（光学工程专业论文）ld抽运tm3ho3光纤激光器输出特性的理论研究.pdf

哈尔滨t 珲7 ：学硕七学位论文捅费掺t m 3 + ，h 0 3 + 光纤激光器在医学、超快光学、遥感和远距离探测系统方面具有非常良好的应用前景，己成为人眼安全波段光纤激光器的研究热点。目前对掺t m ”，h 0 3 + 光纤激光器的研究大多采用实验研究的方法，难以深入分析其结构与工作参数对激光器性能的影响。因此，建立数学模型并仿真计算t m 3 + ，h 0 3 + 光纤激光器性能及各种参数的影响对获得高性能掺t m ”，h 0 3 +光纤激光器意义重大。到目前为止，对于7 9 2 n m 波段激光抽运t m 3 + ，h 0 3 + 光纤激光器还没有详细的理论参数分析。所以，本文用速率方程分析了掺t m 弘光纤激光器和t m ，h 0 3 + 共掺光纤激光器的性能并建立了数学模型，在m a t l a b 仿真环境下进行了大量模拟计算，为以后的实验研究提供理论指导。本文主要工作如下：建立了单掺t m 3 + 光纤激光器和t m 3 + ，h 0 3 + 共掺光纤激光器的速率方程理论模型，首先详细讨论了在单掺t m 3 + 光纤激光器和t m 3 + ，h 0 3 + 共掺光纤激光器稳态工作时，抽运功率、掺杂浓度、光纤长度、腔镜反射率以及光纤损耗等参数对光纤激光器输出特性的影响；讨论了上转换效应对各能级粒子数分布、输出光功率的影响；优化设计了在其它参数一定的情况下，单掺t m ”光纤和t m 3 + ，h 0 3 + 共掺光纤长度的最佳值；然后基于单掺t m p 和t m ，h 0 3 +共掺动态模型分析了在光纤激光器达到稳态之前，光纤不同点处各能级粒子数、抽运光功率和信号光功率随时间变化的弛豫振荡过程，进一步了解了系统在达到稳态工作前，内部能量转移和粒子数随时间变化规律。理论上分析了l d 抽运方式对t m 3 + ，h 0 3 + 共掺光纤激光器性能的影响。在前端抽运、后端抽运和双端抽运三种抽运方式下讨论了抽运光和信号光在光纤中的功率分布情况，另外做了不同抽运方式下增益分布均匀性的比较。通过比较发现，前端抽运和后端抽运时光纤中的光功率分布和增益分布都很不均匀，但后端抽运容易获得较高的信号光输出，增益分布较前端均匀一些；而双端抽运时光纤内信号光功率密度和增益分布具有最佳的均匀性。关键词：l d 抽运；单掺t m 3 + ；t m 3 + ，h 0 3 + 共掺；光纤激光器；理论分析a bs t r a c tt m j + a n dh 0 3 + d o p e df i b e rl a s e rh a sm a n yv a l u e a b l ea p p l i c a t i o n si nm e d j c i n e u l t r a f a s to p n c s ，r e m o t es e n s i n ga n dl o n g d i s t a n c ed e t e c t i v es y s t e m s ，n o wh a sb e e nt h er e s e a r c hf o c u so ff i b e rl a s e r sa te y e s a f ew a v e b a n d p r e s e n t l y r e s e a r c ha b o u tt m p ，h o ”d o p e df i b e rl a s e r sm a i n l yf o c u so ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n w h i c hi sd i f f i c u l tt od e e p l ya n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r ea n dp a r 锄e t e r so nt h ef i b e rl a s e r s o ，t oo b t a i nt h eh i g hp e r f o r m a n c et m ”，h 0 3 + d o p e df i b e r s i ti sv e r yu s e f u lt ob u i l dt h er a t ee q u a t i o nt h e o r ym o d e l ，a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r so nt h et m ”，h o ”d o p e df i b e r s u pt on o w ，t h e r ei ss t i l ln od e t a i l e da n a l y s i sa b o u tt h et h e o r e t i c a lp a r a m e t e r so ft h e7 9 2 n md i o d e - p u m p e dt m 3 + ，h 0 3 + f i b e rl a s e r s t h e r e f o r e ，w ea n a l v z et m 3+ d o p e df i b e rl a s e ra n dt m 3 + h 0 3 + c o - d o p e df i b e r l a s e rb yb u i l d i n gt h er a t ee q u a n o nt h e o r ym o d e li n t h i sp a p e r w ed oal o to fs i m u l a t i o n sw i t ht h em a t l a bl a n g a l a g ea n dg e ts o m eu s e f u lr e s u l t st h a tc a nb eu s e dt og u i d ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h ef u t u r e t h em a j o rw o r ko ft h i sp a p e ri sl i s t e da sf o 】1 0 w s ：w ee s t a b l i s ht h er a t ee q u a t i o nt h e o r ym o d e l so ft m ”d o p e da n dt m 3 + h 0 3 +c o d o p e df i b e rl a s e r f i r s t l y ，t h ep o p u l a t i o no ne a c he n e r g yl e v e l ，p u m pp o w e ra n ds i g n a lp o w e rd i s t r i b u t i o na l o n gt h ef i b e ra r ed e s c r i b e dw h e nt h et m 3 + d o p e da n dt m 3 + _ h o pc o d o p e df i b e rl a s e ri sa ts t e a d y s t a t e w es t u d yt h er e l a t i o n s h i db e 附e e nt h el a s e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n do t h e rp a r a m e t e r s i n c l u d i n gp u m pp o w e r ，i o nd o p e dc o n c e n t r a t i o n ，m i r r o rr e f l e c t i v i t y ，t h ef i b e rj o s sc o e 衔c i e n tp a r a m e t e r sa n ds oo n w ed e s c r i b et h ei n f l u e n c e so fu p c o n v e r s i o no nt m 3 + _ h 0 3 +c o - d o p e df i b e rl a s e r b a s e do nt m 3 + d o p e da n dt m ”，h 0 3 + c o d o p e dd y n a m i cm o d e l ，w es t u d yt h ev a r i a t i o no ft h ei o n sp o p u l a t i o n p u m p e dp o w e ra n ds i g n a lp o w e rw i t ht i m ei nd i f f e r e n tp o s i t i o no ft h ef i b e rb e f o r et h ef i b e rl a s e r sr e a c hs t e a d ys t a t e t h e s em a k eu st og e taf u r t h e ru n d e r s t a n d i n gt od y n a m i cr e s d o n s e so fm es y s t e m ，i n c l u d i n gi n t e m a le n e r g yt r a n s f e ra n dt h ev a r i a t i o no ft h e哈尔滨t 程大学硕十学伊论文p o p u l a t i o nb e f o r es t e a d y s t a t e w ea n a l y z et h ei n f l u e n c e so fp u m pw a y so nl dp u m p e dt m 3 + h o c o - d o p e df i b e rl a s e rp e r f o r m a n c eb yt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n t h ed i f f e r e n tw a y sa r ef o r w a r d - p u m p e d , b a c k w a r d p u m p e da n dd o u b l ee n d - p u m p e dw a y sr e s p e c t i v l y w ed i s c u s sa n dc o m p a r et h ed i s t r i b u t i o no fp u m p e dp o w e r ，s i g n a lp o w e ra n dg a i ni nt h ef i b e ri nd i f f e r e n tp u m pw a y s w ef i n dt h a tt h el a s e rp o w e ra n dt h eg m nd i s t r i b u t i o na r ed i f f e r e n t ；t h e r ei sh i g h e rs i g n a lo u t p u ta n dm o r eu n i f o r mg a i nb yt h eb a c k w a r d - p u m p e dw a yt h a nt h ef o r w a r d - p u m p e dw a y ，a n dt h es i g n a lp o w e rd e n s i t ya n dg a i na r et h em o s tu n i f o r m b yd o u b l ee n d p u m p e dw a yi nt m ，h 0 3 +c o d o p e df i b e r ，k e yw o r d s ：l dp u m p e d ；s i n g l et m 3 + d o p e d ；t m 3 + h 0 3 + c o d o p e d ；f i b e rl a s e r ；t h e o r e t i c a la n a l y s i s哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：多咖豸日期：即f 年f 月杉日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者( 签字) ：王坟轧呀, - 9 师( 签字)日期：。f 年月i 日吖年6 月圹日7if哈尔滨t 碍大学5 贡十学佗论文第1 章绪论随着光纤制造工艺与半导体激光器生产技术的日趋成熟，以光纤为基质的光纤激光器，在降低闽值、振荡波长范围、波长可调谐性能方面取得明显进步，已成为目前激光领域的新兴技术，也是众多热门研究课题之一。光纤激光器多采用掺杂稀土元素光纤作为增益介质，抽运光在纤芯内形成高功率密度，造成掺杂离子能级的粒子数反转，再加入适当的谐振腔，便可产生激光输出。它的应用范围非常广泛，在包括光纤通信、激光空间远距离通信、工业制造、激光雕刻、激光打标、激光切割与焊接、军事国防安全、医疗器械等领域，都有着广泛的应用价值【。1 1 光纤激光器的起源与发展背景光纤激光器被称为激光领域的新兴技术，近年来成为科学研究领域的热点，其发展和应用得到了社会各方面的广泛重视。但是光纤激光器并非新型光器件，其发展历史几乎和激光器本身的历史一样长。1 9 6 0 年，红宝石激光器和氦氖激光器相继运转。1 9 6 1 年，美国光学公司的s n i t z e r 和k o e s t e r 等人在光纤激光器领域进行了开创性的工作，他们在一根纤芯为3 0 0g m 的掺n d ”玻璃波导中进行实验，观察到激光现象【2 】，并分别在1 9 6 3 年和1 9 6 4 年发表了多组分玻璃光纤中的放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的设想。1 9 6 6 年，高锟和h o c k h a m 首先讨论了利用光纤作为通信介质的可能性，提出了光纤通信的新观点。上个世界7 0 年代，美国b e l l 实验室的一个小组也开展了这方面的工作。但是由于当时光纤的损耗等问题没有得到解决，光纤通信还处于探索阶段，光纤激光器的研究在这期间并没有实质性的进展。1 9 7 5 - 1 9 8 5 年，这十年间有关这个领域的研究成果较少，但这些年许多发展光纤激光器所必需的工艺技术己趋于成熟。低损耗的硅单模光纤和半导体激光器都已得到了广泛应用，尤其是高功率输出的半导体激光器作为抽运源的可能性得到了证实；光纤的定向耦合器制作工艺得到了完善。这些都为光纤激光器的研制和发展铺平了道路 3 】o哈尔滨t 程大学硕十学位论文1 9 8 6 年以后迅速进入大规模光纤通信建设的发展阶段。英国南安普顿大学也加入了这一领域，并在其中扮演了非常重要的角色。p o o l e 等人采用化学沉积法制作了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。他们实现了这种光纤所构成的光纤激光器的运行，再次唤起了人们对该领域的兴趣。此后，他们又实现了光纤激光器的调q 、锁模以及单纵模输出。1 9 8 7 年，英国通信研究实验室( b t r l ) 向人们展示了用各种定向耦合器制作的光纤激光器装置。他们还在增益和激发态吸收等研究领域做了大量基础工作，并利用氟化锆光纤为增益介质，激光二极管为抽运源，在获得光纤激光器多波长输出谱线方面作了开创性的研究【3 1 。自此之后，全世界很多家单位都活跃在该领域。光纤激光器迅速发展，激光性能不断提高。各种光纤激光器不断出现，由最初的掺杂稀土离子提供增益，到利用光纤自身的非线性效应提供增益；从单纯掺n d 弘和掺e r ”光纤，到往后的n 3 + 、t m ”、h 0 3 + 、p r 3 + 、d v 3 + 、e u 3 + 、s m 3 + 等掺杂光纤；掺杂方式有单掺杂，也都多掺杂；腔体结构有环形腔、线型腔，也有复合腔：另外，光纤光栅、光纤定向耦合器、半导体激光技术日益成熟，使得光纤激光器的结构日益紧凑，并体现出小型化、精密化的特征。2 0 世纪8 0 年代后期，英国南安普敦大学的研究人员发展了包层抽运光纤激光器，使得光纤激光器的功率和效率大大改善，这为光纤激光器的进一步发展奠定了基础。此后，美国、英国、俄罗斯、法国和日本等国的研究机构，先后对双包层光纤激光器进行了大量研究。早期的研究大多集中在掺n d ”的双包层光纤，近年来包层抽运技术在掺y b ”、e r 3 + 、t m 3 + 等稀土离子的光纤激光器中也得到了广泛应用。其中，掺y b 3 + 光纤激光器由于其具有较高的量子效率，尤其适合发展高功率实用化器件；另外，锁模的掺e r 3 + 光纤激光器能在1 5 5 9 i n 波段产生超短脉冲，并在光纤通信，超快现象、光纤传感器等方面有着应用价值，引起了人们极大的兴趣。国内外很多家单位主要围绕这两个领域做了大量工作【3 】。由于双包层抽运技术的出现和发展，让实现高功率抽运成为现实。而高哈尔溟丁碍了：学石页士学伊论文功率光纤激光器使纤芯内光功率密度可以达到每平方厘米百兆量级，光纤中因此而出现各种非线性效应。这些非线性效应拓宽了光纤激光器的输出波长范围，因此，高功率光纤激光器的出现，在激光发展历史中有着很重大的意义。目前，光纤激光器的发展主要集中在以下几个方面：一、实现尽可能高的功率输出。通过改进抽运方式，提高光纤激光器的输出功率水平，目前主要是在使用高功率的l d 阵列，采用多点抽运等入纤耦合技术，寻找新型结构的光纤等手段来提高抽运功率和效率；选取有较高量子效率的稀土离子掺杂光纤，如e r 3 + 肌3 + 共掺，t m 3 + h 0 3 + 共掺等，来实现更高功率的激光输出。二、进一步提高光纤激光器的输出性能；如脉宽、谱宽更窄，重复频率更高，调谐宽度更广等。三、研制全光纤激光器，实现与光纤通信系统高效率连接；四、使光纤激光器实用化。1 2 掺t m 3 + ，h 0 3 + 光纤激光器的实验研究进展水的吸收峰在1 9 3g m 左右，因此2 9 m 激光对组织的穿透深度浅，且对人眼安全，再加上它可用光纤传输，故在医疗上是一种很好的外科手术光源。另外，由于覆盖1 8 8 9 m 、1 9 1 9 m 和2 4 1 2 9 m3 个重要的分子吸收带，2 9 m 波段固体激光器在遥感和光通信方面也有着重要的应用前景，是激光测距机、相干多普勒测风雷达、水蒸气抛面差分吸收激光雷达系统等的理想光源。同时，它还是获得3 - - 5 9 m 、8 1 2 1 a m 波段光学参量振荡器的理想抽运源。因此，从2 0 世纪6 0 年代开始，人们围绕如何提高21 t m 波段激光器的输出功率及效率从材料到器件进行多方位的探索研究，特别是大功率半导体激光器的出现，促使人们以激光二极管为抽运源在提高效率、小型化及性能稳定的2g m 波段激光器上进行更深层次的研究开发。1 2 1 单掺t m 3 + 光纤激光器的实验研究进展1 9 8 8 年，英国南安普敦大学的d c h a n n a 等人首次采用7 9 7 n m 的燃料激光器抽运单模掺铥硅光纤，观察到1 8 8 1 9 6 b t m 的激光震荡【4 1 。1 9 8 9 年法哈尔滨t 程大学硕十学伊论文国的j y a l l a i n 和m m o n e r i e 等人采用抽运波长为6 7 6 4n i n 的k r y p t o n i o n 激光器抽运掺t m ”1 2 5 0 p p m ，长度为15 0c m 的z b l a n 光纤，获得最高输出功率为1 3 m w ，效率效率为3 3 的激光输出，并在此抽运机制下可获得1 8 4 1 9 4 岬的输出波长【5 。1 9 9 0 年，英国南安普敦大学的j n c a r t e r ，r g s m a r t 等人采用宽带激光二极管( s o n ys l d3 0 3 v7 9 5 n m ，最大输出功率5 0 0 m w ) 抽运掺t m 3 + 7 4 0 p p m 的氟化物光纤，二极管输出采用8 m m 透镜和4 5 m m 柱面透镜进行校准，再通过x 1 0 显微物镜注入光纤。采用标准的f p腔结构。光纤长度选择主要是为了保证好的吸收同时减少再吸收，选取3 0 c m ，保证了5 0 的抽运光被吸收。他们发现，为了保证连续的运转，入射光功率应为4 0 m w ( 2 0 m w 被吸收) 。最终获得输出功率为2 0 0 9 m ，斜率效应为o 6 【6 o由于在9 0 年代掺铥光纤激光器的抽运光源大多为小功率输出的波长的激光器，光纤则大多数采用以硅和氟化物为基质的单模光纤，抽运方式多为内包层抽运，限制了当时光纤激光器的输出功率。2 0 0 0 年英国南安普敦大学的r a h a y w a r d 和w a c l a r k s o n 等人采用双光束二极管抽运双包层掺铥光纤获得1 4 w 的2 9 m 激光输出，斜率效率为4 6 。抽运光工作波长7 8 7 n m ，入纤功率为3 6 5 w t7 1 。2 0 0 1 年，日本电信大学激光科学研究所的j i a n q i ux u 和m a h e n d r ap r a b h u等人设计了一种新的环形腔结构光纤激光器，在光纤的输出端打磨出4 5 度角，然后使抽运光和部分信号光再耦合入光纤输入端，这种设计在短光纤的情况下减少重吸收而且不损耗抽运光。在入纤功率为1 1 5 w 的情况下获得2 7 w 2 t m 的单模连续输出。抽运光源为7 9 3 n m 的l d ，光纤长度为0 8 m ，掺杂浓度为1 1 w t ，纤芯直径为1 0 3 9 m ，内包层直径为1 2 5 9 m ，数值孔径为0 3 7 ，纤芯中传输的模式仅为l p 0 1 模【8 。2 0 0 5 年，英国南安普敦大学光电子中心的d y s h e n 和j i m a c k e n z i e 等人采用7 9 0 n m 激光二极管抽运掺铥2 2 w t 的双包层硅光纤，获得3 0 8 w 的1 0 2 5 r i m 激光输出，采用双端抽运，入纤功率为5 8 5 w ，斜率效率为6 1 ，光4哈尔滨t 程大警硕十学伊论文纤纤芯1 8 9 m ( 0 2 4 n a ) ，d 型内包层直径为3 0 0 9 m ( 0 3 n a ) ，高浓度掺杂是为了增强“二对一交叉弛豫，可以提高抽运量子效率【9 1 。高a 1 3 + t m 3 + 浓度( 8 ) 可以降低离子团簇，提高工作效率。另外，高浓度掺杂可以在短的光纤长度内提高抽运光吸收效率。同年，澳大利亚的f r i t hg p ，l a n c a s t e rd g和j a c k s o ns d 等人采用7 9 3 n m 抽运掺铥硅光纤实现了8 5 w 2 0 4 9 m 的激光输出，斜率效率为5 6 ，量子效率大于1 3 0 ，光纤t m 3 + 掺杂浓度为2 2 w t ，a 1 t m 3 + 率为1 0 ：1 ，纤芯直径为2 7 9 m ，纤芯数值孔径为0 2 4 ，光纤长度为1 8 m 1 0 1 。2 0 0 7 年，美国n pp h o t o n i c si n c 的s h i b i nj i a n g 和j i a n f e n gw u 等人采用单端抽运2 0 c m 长掺铥浓度为4 w t 的双包层锗酸盐玻璃光纤，获得6 4 w 1 9 9 m的激光输出，斜率效率为6 8 ；采用双端抽运4 0 c m 长双包层掺铥锗酸盐玻璃光纤，实现了1 0 4 w 1 9 9 m 激光输出。两条光纤的纤芯直径分别为5 0 1 a m 和4 2 b t m ，内包层均为2 0 0 9 m 】。近些年大多数高效率掺铥光纤激光器都采用8 0 0 n m 激光二极管直接抽运2 2 叭的掺铥硅光纤。而硅基质玻璃由于声子能量比较大，t m 3 + 的无辐射跃迁几率比较大且量子效率比较低。采用掺铥的锗酸盐双包层单模光纤，是因为锗酸盐玻璃和硅玻璃相比声子能量低，有助于提高量子效率和降低上能级的无辐射跃迁率，高掺杂可以保证交叉弛豫能量转移。1 2 2 单掺h 0 3 + 光纤激光器的实验研究进展与t m 3 + 离子相比，h 0 3 + 离子有很多优点：受激辐射截面约是t m 3 + 离子的5 倍；荧光寿命长，有利于存储；在短脉冲运转时不易引起材料的破坏；h 0 3 + 离子输出的激光波长比掺t m 3 要长，调谐范围为2 0 1 2 1 0 1 a m 。h 0 3 + 己作为2 9 m 波长区域各种3 v n 基质中激光的激活离子而广为研究吣13 1 。1 9 8 8 年，m c b r i e r l e y 第一次利用4 8 8 n m 氩激光抽运掺h 0 3 + 氟化物光纤，产生2 0 8 9 m 波长的激光输出，用级联振荡方式还获得了1 3 8 b t m 波长激光，并在实验中证实了h o 弘在7 8 0 n m 至8 2 0 n m 波长不存在吸收谱，也就不能采n 含尔滓t j ：早了：学硕十学位论文用经济实用的半导体激光器作为有效抽运源【l2 i 。2 0 0 0 年，俄罗斯的k u r k o va s 等人报道了用1 1 5 9 m 的掺y b 3 + 双包层光纤激光器抽运单掺h 0 3 + 的石英光纤，在入纤抽运功率为2 w 时，获得了2 8 0 m w 的激光输出，斜率效率为2 0 。他们在实验中采用在光纤中写入布拉格光栅构成的谐振腔，这一选择不需要单独的镜面，有效简化激光器结构，并可选择调谐振荡波长，进一步降低阈值并提高激光输出效率1 14 i 。2 0 0 3 年，s d j a c k s o n 利用l1 0 0 n m 掺y b 3 + 光纤激光器抽运掺h o ”石英光纤，产生最大输出功率2 7 w ，波长2 0 9 5 9 m 的激光输出，采用高质量的光纤和高浓度h 0 3 + 掺杂以及低损耗谐振腔系统，将斜率效率提高到3 5 1 5 j 。近年来，西安光机所的董淑福等人也对3 9 m 和2 岬级联振荡h 0 3 + 光纤激光器的工作原理和初步设计进行了研究，取得该领域的一些成剽1 6 ，1 7 j 。但是，在单掺h o ”的硅基质玻璃中，由于无辐射跃迁占主导地位，激光产生效率比较低。在8 0 0 n m 区域缺乏抽运带是单掺h 0 3 + 系统另外一个不利因素。总的来说，单掺h 0 3 + 光纤激光器总体效率低下，在系统参数很好的优化条件下，斜率效率最高才能达到3 5 ，所以单掺h 0 3 + 光纤激光器并不是2 9 m激光系统的理想选择。1 2 3t m ”，h 0 3 + 共掺光纤激光器的实验研究进展为了充分利用掺h o 弘晶体的优点而避免其不足，有人提出了采用加入敏化剂的方法【1 7 19 1 ，这样不但可以提高激光效率，并且允许与某特定掺杂成分相匹配的抽运波长来激励，目前，最为大家所采用的是t m 3 + h 0 3 + 共掺。1 9 9 1 年，法国的j y a l l a i n 和m m o n e r i e 等人实现了0 8 2 9 m 钛宝石激光器抽运掺铥钬的氟化物光纤器2 0 4 9 m 的激光输出，斜率效率为5 2 ，最大输出功率为2 5 0 r o w e l 8 j 。1 9 9 4 年，瑞士b e r n 大学应用物理研究所的g h i s l e rc ，和l u t h yw 等人利用8 0 0 r i m 染料激光器和基模运转8 0 9 n m 激光二极管抽运t m 3 + ，h 0 3 + 共掺硅光纤实现了2 0 4 9 m 激光输出，t m 3 + 掺杂浓度为2 0 0 0 p p m ，这是第一次利用哈尔滨t 程大学5 员十学位论文激光二极管抽运t m 3 十，h 0 3 1 。共掺光纤获得2 1 a m 区域的激光输出【1 9 】。同年，美国b r o w n 大学的k y u n g h w a i lo h 和t f m o r s e 等人在8 0 0 8 3 0 n m t m 3 + 的吸收波段范围抽运t m 3 + ，h 0 3 + 共掺硅光纤观察到2 9 m 区域的激光振荡，当改变腔长，输出光在2 0 3 7 - 2 0 9 6 9 m 范围可调谐。采用8 2 0 n m钛宝石激光器抽运时，抽运阈值功率为2 1 4 m w ，斜率效率为4 o ，最大输出光功率为1 2 5 m w 2 0 1 。2 0 0 1 年悉尼大学光学光纤技术中心的s d j a c k s o n 采用二极管阵列抽运双包层掺铥钬氟化物光纤，获得8 8 w 的激光输出，斜率效率为3 6 ，纤芯直径1 2 9 m ，数值孔径0 1 5 ，抽运内包层有一3 0 0 x 1 5 0 9 m 的矩形截面，针对抽运光数值孔径为0 5 5 ，纤芯掺杂t m 3 + ，h 0 3 + 浓度分别为3 6 0 0 0 p p m 和4 0 0 0 p p m 21 1 。虽然掺铥和掺铥钬的氟化物光纤激光器有着较低的声子能量，可以实现高效率运转，但是又存在光纤长度、稳定性和耦合技术上的问题。日本电信大学激光科学研究所的a t s u s h it a n i g a a c h i 等人实现了全光纤掺铥钬激光器，采用1 2 1 2 n m 的拉曼光纤激光器抽运掺铥钬的硅光纤，对于3 0 c m 长掺杂光纤在17 9 0 n m 处获得4 0 0 r o w 的激光输出，斜率效率为2 3 ，对于2 7 0 c m 长掺杂光纤在1 9 7 0 n m 处获得4 5 0 m w 的激光输出，斜率效率为3 1 ，光纤中掺杂t m 3 + ，h 0 3 + 浓度分别为9 0 0 0 p p m 和1 5 0 0 p p m ，纤芯直径为8 5 i t m ，谐振腔由粘在增益光纤尾段的4 的菲涅尔反射镜和输入端的波分复用耦合器构成【2 2 o2 0 0 6 年，s d j a c k s o n 用8 0 5 n m 4 2 w 的激光二极管抽运t m 3 + ，h 0 3 + 共掺光纤获得6 5 w 的激光输出，斜率效率为3 6 ，三根光纤掺杂浓度分别为0 8 ，1 6 和2 8 ( w t ) ，纤芯直径分别为2 3 ，2 4 和2 0 ( g m ) ，数值孔径分别为0 1 3 ，o 1 9 和o 1 8 ，抽运包层截面几何形状分别为d 型，d 型和六边形，t m 3 + ，h 0 3 + 浓度之比为1 0 ：1 ，高浓度掺杂t m 3 + 的光纤为了降低纤芯数值孔径，在内包层中掺锗：采用低指标的氟聚合物包围光纤抽运中心，以此来保证光纤对抽运光的大数值孔径。哈尔滨t 程大学硕十学位论文2 0 0 7 年，d a v i dgl a n c a s t e r 和a l e xs a b e l l a 等人采用7 9 3 n m 高功率二极管激光器抽运t m 3 + ，h 0 3 + 共掺的双包层硅光纤，获得8 3 w ，2 1 9 m 激光输出，斜率效率为4 2 ，光纤中t m 3 + 浓度为o 8 w t ，t m 3 + 与h 0 3 + 的掺杂浓度之比为1 0 ：1 ，为了提高抽运效率，采用d 型光纤，抽运截面直径为3 0 0 9 m 2 4 】。除了利用二极管做抽运源外，也可采用其它光纤激光器作抽运源。2 0 0 3年日本电信大学激光科学研究所的a t s u s h it a n i g u c h i 等人实现了全光纤掺铥钬激光器，采用1 2 1 2 n m 的拉曼光纤激光器抽运掺铥钬的硅光纤，对于3 0 c m长掺杂光纤在17 9 0 n m 处获得4 0 0 m w 的激光输出，斜率效率为2 3 ，对于2 7 0 c m 长掺杂光纤在1 9 7 0 n m 处获得4 5 0 m w 的激光输出，斜率效率为31 ，光纤中掺杂t m ”，h o p 浓度分别为9 0 0 0 p p m 和1 5 0 0 p p m ，纤芯直径为8 5 9 m ，谐振腔由粘在增益光纤尾段的4 的菲涅尔反射镜和输入端的波分复用耦合器构成。2 0 0 7 年英国南安普顿大学的s y c h e n 和t l y e o 等人报道了一种全光纤t m 3 + ，h 0 3 + 激光器，他们采用工作波长在1 6 0 0 n m 的e r 光纤激光器抽运0 3 m长t m 3 + h 0 3 + 光纤，输出激光为1 8 7 0 n m ，t m 3 + ，h 0 3 + 掺杂浓度分别为7 9 0 0 p p m和1 3 0 0 p p m ，在光纤中写入针对1 8 7 4 n m 反射率为6 0 1 i 勺布拉格光栅构成谐振膨2 6 1 。而光纤中一般掺入a 1 3 + 的目的是为了减少t m 3 + 团簇的形成，从而可以提高t m 弘的掺杂浓度，缩短掺杂光纤的长度，同时提高效率效率。s d j a c k s o n研究了t m 弘和a 1 3 + 共掺的双包层硅基质光纤激光器的效率特性，发现在两者浓度比为9 ：1 时可获得较高的效率，斜率效率即可达4 6 跚。近十年来，众多研究小组对t m 3 和h 0 3 + 共掺激光器的研究有了长足的发展，其中传统固体激光器方面，主要是对t m 3 + 和h 0 3 + 共掺于y a g 、y a p 、y l f 和l u l f 等晶体的研究2 8 3 1 1 。y a g 晶体是最早应用于激光器实验的晶体，因此科研工作者在2 9 m 波段激光器的研究上最早试验了该晶体，并获得了较好的激光输出：y a p 晶体因其各向异性，且能输出线偏振激光：相对于y a g和y a p ，y l f 或l u l f 的应用引起了更多科研人员的关注，成为目前2 p m 固哈尔滨 二砰7 - = 学硕十学位论文体激光器研究的重要晶体。1 3t m ”，h 0 3 + 光纤激光器的理论研究进展激光的理论是严格建立在量子电动力学基础上的，它可以描述激光的全部特性，但是它非常复杂，人们在分析激光理论时，经常采用一些近似的理论来讨论相关问题，速率方程理论是目前人们最常用的一种方法。速率方程理论是从光子与物质原子的相互作用出发，以讨论粒子数反转和增益为基础的近似方法，它忽略了光子相位特性与光子数的起伏特性，从而使该理论具有非常简单的形式。可以根据具体的能级结构( 三能级或四能级系统) 列出各有关能级上粒子数随时间变化的微分方程组。尽管不同物质的能级结构和跃迁特性差异比较大，但仍然可以从中归纳出一些主要的物理过程，对简化的并且具有一定代表性的能级结构来讨论分析。目前，对掺杂光纤激光器进行的理论分析大多是围绕速率方程来展开的。光纤激光器采用的工作介质是光纤，掺杂稀土离子之间的相互作用过程如交叉弛豫，能量传递，上转换等过程的非线性，使得光纤激光器和放大器的分析比较复杂，在大多数情况下难以得到解析解，不得不借助于数值计算。人们一般采用速率方程理论，结合光纤激光器自身特点，根据具体掺杂的稀土离子能级结构，引入不同的模型，采用特殊的分析方法以达到较好的分析结果。19 9 9 年s t u a r td j a c k s o n 等人从理论上讨论了单掺t m 3 + 硅基质光纤激光器连续运转情况下的斜率效率和阈值抽运功率，通过建立了1 6 3 0 n m 、1 2 1 0 n m和7 9 0 n m 三种不同波长抽运情况下光纤激光器模型，分析了不同波长情况下光纤激光器斜率效率和阈值抽运功率随光纤长度的变化情况，并讨论了不同腔镜耦合率3 h 4 能级寿命对阈值抽运功率的影响，不过其计算所采用的解析函数式是e r 3 + 掺杂光纤的【3 2 】。同年，中国计量学院的黄莉蕾从激活离子能级跃迁速率方程和抽运光、激光传输方程推导了含交叉弛豫项的三能级系统端面抽运激光阈值的理论估9含尔滨t 珲大学硕十学位论文算表达式，可用来计算光纤的激光性能和估计光纤的最佳长度、最佳掺杂浓度、腔镜反射率等设计参数。但在计算中，采用的是将交叉弛豫过程用一个交叉弛豫几率表示，并没有明确反映交叉弛豫过程对所有参与能级粒子数的影响 3 3 】。2 0 0 6 年2 月，哈尔滨工业大学的靖涛，张云军采用数值分析的方法，分析了高掺杂t m 3 + 硅基质光纤激光器中离子间交叉弛豫提高光纤激光器效率的机理。分析指出，随着t m 3 + 掺杂浓度的提高，t m p 离子间的交叉弛豫作用增强，从而提高激光器的效率、降低反转阈值，在7 9 0 n m 激光抽运时最大量子效率可达到2 ，分析结果表明高掺杂浓度可有效缩短掺杂光纤长度，减少硅基质对2 9 m 附近激光的高吸收【3 4 j 。2 0 0 7 年，深圳大学的黎大军和杜戈果从掺t m 3 + 光纤激光器的速率方程和光传输方程出发，分析了抽运光和激光沿光纤分布以及各能级粒子数变化。在不同掺杂浓度下研究了小信号增益和入纤抽运功率的关系以及抽运光和激光功率与增益介质长度的关系：在不同抽运功率下输出功率与耦合反射镜之间的关系：不同抽运吸收系数下斜率效率和抽运阂值与光纤长度的关系。他们对于稳态单掺t m ”光纤激光器的理论分析是比较详细的，但也未能给出各能级粒子数沿光纤分布情况p5 1 。由于t m 3 + 的交叉弛豫过程在光纤激光器能级能量传递过程中的作用非常重要，不能用简单的传统三能级模型讨论，而交叉弛豫项的非线性，使得解析求解非常困难。目前对于单掺t m 3 + 光纤激光器的理论分析，还没有精确地解析解分析，人们大多是采用数值方法来比较精确地分析其参数之间的关系以及输出特性，也有人借用前人为e r 3 + 掺杂光纤激光器建立的模型函数是来做简单的理论估算，然后与试验验证。与单掺t m 3 + 光纤激光器相比，t m ”，h 0 3 + 共掺光纤激光器模型更为复杂，不仅有t m 3 + 之间的交叉弛豫过程，还有t m 3 + ，h 0 3 + 之间的能量传递过程和协同上转换过程，这些过程体现在速率方程中都是非线性的二次项，更无法给出解析解。所以，在理论分析部分，人们只能采用数值方法来分析讨论。1 0哈尔浮丁珲大学硕十学伊论文1 9 9 8 年，英国曼彻斯特大学的s m a r td j a c k s o n 和t e r e n c ea k i n g 两人建立了1 0 6 4 n m 光抽运t m 3 + ，h 0 3 + 共掺硅光纤激光器模型，计算了不同光纤长度时产生信号光与入纤抽运光的变化关系；分析了光纤激光器稳态运行时各能级粒子数沿光纤长度方向的分布情况；讨论了3 f 4 能级粒子数跃迁分支比对输出特性的影响以及掺杂浓度对输出光功率的影响【36 | 。同年s m a r td j a c k s o n 和t e r e n c ea k i n g 两人建立了t m 3 + ，h 0 3 + 共掺氟化物光纤光纤激光器高功率连续输出的物理模型，光纤结构采用双包层光纤，纤芯结构采用d 型结构，抽运源拟选用8 0 0 n m l d ，数值分析了考虑上转换作用时，光纤中抽运光和信号光与纤芯耦合系数不同时信号光子数和抽运光子数沿光纤长度方向的变化以及各能级粒子数沿光纤长度方向上的变化情况【3 7 o2 0 0 4 年，西安光机所的董淑福和陈国夫建立了不考虑上转换过程的t m 3 + ，h 0 3 + 共掺光纤激光器模型。采用的抽运源为输出为7 9 6 n m 的钛宝石激光器，t m 3 + ，h 0 3 浓度比例约为6 ：1 ，在计算中忽略了t m 3 + ，h 0 3 + 之间能量传递关系中的后向传递项，计算了不同抽运光作用下产生信号光和抽运光功率之间变化关系，并给出实验结果【3 8 】。2 0 0 6 年，该小组给出了1 18 0 n m 激光抽运t m 3 + ，h 0 3 + 石英光纤激光器的理论研究结果，分析了在3 1 w 抽运光作用下抽运光与信号光功率以及t m 3 + ，h 0 3 + 能级粒子数沿光纤分布情况，在计算中同样忽略了t m 3 + ，h 0 3 + 之间能量传递的后向传递项。计算了输出光随抽运光功率变化关系，并与实验结果比较【3 9 。2 0 0 7 年，西安空军工程大学的周俊等人给出了1 5 6 5 n m 激光抽运t m 3 + ，h o 弘石英光纤激光器稳态特性分析结果。与8 0 0 n m 和1 1 8 0 n m 抽运带相比，1 5 6 5 n m 抽运有效消弱了多能级快速非辐射跃迁以及能量上转换损耗。他们采用数值模拟方法对理想条件下系统稳态特性进行了分析，分析结果表明，采用1 5 6 5 n m 激光作为抽运源，能够获得高效率的激光输出。在抽运功率为3 w 、光纤长度为2 2 m 时，输出功率高达1 7 w 、量子效率5 7 、斜率效率6 7 。哈尔滨t 碑了：学硕十学伊论文这是目前此类光纤获得的较好的转换效率【4 。2 0 0 8 年8 月，该小组基于15 6 5 n m 抽运带下系统的理论模型，根据速率方程和功率传输方程，采用离散算法分别对t m 3 + ，h 0 3 + 石英光纤的输入端，中点处和输出端的动态变化特性进行了理论分析。结果表明，在不同光纤位置处，光纤对抽运光的吸收程度不同；光纤不同位置处粒子数和激光功率的弛豫振荡开始和持续的时间有着较大差异，信号光振荡峰值功率远大于稳态时的功率 4 1 。1 4 本论文的主要内容本论文采用理论简洁的速率方程对掺t m 3 + 石英光纤激光器和t m 3 + ，h 0 3 +石英光纤激光器进行理论分析和模型建立，并用m a t l a b 仿真软件对所建立的速率方程模型进行了模拟仿真，研究并分析了抽运功率、掺杂浓度、光纤长度、腔镜反射率以及光纤损耗因素等对光纤激光器输出特性的影响，进而得出在特定条件下获得最佳激光器输出特性时各影响参数的数值范围。论文主要内容如下：第1 章：绪论部分介绍了光纤激光器的起源和发展背景以及课题研究的意义，总结了单掺t m 3 + 光纤激光器、单掺h 0 3 + 光纤激光器以