ld抽运tm3ho3光纤激光器输出特性的理论研究

哈尔滨工程大学 硕士学位论文 LD抽运Tm，Ho光纤激光器输出特性的理论研究 姓名：王晓章 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：张新陆 20090601 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 t T 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 W h a sb e e n t 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 t T 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 h i 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 e f i b e rl a s e r S o ，t Oo b t a i nt h eh i g h p 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 y u 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 f t h e p 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 s o 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 e e 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 e M A T L A Bl a n g a l a g ea n dg e ts o m eu s e f u l r e s u l t st h a tc a nb eu s e dt o g u i d e e 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 s l i s t e da s f o 】1 0 W S ： W ee s t a b l i s ht h er a t e e 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 r a 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 d a n dT m 3 + _ H o pC O d o p e df i b e rl a s e ri s a t s 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 D b 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 p p 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 t p 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 f u 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 c m 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 l p 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 h s 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 s o 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 d f 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 s a r e f 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 r a n dg a i n i 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 n d 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 y t