环形腔掺铒光纤激光器的研究
环形腔掺铒光纤激光器的研究[20200406135701]
摘 要
光通信技术的提高离不开愈来愈好的光源，在这些光源之中光纤激光器有着独特的优点，从而得到了多个领域的关注。本篇论文对环形腔掺铒光纤激光器做了一些理论研究，重点从理论上讨论了掺铒光纤激光器的原理以及其功率稳定性的影响因素。从而设计出环形腔掺铒光纤激光器的系统结构，并且讨论了一些参数的设定，在此基础上选择了合适的器件以及参数。建立了理论模型，从理论上讨论了其输出的特点。在稳态情况下，如何用公式表达泵浦阈值与输出的功率并且得到斜率效率，同时对输出特性进行了数值模拟。得出在不一样的耦合比、泵浦功率、掺杂浓度以及工作波长下，输出功率的变化，得出提高环形腔掺铒光纤激光器输出功率的方法。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:激光器掺铒光纤环形腔输出功率
目 录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2 掺铒光纤激光器的发展及研究现状 1
1.3 课题的提出及意义 2
2.掺铒光纤激光器的理论基础 4
2.1掺铒光纤激光器的原理 4
2.2 掺铒光纤激光器功率稳定性的影响因素 5
3.掺铒光纤激光器的结构设计 6
3.1泵浦的选择 6
3.2激光工作物质 6
3.2.1掺铒光纤的光谱特性 7
3.2.2掺铒光纤的激光特性 8
3.3 谐振腔的设计类型 8
3.3.1线形谐振腔 9
3.3.2环形谐振腔 13
3.3.3其他结构的谐振腔 14
4.环形谐振腔的理论模拟 16
4.1 理论模型 16
4.2 数值模拟 19
结论 23
参考文献 24
致谢 25
1.绪论
1.1 引言
铒是具备实足潜力的一种激光激活粒子，效力与输出能量对铒激光器而言并非非常吸引人，但其具备的怪异波长却令研究者们感兴趣。掺铒激光器因其自身具有的特殊波长和对人体眼部相对安全等一些独特优点，在激光雷达处、自由空间方面、工件校准过程、工业加工和环境监测等领域有着十分广泛的实际应用。
激光的介质是靠往石英玻璃里加一些稀土元素来激活的。若选取符合条件的泵浦源，便能设计出激光放大器。若再加上合适的反馈便能够设计一款光纤激光器[1]，它所表现的的特征为：因为光纤有比较好的柔绕性，同时产生耦合反馈也相对较为容易，所以它能够发明得相当小而便捷。若以基模为背景条件，纤内会产生高功率密度的泵光，并且会和导模发生完全地耦合。同时光纤表面积除以体积的结果会比较高，所以它具有较高的转换效率，而阈值却相对较低。它的工作波长比较特殊，在近红外至中红外内，这很容易让研究者们感到兴趣，从而它是十分具有应用前景的一种激光光源。比方光纤大家族中掺钕与掺铒的的波长是1550nm与1330nm，这个波长在光纤通信中正好处于最好的位置[2]。是以它于光纤通信而言，具有举足轻重的地位，所以这些年里，我们发现掺杂光纤愈来愈广泛地被应用在通信领域中。而其中掺铒光纤激光器件在通信方面已经得到了许多的应用。
1.2 掺铒光纤激光器的发展及研究现状
20世纪，在科学技术史上激光器的创造是一个重要的成就。它具备较高亮度性、杰出的方向性、很好的单色性和相干性。它让人们终究可以有本领驾驶大的数目、小的尺度、运功极紊乱的原子与分子的发光进程，从中获得发生与放大相关的红外线、可见光芒和紫外线（以致X射线与Y射线）的本领。它的利用现在已广泛军事、科学、经济和社会发展等多个范畴。
于1960年7月，梅曼依靠有关受激辐射光量子放大方面的理论使得史上第一台红宝石固态激光器在其手中诞生。同一年的下半年氦氖气体激光器被研制了出来，于1962年，有关于实验成功砷化镓半导体激光器的报导出现在人们的视野中。直到七十年代后期，激光器技术逐渐发展得趋于成熟，并且开始应用于人们日常的生活中。这些年来的发展，促使激光器的种类愈来愈多、应用的范围也愈来愈广。通过这些应用，我们获得了可观的社会与经济上的效益。现在，激光技术在我们日常生活中已经变得十分重要。因此，大家对激光器的研究也变得越来越热衷。激光科学技术用它那强大的生命力谱写出了一部典型的学科交织的创造发明史。
在研究中发现，设计掺铒光纤激光器是较为容易的，可以无误地推测出激射的波长、从而协调宽带并且输出窄线宽。同时比较它与其他激光器可以发现它具备几十毫瓦量级的较低阈值、较大的增益、较高的效率、较低的噪音、抽运寿命长、具有高稳定性以及单色性、小巧、和传输光纤发生耦合更方便等优良特点。Snitzer等人在1961年对这个领域开展了一些开创性的研究， 但因为一些有关条件的限制，他们进展得比较缓慢。在20世纪末，尽管报道有关光纤激光器的文章比较少，可人们仍不断地寻找优质的基质材料，泵浦，谐振腔结构和激活离子的掺杂工艺，并且在这些方面已经取得了很大的进步。直到20世纪八十年代，Poole等研究者们用气相沉积法[3]研制了一种掺铒光纤，它的损耗比较低，从而在掺铒光纤的研究史上垮了一大步。故而它的研究在激光应用领域中变得十分热门。
1.3 课题的提出及意义
在以掺 光纤放大器技术作为基础的条件下，掺 光纤激光器开始走入了大家的视野中，与传统的相比较而言，因为掺稀土类型的在增益的介质以及器件的构成等方面显示出其独特的优点[4]：
（1）更便于达成单频运转，单模运转以及短脉冲；
（2）能够在较宽光谱的区域下进行规划与运作，其应用的范畴十分广泛；
（3）与现代通信光纤相匹配，更易于耦合，同时也方便地应用在传感系统以及光纤通信等方面。
（4）其是以柔性介质作为工作的物质，目的是为了让其整机封装、谐振腔结构的设计以及应用都比较简单；
（5）更便于产生高质量光束，并且让所得输出功率大到千瓦以至兆瓦级别。它的表面积与体积相比，其结果较大。工作物质热负荷较少，并且会比较容易散热与冷却；
（6）具有比较高的泵浦效率。通过适当改变掺杂光纤的结构、泵浦光的强度、泵浦方式以及掺杂浓度可以让激光器的泵浦效率获到显著地提高。比如选取双包层的光纤结构，并且用便宜与低亮度的泵浦光源便能完成光转换效率在百分之六十以上。
这些独特的优点让光纤激光器在许多使用领域中都有十足广泛的用处。此中掺 的光纤较为独特，这是由于它增益谱在40nm左右的区域和光纤通信效果最好的区域相互吻合。正因如此，有关它的研究与开发在通信领域中十分热门。
2.掺铒光纤激光器的理论基础
2.1掺铒光纤激光器的原理
掺稀土光纤激光器的形成[5]必须依靠于谐振腔、泵浦源以及增益介质 。泵浦源常常是选取较高功率的半导体激光器，谐振腔则是以光纤光栅等一些反馈元件所组成各种直线型的谐振腔，也可以采用耦合器组成各种环形谐振腔，而它的增益介质则是掺稀土离子的光纤。
图2-1 EDFL的基本结构
最早的掺铒光纤激光器的结构如图2-1所示，其中M1镜会对泵浦光进行全透，而对信号光它却是全反射。而M2镜对对泵浦光是全反射，但是它对信号光是部分透射，但同时。这类型的EDFL必须让光纤端面和镜面连接紧密，目的是降低了反射的损耗 。但是这样常常会使光纤端面发生以下的情况：（1）会形成劈形；（2）会与镜面存在间隙；（3）会变成凹型；（4）会与镜面安装形成一个倾角 。以上这些情况将会导致不理想的激光输出，同时镜面的膜层可能会因为高的泵浦功率而遭到破坏。是以，最初的这种激光器很难获得实际应用。
泵浦光经过耦合器耦合进到稀土离子里的时候，它会被吸收。从而令稀土原子发生改变，让它的电子被激励到高能级上[6]，目的是为了完成粒子数反转。而粒子经过反转会以辐射的方式到达基态上，最终实现受激辐射。它所产生的辐射光在经过受激放大以及选模后，会让激光较为稳定地被输出。从本质来说，它可以作为波长转换器。
图2-2 环形腔光纤激光器结构示意图
图2-2表示环形腔光纤激光器结构由掺 光纤、波分复用器、隔离器、耦合器与和光纤光栅相组合而成，研究中泵浦源是采用981nm的半导体激光器（LD）。泵浦光经由波分复用器耦合进入环路，经过掺 光纤转化为波长大概为1550nm的光，经隔离器传到耦合器，一部分耦合到达输出端，而另一部分耦合到光纤光栅，在通过光纤光栅的滤波作用之后，只剩下波长为1550nm的被反射，从而回到了环路。反射的光线沿着顺时针传输在环路中，又经掺 光纤得到适当的增益后到达光纤光栅。重复这些过程便能完成环路振荡。若增益比腔损耗还要大，则耦合器输出端会产生1550nm波长的激光输出。
摘 要
光通信技术的提高离不开愈来愈好的光源，在这些光源之中光纤激光器有着独特的优点，从而得到了多个领域的关注。本篇论文对环形腔掺铒光纤激光器做了一些理论研究，重点从理论上讨论了掺铒光纤激光器的原理以及其功率稳定性的影响因素。从而设计出环形腔掺铒光纤激光器的系统结构，并且讨论了一些参数的设定，在此基础上选择了合适的器件以及参数。建立了理论模型，从理论上讨论了其输出的特点。在稳态情况下，如何用公式表达泵浦阈值与输出的功率并且得到斜率效率，同时对输出特性进行了数值模拟。得出在不一样的耦合比、泵浦功率、掺杂浓度以及工作波长下，输出功率的变化，得出提高环形腔掺铒光纤激光器输出功率的方法。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:激光器掺铒光纤环形腔输出功率
目 录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2 掺铒光纤激光器的发展及研究现状 1
1.3 课题的提出及意义 2
2.掺铒光纤激光器的理论基础 4
2.1掺铒光纤激光器的原理 4
2.2 掺铒光纤激光器功率稳定性的影响因素 5
3.掺铒光纤激光器的结构设计 6
3.1泵浦的选择 6
3.2激光工作物质 6
3.2.1掺铒光纤的光谱特性 7
3.2.2掺铒光纤的激光特性 8
3.3 谐振腔的设计类型 8
3.3.1线形谐振腔 9
3.3.2环形谐振腔 13
3.3.3其他结构的谐振腔 14
4.环形谐振腔的理论模拟 16
4.1 理论模型 16
4.2 数值模拟 19
结论 23
参考文献 24
致谢 25
1.绪论
1.1 引言
铒是具备实足潜力的一种激光激活粒子，效力与输出能量对铒激光器而言并非非常吸引人，但其具备的怪异波长却令研究者们感兴趣。掺铒激光器因其自身具有的特殊波长和对人体眼部相对安全等一些独特优点，在激光雷达处、自由空间方面、工件校准过程、工业加工和环境监测等领域有着十分广泛的实际应用。
激光的介质是靠往石英玻璃里加一些稀土元素来激活的。若选取符合条件的泵浦源，便能设计出激光放大器。若再加上合适的反馈便能够设计一款光纤激光器[1]，它所表现的的特征为：因为光纤有比较好的柔绕性，同时产生耦合反馈也相对较为容易，所以它能够发明得相当小而便捷。若以基模为背景条件，纤内会产生高功率密度的泵光，并且会和导模发生完全地耦合。同时光纤表面积除以体积的结果会比较高，所以它具有较高的转换效率，而阈值却相对较低。它的工作波长比较特殊，在近红外至中红外内，这很容易让研究者们感到兴趣，从而它是十分具有应用前景的一种激光光源。比方光纤大家族中掺钕与掺铒的的波长是1550nm与1330nm，这个波长在光纤通信中正好处于最好的位置[2]。是以它于光纤通信而言，具有举足轻重的地位，所以这些年里，我们发现掺杂光纤愈来愈广泛地被应用在通信领域中。而其中掺铒光纤激光器件在通信方面已经得到了许多的应用。
1.2 掺铒光纤激光器的发展及研究现状
20世纪，在科学技术史上激光器的创造是一个重要的成就。它具备较高亮度性、杰出的方向性、很好的单色性和相干性。它让人们终究可以有本领驾驶大的数目、小的尺度、运功极紊乱的原子与分子的发光进程，从中获得发生与放大相关的红外线、可见光芒和紫外线（以致X射线与Y射线）的本领。它的利用现在已广泛军事、科学、经济和社会发展等多个范畴。
于1960年7月，梅曼依靠有关受激辐射光量子放大方面的理论使得史上第一台红宝石固态激光器在其手中诞生。同一年的下半年氦氖气体激光器被研制了出来，于1962年，有关于实验成功砷化镓半导体激光器的报导出现在人们的视野中。直到七十年代后期，激光器技术逐渐发展得趋于成熟，并且开始应用于人们日常的生活中。这些年来的发展，促使激光器的种类愈来愈多、应用的范围也愈来愈广。通过这些应用，我们获得了可观的社会与经济上的效益。现在，激光技术在我们日常生活中已经变得十分重要。因此，大家对激光器的研究也变得越来越热衷。激光科学技术用它那强大的生命力谱写出了一部典型的学科交织的创造发明史。
在研究中发现，设计掺铒光纤激光器是较为容易的，可以无误地推测出激射的波长、从而协调宽带并且输出窄线宽。同时比较它与其他激光器可以发现它具备几十毫瓦量级的较低阈值、较大的增益、较高的效率、较低的噪音、抽运寿命长、具有高稳定性以及单色性、小巧、和传输光纤发生耦合更方便等优良特点。Snitzer等人在1961年对这个领域开展了一些开创性的研究， 但因为一些有关条件的限制，他们进展得比较缓慢。在20世纪末，尽管报道有关光纤激光器的文章比较少，可人们仍不断地寻找优质的基质材料，泵浦，谐振腔结构和激活离子的掺杂工艺，并且在这些方面已经取得了很大的进步。直到20世纪八十年代，Poole等研究者们用气相沉积法[3]研制了一种掺铒光纤，它的损耗比较低，从而在掺铒光纤的研究史上垮了一大步。故而它的研究在激光应用领域中变得十分热门。
1.3 课题的提出及意义
在以掺 光纤放大器技术作为基础的条件下，掺 光纤激光器开始走入了大家的视野中，与传统的相比较而言，因为掺稀土类型的在增益的介质以及器件的构成等方面显示出其独特的优点[4]：
（1）更便于达成单频运转，单模运转以及短脉冲；
（2）能够在较宽光谱的区域下进行规划与运作，其应用的范畴十分广泛；
（3）与现代通信光纤相匹配，更易于耦合，同时也方便地应用在传感系统以及光纤通信等方面。
（4）其是以柔性介质作为工作的物质，目的是为了让其整机封装、谐振腔结构的设计以及应用都比较简单；
（5）更便于产生高质量光束，并且让所得输出功率大到千瓦以至兆瓦级别。它的表面积与体积相比，其结果较大。工作物质热负荷较少，并且会比较容易散热与冷却；
（6）具有比较高的泵浦效率。通过适当改变掺杂光纤的结构、泵浦光的强度、泵浦方式以及掺杂浓度可以让激光器的泵浦效率获到显著地提高。比如选取双包层的光纤结构，并且用便宜与低亮度的泵浦光源便能完成光转换效率在百分之六十以上。
这些独特的优点让光纤激光器在许多使用领域中都有十足广泛的用处。此中掺 的光纤较为独特，这是由于它增益谱在40nm左右的区域和光纤通信效果最好的区域相互吻合。正因如此，有关它的研究与开发在通信领域中十分热门。
2.掺铒光纤激光器的理论基础
2.1掺铒光纤激光器的原理
掺稀土光纤激光器的形成[5]必须依靠于谐振腔、泵浦源以及增益介质 。泵浦源常常是选取较高功率的半导体激光器，谐振腔则是以光纤光栅等一些反馈元件所组成各种直线型的谐振腔，也可以采用耦合器组成各种环形谐振腔，而它的增益介质则是掺稀土离子的光纤。
图2-1 EDFL的基本结构
最早的掺铒光纤激光器的结构如图2-1所示，其中M1镜会对泵浦光进行全透，而对信号光它却是全反射。而M2镜对对泵浦光是全反射，但是它对信号光是部分透射，但同时。这类型的EDFL必须让光纤端面和镜面连接紧密，目的是降低了反射的损耗 。但是这样常常会使光纤端面发生以下的情况：（1）会形成劈形；（2）会与镜面存在间隙；（3）会变成凹型；（4）会与镜面安装形成一个倾角 。以上这些情况将会导致不理想的激光输出，同时镜面的膜层可能会因为高的泵浦功率而遭到破坏。是以，最初的这种激光器很难获得实际应用。
泵浦光经过耦合器耦合进到稀土离子里的时候，它会被吸收。从而令稀土原子发生改变，让它的电子被激励到高能级上[6]，目的是为了完成粒子数反转。而粒子经过反转会以辐射的方式到达基态上，最终实现受激辐射。它所产生的辐射光在经过受激放大以及选模后，会让激光较为稳定地被输出。从本质来说，它可以作为波长转换器。
图2-2 环形腔光纤激光器结构示意图
图2-2表示环形腔光纤激光器结构由掺 光纤、波分复用器、隔离器、耦合器与和光纤光栅相组合而成，研究中泵浦源是采用981nm的半导体激光器（LD）。泵浦光经由波分复用器耦合进入环路，经过掺 光纤转化为波长大概为1550nm的光，经隔离器传到耦合器，一部分耦合到达输出端，而另一部分耦合到光纤光栅，在通过光纤光栅的滤波作用之后，只剩下波长为1550nm的被反射，从而回到了环路。反射的光线沿着顺时针传输在环路中，又经掺 光纤得到适当的增益后到达光纤光栅。重复这些过程便能完成环路振荡。若增益比腔损耗还要大，则耦合器输出端会产生1550nm波长的激光输出。
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