ld泵浦的全光纤铒镱共掺双包层光纤激光器研究

1、河北大学 硕士学位论文 LD泵浦的全光纤铒镱共掺双包层光纤激光器研究 姓名：关泽琳 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：苏红新 20100601 摘 要 摘 要 铒镱共掺光纤激光器作为一种适用于全光纤通信网络和 WDM 通信系统的新型光 源备受关注，自 20 世纪 80 年代后期以来得到迅猛地发展。本文从理论和实验两方面对 DBR 全光纤铒镱共掺双包层光纤激光器进行了系统研究。 1.对铒镱共掺光纤激光器的基本原理和设计思想进行了全面总结。讨论了稀土掺杂 双包层光纤光纤的种类和特性、光纤激光器的光腔结构和泵浦源配置方式。分析了铒镱 系统的能级结构和辐射原理。根据粒子数速率方程组和功率传输方程组，结合边界条件 建立了铒镱共掺光纤激光器的稳态理论模型。 2.利用 matlab 软件和龙格库塔算法对铒镱共掺光纤激光器的稳态工作特性进行 了理论模拟，讨论了泵浦功率、光纤长度、后端镜反射率、铒镱掺杂比例与输出功率特 性之间的关系，为光纤激光器的优化设计提供了理论依据。 3.对铒镱共掺光纤激光器的输出特性进行了实验研究。搭建了三种采用不同参数的 DBR 型全光纤结构激光器，并对其光谱特性、功率

2、特性和时域特性进行了对比实验。 在最优化参数条件下测得输出功率达到最高值 2W，斜率效率为 53.8%，激光中心波长 1550.8nm，3dB 线宽约 0.02nm。同时，实验结果验证了理论的正确性。 关键词 铒镱共掺 光纤激光器 全光纤 输出功率 光谱特性 Abstract Abstract Er3+/Yb3+ co-doped fiber lasers, as a new-pattern laser source applicable to all-fiber communication network and WDM System, have been paid great attention and developed rapidly since later 1980s. In this dissertation, theoretical and experimental investigations of Er3+/Yb3+ co-doped fiber laser are presented systematically. 1. Basic principles and d

3、esign philosophy of Er3+/Yb3+ co-doped fiber lasers are globally summarized. Properties and variety of double-clad fiber, cavity structure of fiber laser and pumping mode are discussed. Level structure and radiation theory of Er3+/Yb3+ system is analyzed. The theoretical model of Er3+/Yb3+ co-doped fiber laser is established based on rate equations for the atomic populations and power propagation equations. 2. Theoretical simulation on working characteristics of Er3+/Yb3+ co-doped fiber laser in

4、 steady state is made using Rounge-Kutta method with Matlab. The relationship between the pump power, the fiber length, the reflectivity of the output mirror, the doping ratio of Yb3+ and Er3+ and output characteristics is discussed, which provides the theoretical basis for optimizing the fiber laser. 3. Experimental studies on Er3+/Yb3+ co-doped fiber laser are presented. Three kinds of all-fiber DBR lasers are designed and put up with different parameters. Comparative study on the spectrum pro

5、perties, power properties, and time-domain properties of them are carried out, experimentally. In the optimum condition, the maximum output power of the fiber laser is 2W with a slope-efficiency of 53.8%, and the measured lasing central wavelength and 3dB bandwidth are 1550.8nm and about 0.02nm, respectively. Furthermore, the experiment results validate the correctness of the theoretical study. Key Words Er3+/Yb3+ co-doped fiber laser all-fiber output power spectral characteristics 河北大学河北大学 学位论文

6、独创性声明学位论文独创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 年 月 日解密后适用本授权声明。 2、不保密 。 （ 请在以上相应方格内打“” ） 保护知识产权声明保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为（ ）的学位 论文，是我个人在导师（ ）指导并与导师合作下取得的研究成果，研究工作及取得 的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资助下完成的。

7、 本人完全 了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的各项法律、 行政法规以及河北 大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大学的书 面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内容。如果违反 本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人： 日期： 年 月 日 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 1.1 铒镱共掺光纤激光器的研究背景与意义 随着现代社会对信息传输容量需求的迅猛增长，在新一代光通信系统中波分复用 (WDM) 和密集波分复用(DWDM) 等新技术日益受到重视，提升了对光源能量的要求， 目前的单模半导体激光器(LD)无法满足新技术发展的迫切需要， 研制输出功率在瓦级以 上波长位于 1.55 微米波段的新型光源成为一项重要课题。 由于其运转波长(1.55m)与光通讯的第三窗口相匹配，掺铒光纤激光器早已引起了 人们的广泛关注。但是，掺铒光纤要达到高增益,需要有足够的激活离子来吸收抽运能 量，但在高掺杂浓度下会产生严重的离子聚集,出现浓度淬灭。因

8、此，掺铒光纤激光器 的输出功率通常只能达到毫瓦级，并且制造成本较高。如何提高掺铒光纤激光器的功率 水平和能量转换效率成为一个关键问题。 经过长期的探索，人们提出了一种铒镱共掺(Er/ Yb)的方法，即在纤芯中同时掺入 合适浓度的铒离子（Er3 ）和镱离子（Yb3） ，Yb3+离子并不直接发生能级跃迁而产生 激光,只是作为一个能量传递工具，通过两种离子间的共振能量转移，能够大大提高铒 离子的泵浦激发效率，有效减小浓度猝灭效应1。1988年，Snitzer报道了第一个Er/ Yb 共掺光纤激光器 2。 同年， Hanna等也对Er/ Yb共掺光纤激光器进行了研究， 展示了Er/ Yb 共掺光纤激光器的优异性能 3。 铒镱共掺光纤激光器阈值低，输出激光效率高、谱线窄，具有很宽调谐范围，同时 还具备低噪声、高稳定性、结构简单和抗电磁干扰等众多优点，而且与光纤网络可实现 直接匹配，作为瓦级的通信光源在未来长距离大容量超高速光纤通信中具有重要的用 途，并可用于产生高功率可调谐激光和超短脉冲激光应用于其它领域，近年来已成为国 际上研究的热点。 1.2 铒镱共掺光纤激光器的研究进展 1.2.1 高功率

9、铒镱共掺光纤激光器 二十世纪80年代后期双包层光纤的诞生，是光纤激光器研究道路上一个重要的里 程碑，它克服了传统单包层光纤的许多固有缺点，极大地提高了光纤激光器的功率和效 率。2001年，P. K. Cheo等将铒镱共掺技术与包层泵浦相结合，研制出输出功率接近2瓦 河北大学理学硕士学位论文 2 的Er/ Yb共掺双包层光纤激光器 4，展示了高功率铒镱共掺光纤激光器的技术途径。 2002年至2003年，Alam和Nillson等先后报道了最大输出功率达到16.8W的Er/ Yb 共掺双包层光纤激光器，并且从1533nm1600nm波段可调谐输出 5,6。2003年1月南安 普顿大学Johan Nilsson等报道了功率高达103W的单模铒镱共掺光纤激光器， M2值为2.0。 这在当时是具有最大输出功率的铒镱共掺光纤激光器 7。 2005年6月，南安普顿大学光 电子学研究中心D. Y. Shen等研究出一种高效率铒镱共掺光纤激光器8，在泵浦功率为 336W时，产生了波长为1.57微米高达188W的连续波输出，光束质量因子为1.9。可调工 作波长范围是1531到1571nm，线宽为1nm，输出功率大于100W。 1.2.2 单纵模铒镱共掺光纤激光器 单纵模激光器也叫单频激光器，由于其单色性和方向性都很好，广泛应用在通信 领域。早在1988年9月，当时英国南安普顿大学G. T. Maker等就被报道过由钕激光器泵 浦的铒镱共掺光纤激光器9，得到了工作波长1.56m功率为0.75mw的单频输出。 后来1994年Kevin Hsu等报道的单模法玻腔铒镱共掺微型光纤激光器，使用了当时 最短的磷酸盐玻璃光纤，腔长只有100m，而且具有可调谐的特性，调谐范围超过 4.52nm10

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