ， 最大输出 功 率 l o m w。 他们通过实 验 证 明，用二色镜和光纤后端面构成的非对称腔具有更好的运行效率。 与h a n n a 等人的 工作同 样具 有重要意义的是法国j .y a l l a in 的两个实验。 2 , 1 3 1 9 9 2 年， a l la in 在 单 模z b l a n掺yb3 + 光 纤中 得 到1 0 2 0 n m波 长的 激 光， 祸 合 效 率达5 0 %， 斜率效率5 6 %， 泵浦阐值5 0 m w， 最大激光输出8 0 m w a 插入调谐器 件后，得到 .1 0 0 0 n m -1 0 5 0 n m 的波长输出。该实验突破性的标志是通过选择 z b l a n光 纤做 基 质 材 料， . 实 现了 与y b 3 + 离 子 子能 级e 相 关 的 荧 光 跃 迁， 而 在 石 英光纤中， 这种辐射非常微弱。 其不足的地方是: 在腔内没有选频器件的情况下 为了得到1 0 2 0 n m的波长， 泵光必须为9 1 0 n m， 而这个波长的半导体激光器很少， 所以泵源是一个很大的问题。在 1 9 9 3年，a l l a i n用两个光纤光栅作腔镜，构成 掺yb3 + 石英光纤激光器得到1 0 2 0 n m的输出， 最大输出 功率达2 0 0 m w， 微分量 子 效 率8 4 % , 祸 合 效 率5 7 % 。 这 是 第 一 个 实 现 光 纤b r a g g 光 栅 选 频 的 掺yb3 + 光 纤激光器，运行状况很好。 1 9 9 。 一 - 1 9 9 3 年h a n n a 等人在以 前的掺n3 + 光纤激光器实 验的基础上又研究 了y b 3 + 离子的光谱特性， 在深入了 解和总结y b 3 + 离子能级结构和光谱特性后， 采用在 9 3 0 n m -1 2 0 0 n m反射率大于 9 9 %的介质镜和光纤后端面4 %菲涅耳反射 构 成f -p 腔 结构 进 行 实 验 1 4 ,1 5 1 。 当 泵 浦 波长为9 0 0 n m 、 光 纤 长l m时， 在1 0 3 6 n m 波长处得到的最大输出 功率为1 5 . 7 m w， 斜率效率为7 7 %: 换用8 5 0 n m二极管激 光器做泵源，光纤长4 m，在 1 0 5 0 n m波长得到2 7 . 7 mw的最大激光功率输出， 斜率效率6 1 % ， 转换效 率4 1 % ; 在1 0 4 7 n m处泵浦l o o m掺y ,b 3 + 光 纤， 波 长输 出为1 1 1 5 n m， 最大输出 功率为6 6 0 m w, 斜率效率达6 2 %; 在1 0 6 4 m n 处泵浦同 样长 度的 光纤时， 激 光 波长 为1 1 1 3 n m ， 斜率效率3 0 % e y b 3 + 离 子具 有很宽的 辐 射光谱范围，h a n n a 等人在 1 9 9 5 年获得了在 1 0 0 0 n m -1 2 0 0 n m大范围内输出的 掺y b 3 + 光 纤 激 光 器， 也 证 实了 这 一 点16 1 总结和比 较上 述各实 验结果， 可以 看出 掺 w + 光纤激光 器具有大范围的 波 长输出，与掺 n d 3 + 光纤激光器相比， 具有更高的转换效率和斜率效率，所以 它 逐 渐 受 到 人 们的 重 视。 但 是 ， 通 常 单 模 掺,n3 + 光 纤 纤 芯 直 径 都 小 于5 i m ， 从 多 模半导体激光器到纤芯的祸合效率很低， 限制了输出功率的提高。 如果提高光纤 直径， 会导致激光波长的多模运行， 损坏光束质量。 于是， 后来的 掺 y b 3 + 光纤 甲 2 南开大学硕士学位论文第一章 绪论 激光 器的 研究中引 入了 包 层泵 浦的 思 想 和 技 术， 这是 掺y b 3 + 光纤 激 光器 发 展的 一个重要转折点。 与常规光纤相比， 双包层光纤增加了 一个包层， 使得祸合进光纤后的泵光可 以在内包层里来回反射， 穿过纤芯时即被吸收; 这种光纤具有大数值孔径、 大面 积的内包层截面， 因而可以 选用大功率的多模激光二极管阵列作泵浦源， 从而提 高了 光纤激光器的输出功率。 表 1 . 1 详细列举了两种光纤的比较. 表 1 . 1 传统光纤和双包层光纤的比较 传统光纤双包层光纤 光 纤 结 构单模纤芯，包层，保护层 单模纤芯，内包层， 外包层，保护层 激 光 通 道 纤芯:(d 5 一 6 k m , na: 0 . 1 0一0 . 1 1 纤芯: 05 一 6 n .m , na: 0 . 1 0一0 . 1 1 泵 光 通 道 纤芯:05 一 6 w m , na: 0 . 1 00 . 1 1 纤芯:1 2 5 x 1 m l m一 1 7 0 x 3 0 0 1 x m na: 0 . 4 00 . 6 5 泵 光 模 式单模多模 斜 率 效 率 1 5 %8 0 % 激光输出 功率 连续: m w; 脉冲: 闪 连续: 1 0 0 w; 脉冲:峰值功率几千瓦，m j 在1 9 9 4 年， h a n n a 等人 进行了 第一 个掺y b 3 + 双包 层光纤 激光器的 实 验 1 7 1 获得波长范围1 0 2 0 n m -1 1 5 0 n m的激光输出，1 0 4 0 n m处最大输出功率为。 . 5 w, 斜率效率达 到了8 0 % ， 首次 通过实 验证实了 掺y3 + 双包 层光纤激光 器具有 较大 的转化效率和斜率效率。 与单模光纤激光器研究不同的一点是， 高功率掺yb3 + 双 包层光纤激光器一开始就引起了很多的注意，呈现遍地开花的研究热潮。1 9 9 7 年c l e o会议上，美国m.mu e n d e l 等人报导了用四个光纤祸合的9 1 6 n m波长激 光二极管阵 列， 以5 4 a w的 功率 在掺i , b 3 + 双包 层光纤中 泵浦出1 1 0 0 m n 的 激光， 最大 输出3 5 .5 w . 1 9 9 8 年c l e o会 议 上， 郎 讯 公司 报 道了 在内 包 层为 星形 的 掺3 + 双包 层光 纤 激光 器中 获 得2 0 w的 连续 输出 激 光【 19 1 0 1 9 9 9年， 俄罗 斯 v . i . k a r p o v 等人利用一段 长1 3 m的掺yb3 + 双包层光纤和两个布 拉格光纤 光栅构 成线形腔，获得 1 0 6 0 n m波长的激光，9 7 6 n r n泵光最大抽运功率为4 . 5 w，对应 最大激光输出 3 .3 w，直接光一光转化效率达 7 3 %,斜率效率 8 0 %.用输出的 1 0 6 0 n m激光 泵 浦掺 磷光 纤， 观察 到 拉 曼 频 移 现象 z 0 。 同 年， 加州 圣 何塞 光 谱 二 极管实验室的工程师v d o m i n i c 等人获得了 掺y b 3 双包层光纤激光器实验研究 3 南开大学硕士学位论文 中最大的激光功率输出 第一章 绪论 波长为9 1 5 n m的激光二极管阵列泵浦总功率1 8 o w， 在 1 1 2 0 n m中心波长获得 1 1 0 w的最大输出， 光光转化效率为5 8 .3 %.实验的新意 是采用了 双向 泵浦的实 验方 案， 同 时 证实 光纤介 质具有很大的 损伤阐 值2 1 1 。 由 于 光纤端面祸合效率受到纤芯端面面积的限制， 于是日 本植田等人提出“ 任意形状 的光纤激光器” 方案， 该方案试图消除祸合受纤芯面积限 制的问 题， 做出1 0 0 0 w 以上的光纤激光器， 但根据这个构想， 世界上第一台任意形状的光纤激光器的 斜 率 效 率 只 有1 5 % 12 1 1 . 环行腔结 构的 掺 y b 3 + 双 包 层光纤 激 光器由 于实 验难 度大所以 研究 较少，目 前已 有的 报道是2 0 0 0 年s p i e 会议 上 12 3 1 ， 法国a .h i d e u r 等人在一个单向 环 行腔 中 实 现的 激 光 振荡， 后来 又 做了 驻 波 腔的 实 验 12 4 1 ， 都 获得了 大功 率的 输出 。 到目 前为止，掺 w + 双包层光纤激光器己 成为成熟的技术，有部分产品己 经上市，表 1 .2 是2 0 0 0 年止主要上市产品的汇总。 表 1 . 2 制造商型号主要性能 p o l a r o i d y b 3 3 0 1 7 0 - u p y b 3 3 0 1 7 0 - p 光光转化效率 6 6 61 6 ， 输出 光束模场直径 1 0 p ， 最大 输出功率4 0 w i r e - p o l u s p f l 9 0 0 0 衍射极限输出: g w p yl t e m 6 输出，最大功率 4 0 w s dls dl - f l 1 0 连续波输出:9 w 1 . 1 .2 国内的发展状况 国内光纤激光器的研究是作为国家“ 七五” 科技攻关项目 和高技术项目 提出 的 (2 5 1 ， 与国 际 水平 相比 没有很大的 差 距， 但掺w + 光纤 激光 器在国内 的 起步是 较晚。 从单位来看， 涉及这个领域的主要有南开大学、以武汉邮电科学院和上海 光机所为核心的 “ 高功率激光物理联合实验室”以及中科院西安光机所等三家。 中科院上海光机所进入掺 y b 3 + 光纤激光器的 研究较早， 在理论和实验上都 有较多的成果( 2 6 - 3 6 1 . 他们报道的线形腔掺y b 3 + 光纤激光器采用对激光信号高反 射率的前腔镜和各种后腔镜构成，最好的结果是在 1 0 3 0 n m 波长处获得阐值为 5 m w, 斜率效率为6 8 %， 最大功率5 0 m w的激光输出， 谱线宽度都在3 n m以上。 当用8 6 0 n m或者9 1 5 n m光泵浦时， 也观察到了9 7 5 n m的三能级跃迁。 但值得注 意的是实验所用光纤截止波长为1 1 3 0 n m ，得到的输出不是单模激光。 他们报道的由w d m构成的 环行腔掺3 + 光纤激光器利用9 8 1 .5 n m的泵浦 光， 获得中心波长为1 0 4 1 ru n的激光输出， 泵浦阐值功率为1 .4 m w, 线宽3 . 1 6 n m, 最大输出 功率3 6 3 v w， 斜率效率为8 % ，单 模输出。 一 4- 南开大学 硕士学 位论 文第一 章 绪论 另外由w d m构 成的 线形 腔掺 y b 3 + 光纤激光 器阐 值为7 .2 m w， 斜率效率 4 %， 最大输出功率为2 8 4 .4 l w， 中心波长1 0 2 6 .4 n m ， 线宽1 . 9 3 n n 3 。 他们后来也 试图 用光纤光栅作 腔 镜构成d f b和d b r结构的 单包 层掺y b 3 + 光纤 激光器， 但 都没有得到很好的结果。 2 0 0 0 年， 他们 首 次 进行了 掺y b 3 + 双 包 层光 纤 激 光 器的 研究 并得 到多 个 波 长 的激光， 其中在1 0 3 7 n m获得3 . 8 4 m w的激光输出， 泵浦闽值功率为3 .5 8 m w, 斜率效率5 5 %，通过调节腔损耗实现了5 0 n m的调谐范围. 南 开 大 学 在1 9 9 8 年 进 入 掺y b 3 + 光 纤 激 光 器 领 域的 研究 工 作， 至今已 取得 丰 硕的 成果 13 7 - 5 4 1 . 1 9 9 9 年， 与四 十六所合作 成功研制出 国内 第 一 根大内 包层截面、 大 数 值 孔径 的 掺y ,b 3 + 双 包 层 光 纤。 利 用9 7 6 n m的 泵 浦 光 在 介 质镜 和光 纤 后 端 面 构成的非对称腔中获得1 0 7 8 n m处2 3 3 m w的单模激光输出， 斜率效率为7 9 . 6 %. 随 后又 研究了 各 种内 包 层 形 状的 掺yb3 + 双包 层 光 纤 激 光 器的 输出 特性， 其中 在 大芯径d型掺y b 3 + 双包 层光纤中已 得到 瓦量级的 输出。 妇.2 掺y b 3 + 光纤激光器的 优良 性能 及应用 由 掺y b 3 十 光 纤 激 光 器的 发 展 历史 可 知，自1 9 6 2 年人 们 继c r 3 + ,s m z + , 和n d 3 + 之后首次 发 现y b 3 + 离 子在红外 波段的 受激辐射至今， 近4 0 年的时间 里掺w + 光纤激光器经历了性能上从低功率、 低效率到大功率、 高效率的发展， 结构上出 现了各种内包层形状的双包层光纤激光器，并已在现实生活中得到了广泛的应 用。 在掺 -y b 3 + 石英玻璃中 y -b 3 + 离子具有 8 0 0 n m - 1 0 6 4 n m 的吸收谱，在 9 7 5 n m -1 2 0 0 m n 范围 内 有 连 续荧光 辐射。 丰富的 波长 输出 使 掺y -b 3 + 光纤 激光 器得 到了 广 泛的 应用。 例 如: 美国 国 家点 火 装置( n i f ) ， 采用 掺y b 3 + 石英光纤 激光 器 的 1 0 5 3 n m波长输出， 经过后续能级放大及倍频对靶丸 加 热实 现聚变反应5 5 ;另 外1 0 5 3 n m 处飞 秒 脉 冲的 掺3 + 光 纤 超快 激光 光 源 还可 作为 超大 功 率固 体 超 短 光 脉冲放 大器的 振荡 级; 1 1 4 0 n m激光可 用来 泵浦掺t m 3 + 光 纤 产生 上转换可见光 激 光或荧光， 也可作为光学参量振荡器和光放大器的泵浦源， 还可以作为超连续谱 产生的激光光源: 1 0 2 0 a m掺y b 3 1 光纤激光器可以 用来泵浦1 3 u o m n 的光纤放大 器 和p r 3 + :z b l a n的 上 转 换 可 见 光 光 纤 激 光 器; 采 用光 纤 光 栅等 选 频 器件的 窄 线 宽掺y b 3 - 光纤激光 器具有很宽 的 调谐范围， 应用非常 广泛。 除了 在 y 6 3 离 子 荧光光 谱范围内 得到输出 外， 利 用倍频技术以 及拉曼频移 等非线性现象， 还可以 进一步扩展到从紫外到中红外的激光输出， 这在医学领域 一 s- 南 开大 学 硕士 学 位论 文_ _ _ _ _ _第- 童绪 lt 的 需求 特别 多。 光纤 通 信方 面， 利用 掺y b 3 + 光 纤 激 光 器1 0 6 0 n m激光 输出 泵 浦的 拉曼光纤放大器可以 工作在光通信的任意波长处，实 现对信号光的在线放大5 6 宽 吸收 谱 范围 还使 掺 y b 3 + 光 纤激 光 器能 够 使 用多 种易 得 到的 泵 浦 光源， 包 括 各 种输出 波 长的 半导体 激光器， 甚 至可以 是掺n d 3 + 激光器。 高 功 率输出 是掺y b 3 + 光纤激光器的另 外一 个重 要 优点:由 于yb3 + 离子 不 存 在激发态吸收 ( e s a) .泵浦效率高:没有浓度淬灭现象，可以实现更高的掺杂 浓度: 在结构设计上， 采用包层 泵浦技术或者多 芯介质技术的 掺 yb3 + 光纤激光 器都使得输出功率大大提高。目 前， 大功率掺 y b 3 + 光纤激光器被广泛应用于电 信、工业加工、成像和医学等诸多领域中。例如，在医学上，多瓦窄线宽 1 0 8 3 n m y b 3 + 主振功放已 用于肺脏的医学成像中， 将氦气自 旋极化;由于激光的 光束质量好和能量集中， 借助于逻辑器件在工业制标中可实现可编程制标， 效率 很高; 中等能量和高重复率目 前对某些脉冲应用是很适合的， 以固有非线性为基 础的被动锁模和光纤色散可产生纳焦耳 ( n j ) 量级的飞秒脉冲， 采用咽啾脉冲放 大 ( c p a )或者参量惆啾脉冲放大 ( p c p a ) 技术能实现毫焦 ( m j )量级的超短 脉冲， 能清洁地融化任何物质， 把对周围物质的热损伤和冲击破坏降到最低; 主 动锁模在高重复频率调制下可产生皮秒脉冲，1 0 - 与量级的运转， 适合先进的 通 信运用。 与 掺e r 3 + 光纤激光 器相比， 由 于w 十 离子能 级结 构简 单， 消 除了 泵光与 信号 光的 激发态吸收、多 声子非 辐射驰豫 及浓度淬 灭 现象， 能量 只在 yb3 + 离子 之间 转换 而不会被孤立的 杂质陷阱 所捕获， 所以， 掺 y b 3 + 光纤激光器具有更高的 转 换效率。同时，与其他光纤激光器一样， 新一代掺 y b 3 + 光纤激光器将仍然保持 低闽值、结构紧凑小巧和高性价比的特点，朝着全光纤化和全固化的方向发展， 在光纤通信、 光传感、 航天航空、 生命科学以及材料、 工业加工等领域获得广泛 的应用，因 此， 在目 前的发展基础上进一步提高掺 y b 3 十 光纤激光器性能的研究 具有重要的学术和实用意义。 夸 1 .3 本论文的主要工作 本论文在国家自然科学基金项目“ 包层泵浦串级拉曼环行光纤激光器的研 究” 和天津市自 然科学基金项目“ 新型高功率光纤激光器用掺 y b 3 + 双包层光纤 的研制” 的资助下完成。论文题目 是: 掺 y b 3 光纤激光器性能的研究。主要内 容包括以下几方面: 一、掺y b 3 + 光纤激光器的 理论分析。 基于y b 3 + 离子的能级结构和光谱特性， - 6- 鱼玉堕返全塑i,e 主一一一一一一一一第 一 章绪 论 推导出 掺 ,n3 + 光纤激光 器主要 性能 参数的 表达式， 结 合具体的 腔结 构， 讨论了 线形腔和环行腔性能参数与激光器结构参数的关系， 并进一步深入研究了不同泵 浦方式对激光器性能的影响。 二、 常 规单 模掺y b 3 + 光纤 激光器性能的实 验研究。 本 章基于常 规单模光纤， 研 究了 光 纤b r a g g 光 栅 选 频 的 熔 接 藕 合 式 线 形 腔 掺y ,b 3 + 光 纤 激 光 器、 w d m藕 合 的 线形 腔 掺yb3 + 光 纤 激 光 器 与w d m祸 合的 环 行 腔 掺y b 3 + 光 纤 激 光器。 并 用 有 关的理论对实验的结果进行了分析和讨论。 三、 双包 层掺 y b 3 + 光纤 激光器的 研究， 主要内 容包括 三个方面: 一 是二 色 镜 选频的 双 包 层掺yb3 + 光 纤 激 光 器的 实 验 研究: 二 是 光 栅 选 频的 双 包 层掺y b 3 + 光纤激光器的 实 验研究， 研究了 单光 栅和双光栅选频的 双包层掺 yb3 + 光纤激光 器; 三是对双包层掺yb3 + 光纤激光器动力学特性的实验和理论研究。 南开大学硕士学位论文 第二章 掺y b 光纤激光器的理论分析 第二章 掺y b 3 + 光纤激光器的理论分析 线形 腔和 环行 腔 是 掺y b 3 + 光纤 激光 器 两 种 最常 用的 腔体 结 构 d .2 1 ， 两者 各 有 优点 和缺点。 本章首先简要总结 和回 顾了yb3 + 离 子 特有的结 构参 数和光谱 特性， 在有关工作的基础上，融入自己的观点， 从理论上描述了 掺 3 + 光纤激光器的 基本工作参数和工作特性，对有关原理做了较深入的分析。 朴 . 1 y b 3 + 离子的 能 级 结 构 和光 谱 特性 2 . 1 .1 y b 3 + 离 子 光 谱 特 性 y b 3 + 离子 在 石英 玻 璃中的 吸收 和发 射 截 面直 接 影响 掺yb3 + 光纤 激光 器的 荧 光输出。 如图2 . 1 所示， y b 3 + 离子在9 1 5 n m和9 7 5 n m有两个吸收峰， 在9 7 5 n m 和1 0 3 6 n m处有两个发射峰， 短波长跃迁属于 三能级系统， 长波长跃迁为四能级 系统。由 于9 1 5 n m处 有一个很宽的 吸收 峰， 所以3 + 离子常 用于传 输能量给其 它掺杂离子3 1 图2 . 1 石英光纤中,f b 3 + 的吸收 ( 实线) 和 发 射( 虚 线) 截 面 a l 3 + 离子吸收和发射截面依赖于基质材料的组分， 测量表明， 当改变锗硅光 纤中各组分的大小时，在9 9 0 n m -1 0 2 0 n m范围内的发射谱有明显的变化，与图 2 . 1 谱线的偏移达3 0 % 左右，同时荧光寿命也在0 .8 m s 附近有3 0 %的变化。提高 光纤中锗的含量， 荧光寿命变小， 吸收和发射截面增大; 然而， 纯二氧化硅光纤， y b 3 + 离子的荧光寿命可 达1 .5 m s 。由 于 存 在不 均匀 展宽， 发射光谱随泵光波长的 改 变 而 改 变 5 1 y b 3 + 离 子光谱 输出 有一个不易引 起注意的 特性: 在较高 掺杂浓度下， 两个处 于激发态的 y b 3 + 离子相互作用放出一个可见光光子， 这种现象称为合作发光。 . 8- 南开大学硕士学位论文第二章 掺y b 光纤激光器的理论分析 它 对 掺yb3 + 光 纤 激 光 器 的 影 响 是 导 致 增 益 减 少， 荧 光 寿 命 变 短 (6 1 ， 不 过， 即 使 是 在高掺杂的情况下， 这种影响还是很小的 (7 1 在选择掺yb3 + 光纤 激光器的 泵浦波 长时必须考虑yb3 + 离 子的 光谱 特 性， 这 在文献 8 中有较详细的说明。 2 . 1 .2 y b 3 离子能 级 结构 和 速 率方 程 与其他稀土离 子相比 ， yb3 + 离子能 级结 构比 较简单， 与 所有 光波长 相关的 只 有两 个多 重态 展开 的 能 级 f s /2 和2 f 72 。 石 英 玻 璃是 光 纤 激 光 器 最普 通的 材料， 当y b 3 + 离子掺入石 英等基质 材料后，由 于基质 材料中电 场 分布不均 匀， 会引 入 声子 加宽 和明 显的s t a r k 效 应， 2 f s 2 展 成3 个 子能 级， 2 f 7 2 则 变 成4 个 子 能 级。 如图2 .2 所示 是y -b 3 + 离 子能 级 展宽 前 后的比 较(9 1 。 由 于yb3 + 离 子两 能 级间 隔 在 1 0 0 0 0 c m， 左右， 有利 于消 灭 多 声 子非 辐 射 驰 豫 和 浓度 淬 灭 现 象， 在 泵 浦 波长 和 2 f s n_ e一 日 歹 一 c b一 a 劝加 ff ， -、 图2 .2 - a y b 3 + 能级基本结构 2 - b y b 3 + 能级的精细结构 t 3 2 a 。 二 t 3 0】t 2 1 t 2 0 图2 . 3 y b 3 十 离子四能级结构 激光波长处也不存在激发态吸收。 在室温下并非所有 yb3 + 离子子能级都参与跃迁，与短波长区域辐射对应的 能级为a - d - e ,简化为三能级系统;与长波长区域辐射对应的能级为a - b - d - e ，为 四 能 级系 统。 本论 文主 要 工作 涉 及 掺 y b 3 + 光纤 激光 器的 长 波 辐射， 因 此 后面 所 有分析和讨论均以四能级系统为模型。如图2 .3 所示，四能级系统泵浦过程中将 基态e o 的粒子泵浦到激发态e 3 ( 又叫泵浦态) ，激发到e 3 的粒子通过无辐射跃 迁迅速转移到亚稳态能级e , ,粒子在e 2 能级上的寿命较长，产生积累，实现与 激光下能级e ， 之间的 粒子数反转， 所以e 2 又叫激光上能 级， e ， 对应于,n3 + 离 子 ， 南开大学硕士学位论文第二章 掺y b ， 光纤激光器的 理论分析 子能级b ，室温下其粒子数分布只占整个基态粒子数的4 %. 由能级结构图2 .3 ， 在考虑自 发辐射同时忽略a s e的条件下， 四能级系统的 粒子速率方程为: d n 3 _ 了 - k, - 一 n , o d - n 3 d t、r r t 3 些 丛 - 一 日 凡 丫十 n ,v 犷 一 n , o 介 一 兰十 些 a t r 2几 d n._ 1 、 ， 刁 二， ， 、 n， n, n, =- 1 . 气 n, 口:一/ v , a; 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