掺Yb_´3 _双包层光纤超荧光光源和外腔可调谐光纤激光器的研究（已处理）

掺Yb_´3 _双包层光纤超荧光光源和外腔可调谐光纤激光器的研究（已处理） 南开大学 硕士学位论文 掺Yb '3+ 双包层光纤超荧光光源和外腔可调谐光纤激光器的研 究 姓名:侯国付 申请学位级别:硕士 专业:光学 指导教师:李乙钢;吕可诚 南开大学硕士学位论文 摘要 摘 要 二十世纪八十年代，双包层光纤的出现可以说是光纤有源器件发展史上的 一个里程碑。基于包层泵浦技术实现的大功率光纤激光器的研究成为国际上的 热点问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。本文的研究内容就是跟踪这一研究热点，对掺Yb”双包层光纤超荧 光光源和外腔可调谐掺Yb3+双包层光纤激光器进行了较为系统、全面的研究探 讨。论文的主要内容包括以下几个方面: 1、掺Yb”双包层光纤超荧光光源的理论分析及数值模拟: 熊据超荧光光纤光源放大的自发辐射理论模型，给出了双包层光纤中荧光 功率的传输方程。利用传输方程，结合掺Yb”双包层光纤有关参数，对掺Ybp 双包层光纤超荧光光源的有关特性进行了数值模拟，结果表明: 掺Yb”双包层光纤中的前向和后向的传输功率以及增益因子随泵浦功率的 不同有较大的变化。超荧光光纤光源输出光谱的线宽随着输出功率 泵浦功率 的增加而变窄，并逐渐趋于一个稳定值。J，+。7 2、掺Yb”双包层光纤超荧光光源的实验研究: f采用两种不同内包层形状的掺Yb”双包层光纤作为增益介质，对双程前向 DPF 结构的双包层光纤超荧光光源进行了实验研究。 采用俄罗斯产的方形内包层掺Yb”双包层光纤，在泵浦功率为2769mW时， 17 2nm的双程前向超荧光输出。 增益光纤改用国产的圆形内包层掺Yb3’双包层光纤后，当泵浦功率为 699mW时，得到的双程前向超荧光光源的中心波长为10604nm，最大超荧光 输出功率为566mW，3dB带宽为23nm。 在两种情况下，对于实验测得的超荧光输出功率与吸收泵浦光功率的关系 都进行了理论拟合，实验值与理论曲线符合的很好。高泵浦功率时，方形内包 层光纤的超荧光光纤光源的斜率效率为69 35,，而圆形内包层时的斜率效率则 为13,。 实验中，在两种情况下均发现，随着超荧光输出功率的增加，超荧光输出 光谱的3dB带宽逐渐变窄，分 斤认为这是由于光纤中能级展宽主要是均匀展宽 特性造成的。P了一一 , 3、外腔可调谐掺Yb“双包层光纤激光器的实验研究( 深用国产的圆形内包层掺Ybp双包层光纤作为增益光纤，并结合现有的实 层光纤激光器进行了实验研究。 南开大学硕士掌位论文 摘要 由于光纤弯曲造成的感应双折射对光纤激光器的输出功率产生较大的影 响，实验中通过采用光纤偏振控制器来减弱这种影响。使用偏振控制器时得到 的输出功率相对于激光波长的分布与荧光谱符合较好。 在使用偏振控制器的情况下，对激光器进行调谐实验。应用Li“row结构外 腔时，得到的激光器调谐输出范围1040nm-1107 6rim，调谐激光输出线宽在 0lnm-O 2rim之间:Littnlm结构外腔时调谐输出范围1037 6姗,1097nm，调谐 的范围内实现了调谐，调谐激光输出线宽都小于0(1nm。p、，一一 ’ ， 关键词:双包层光纤，光纤激光器，外腔，超荧光光纤光源，双光栅结构， Littman 结构，Littrow结构 南开太学硕士学住论文 Abstract Abstract for the ofactivefiberdevices(ithasbeenalandmarkme development During Based endof on of fiberatthe the1980s double-cladding double―cladding presence research thisresearch onanew fiberithastaken deep upsurgeFollowing upsurge hasbeen On mad researches yb3, dopeddouble-cladding systematical developed and fiberlasers fiber SOurCestunable supeffluorescent Yb”-dopeddouble―cladding This with cavitiesdissertationincludesthedetailed onthe external description subjects: following of I(Theoretical double-cladding analysisYb”一doped sources The of andthestructuresof basic superfluorescence principle superfluorescent fiber atfirst(ThenWe a sourcewereintroduced describedmodelof amplified emissionWitIlthismodel(aSwellas of homemade spontaneous parameters given fiberwithcircularinner characteristics( double―cladding cladding，some Yb”??doped and V,S suchas distributionbandwidthvariation distribution，power gain pump were etc analysed power theoretically( 2( researcheson fiber Experimental Yb”??dopeddouble-cladding sources superfluorescent ourfactualconditions(all twokinds Considering experimental of set―up(with fibers(、、asestablishedto the double-cladding studycharacteristicsof Yb”-doped fibersources superfiuorescent fiber、、ith inner WaS Firstly,Yb2--_dopeddouble-claddingrectangular clactding usedaS mediuminthe Whenthe was gain experimentalsystem pump poxxer 2769mWa forward a with at superfluorescence double-pass peakwavelength of541lmWand3dB 1082nm,aimal a band、、idthofl72nmwaS output power The between and obtmned outputpo、、er absorbed er、、as relationship pumppou studiedboth a accordance theoreticalb;and experimentall ’and the ’gavegood of Because broadenedtransitiontheband?idthofthis homogeneous fibersourcedecreaSedasthe increased superfluorescent pump power Whenthe mediumishome―made fiber、、ith gain Yb”一dopeddouble-cladding circularinner forward hasa cladding(the double―paSs superfluorescence peak 、、ax at10604nm(aimal and of566roWa3dB elength outputpo、、er bandwidth of23nm、、itha 699mWThe characteristicandthe pumppoxx+er output relationship betxxeell3dBbandxxidthand also studied(and outputpoxxer orpumppoxxer 、、ere III 南开土学硕士学位论文 Abstract obtained( were similarresults ontunable fiber lt((searches yb3+-doped 3(Expel??imental double-cladding vat'ionsexternalcavities with lasers home-made fiberwith Inthis circular double-cladding part，taking Yb3+-doped inner fiberlaSer medium,three cladding笛gain systems，utilizing externalcavities wereformed and respectively Tunable double??grating-arrangement studied offiberlasershadbeen experimentally( operations extemal WithLittrow onediffraction a only as cavi吼using grating dispersi、‘e the the of a from to element，bytuningangle gratingtuningrange 10372nm 1110(8nmWasachieved(Inour wealsofoundthe of experiment effect great onthe an in―line stress―induced all-fiber birefringenceoutrIutpower(With a conlrollersmoothercurvewhichhada accordancewim polarization tuning good of fiberWaS thefluorescence obtained every spectraYbS'_doped th饥Additionally laser is withanarrowwidth0lam tunablewavelength of nearl ’linear-polarized not order111ediffractionitself acted越a element(butalso grating only dispersive linewidthof narrowedthe laser output Wealsodidsomeresearchesorltunablefiberlaser、~ithaLiUman caxitx extemal ora one(WithaLittmanextemal double―grating-arrangement cavit3; tunable observedfrom 6rimto1097nm Was 1037 and the whole operation during tuning thelinewidthof Waslessthan01amWitll range ever ("1aserwa、7elength as fiber external the laserWastunedfrom arrangement double??grating ca、im 1037nmto1106nm Highpower tunableorbroadbandSOUrCes?U invarious compact be、ddel ’used domains either sourcesfor orRamanlasers( includingpumping optical amplifiers communication(medicineOf optics spectroscopy( extemal fiber,fiber lasen Keywords:double-cladding fiber source(double??grating arrangement(Litrro、、set??up(Littmanset??up IV 南开大掌硕士掌位论文 第一章绪论 光纤有源器件能方便地延长增益介质的长度，以便使泵光得到充分的吸收，而 且还有效率高、紧凑小巧、高性能价格比及良好的温度稳定性等诸多优点，受到普 遍关注。掺稀土离子单模光纤生产技术的发展以及半导体加工工艺的成熟，促成了 光纤有源器件，如光纤激光器、光纤放大器、超荧光光纤光源的研究和发展。 基于双包层光纤实现的包层泵浦技术大大提高了泵光的耦合效率，使大功率的 光纤有源器件成为可能。同时，由于纤芯内的功率密度达到百Mwcmo的量级的水 平，使得光纤中出现多种非线形效应，成为拓宽光纤激光器件输出波长的有效途径。 基于包层泵浦技术的各种光纤有源器件在光通信、光传感、材料科学、航天航空、 生命科学、精密机械加工、广告显示、印刷业、家庭Tv等领域得到广泛的应用【l”。 ?1(1光纤激光器的研究进展及其应用 1(1(1、单模光纤激光器的研究进展 早在1961年EliasSnitzer就发现了掺钕玻璃包层波导中的激光现象【12】。1978 年Hiu成功地研制出光纤光栅Il“，使激光器的全光纤化成为可能。二十世纪八十年 代开始，由于高功率输出的半导体激光器的问世和掺稀土离子单模光纤生产技术的 成熟，光纤有源器件开始快速发展。1985年，RJMears等人报道了掺Ndo单模光 纤激光器，这是关于单模光纤激光器第一次报道【1“。此后，世界上众多的科技工作 者在此领域进行了大量的研究工作。 经过人们的不懈努力，光纤激光器正日趋成熟并逐步商用化。光纤激光器的谐 腔等，但最常见的包括FabD-Perot腔和环行腔两种。在光纤中的掺杂元素主要包括 它们的l33“m和l55“m的输出波段恰好对应于硅光纤的两个低损耗窗口，而且jj 以用半导体激光器实行高效率泵浦。由于Yb”离子的能级结构简单，不存在激发态 吸收和浓度淬灭现象，而且Yb”光纤有很高的转换效率，近年来基于掺Yb’ 光纤的 育源器件得到了迅速发展„2。“I。此，L，基于番章孛掺杂光纾的多波K激光器[1”、 9’等也得到了广泛的关注， 可调谐激光器”】、调Q激光器113I、锁模激光器11 1(1(2、双包层光纤激光器的研究进展 皂层震清美术的出现解决了泵光:司常规单摸光纤锚台均难题， 及大二也提苗了采 光与光纤的耦合效率，促进了高功率光纤激光器件的研究和发展。 (1( 南开大掌?士掌位论文 在包层泵浦技术的发展初期，人们的注意力主要集中在掺Nd3+双包层光纤激光 器的研究上1110。“1。从20世纪80年代后期开始(Yb”离子掺入石英或氟化物光纤 中，作为一种激光介质开始受到人们的重视。有关掺Yb”离子的光纤激光器和放大 器的研究也有很多报道f112““】。由于掺Yb”双包层光纤激光器比掺Nd3+双包层光 纤激光器有更高的斜率效率，以及Yb”简单的能级结构和宽的吸收带和大的发射截 面，使得人们的注意力逐渐转向掺Yb”双包层光纤激光器的研究。在‘97CLEO会 议上，美国Polaroid公司的M Muendel等人报道了一种掺Yb”双包层光纤激光器， 他们用四个光纤耦合的916nm波长的激光二极管阵列，以54(4W的功率泵 浦掺Yb” 双包层光纤，在1100nm波长上获得了35(5W的连续激光输出„21;VDominic等 人报道了超高功率掺Yb”双包层光纤激光器的研究结果，他们用四个45W的半导 体激光二极管阵列组成总功率为180W的泵浦源，在l120hm得到l lOW的激光输 出?”I，如此高的功率水平没有发现对光纤性能的任何损伤。 在双包层光纤激光器理论方面，ALiu和K(Ueda对光纤截面结构和纤芯对抽 运光的吸收作了研究„。11”，A(Bertoni[1“1和LuisZentenoll 191也给出某些理论分析。 1(1(3、基于双包层光纤的其他有源器件的研究进展 高功率双包层光纤激光器的出现，使纤芯内的光功率密度达到每平方厘米百兆 瓦量级，光纤中因此出现多种非线性效应，如受激喇曼散射效应、受激布里渊散射 效应、频率上转换、合作发光等。这些非线性效应有效地拓宽光纤激光器的研究领 浦串级拉曼光纤激光器，他们利用84W的掺Yb3。双包层光纤激光器泵浦700m掺 05W和0 磷光纤，同时在1239nm和1484nm两波长处分别获得195W的连续激光 输出[1 宝石激光器作泵源，二色镜作为波长选择器，用双包层Pr’,Yb’:ZBLAN 光纤作为 增益介质，组装了包层泵浦频率上转换光纤激光器，实验获得了最高功率为440roW J 还可以实现光纤激光器的脉冲输出，1998，zChen报道了他们研制的自调O掺 Yb’双包层光纤激光器的结果【1221。 1(1(4、国内双包层光纤激光器的研究进展 国内有关掺Yb’双包层光纤激光器的研究起步较晚，南开大学率先开展了此领 域的基础性研究工作，并与信息产业部第46所合作成功研制出用于实验研究的多 种内包层形状的掺Yb。双包层光纤‘181“。对基于双包层光纤的各种光纤有源器件 进行了大量富有成效的研究工作: 在l 34W的激光输出，斜率效率为866,E1。”l，这是迄今为止国 0939in处得到了2 南"大掌硕?掌位论文 内报道的输出功率最大的光纤激光器: LD泵浦的大功率掺Yb”双包层光纤激光器作泵浦源， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 单模石英光纤作 1176 8nm处得到了309mW的最大输出功率，这是国内关于包层泵浦串级拉曼光纤 激光器实验研究的最早报道[1(261: 在国内首次对双程前向的掺Yb’双包层光纤超荧光光源进行了实验研究m”， 荧光输出。此时斜率效率为69 35,，中心波长1082nm，3dB带宽为17(2nm: 对于包层泵浦自调Q光纤激光器进行了实验研究[1(281，通过在增益光纤的输出 端对接一段合适长度的单模通信光纤，得到了稳定的脉冲序列，脉冲宽度约为2ns， 重复频率29(4MHz。 1999年，上海光机所陈柏等人报道了“LD抽运掺Yb”双包层光纤激光器”的 实验结果【r“，他们用981(5nm的国产LD作泵源，在多个波长获得激光输出，其 包层光纤激光器的调谐输出他们也进行了初步的研究?“，得到的调谐范围 50nm。 此外，复旦大学和武汉邮电科学研究院对双包层光纤激光器也进行了一些理论和实 验的研究旧11。 1(1(5、光纤激光器的应用 光纤激光器特别是掺Er3+光纤激光器，由于输出的l 559m波段恰好对应于硅 光纤的损耗窗口，在光纤通信中得到了极其广泛的应用。基于光纤光栅的全光纤激 光器的研制成功，使得全光纤一维光子集成光纤通信系统成为可能?”，由于输出 波长随温度、压力等外界参量的改变而变化非常显著，光纤激光器还可用于光传感 领域等等。 近几年，光纤激光器特别是高功率双包层光纤激光器获得突飞猛进的发展。由 于光纤良好的散热特性和高效率，在高功率激光器的应用方面它已成为人们的首选 产品。 在光纤通信方面，双包层光纤激光器的出现，解决了拉曼光纤放大器泵浦源的 问题。选择合适波长的泵浦源，拉曼光纤放大器可以工作在光通信窗口的任意波长 处，并对光信号进行在线放大?3I， 双包层光纤激光器由于结构紧凑、价格相对较低廉和无气体、燃料、溶剂等而 广泛应用于医学领域。利用倍频晶体和通过拉曼频移及参量波长变换技术，可由双 包层光纤激光器得到从紫外到中红外任意波长的激光，满足不同医学应用的要求。 由于其良婷的光束质量和指向精麦，光纤激光器也产泛用于商业打标等。 总之，高功率双包层光纤激光器有着广泛的应用，对双包层光纤激光器件的研 -3( ，N'-JT-大掌硕?掌位论文 第一章绪论 究有着重要的学术意义和应用价值。 ?1(2超荧光光纤光源的研究进展及其应用 在众多光纤传感器和光纤探测器中，一般都需要同时具有良好空间相干 性和低 时间相干性的宽带光源【l“】。目前商用的宽带光源多为超发光二极管 SLD ，但SLD 的寿命较短、波长稳定性差、输出功率低，并且由于空间相干性差(与单模光纤的 耦合也受到了限制【l”】。掺稀土元素光纤技术的日益成熟，以及泵浦机制的快速发 展，为人们提供了一种方便可靠的宽带光纤光源。与SLD相比，掺稀土元素光纤 中的放大的自发辐射 ASE 具有温度稳定性强、荧光谱线宽、输出功率高等特点， 在光纤陀螺仪、某些信号处理系统、光学层析、多波长光纤激光器的实现、医用光 source 【o”】。 学等领域有广泛应用，称为超荧光光纤光源 Supeffluorescencefiber 1(1(1、单模光纤超荧光光源的研究 在超荧光光纤光源研究的初期，所采用的增益光纤为常规单模光纤。由于泵浦 光较难有效地耦合到芯径只有3一j岫的常规单模光纤纤芯中，同时，要获得单横模 超荧光，泵光也必须是单横模，而单横模的泵光的功率是较低的，所以超荧光光源 模光纤，输出功率只有10mW【l”】，这是关于光纤超荧光光源的第一篇报道。1989年， DC 37J。 时，在1(04p(m处的输出功率为27mW【l 1(1(2、双包层光纤超荧光光源的研究 光纤超荧光以其诸多优点而得到广泛应用。然而，如上所述，由于常规单模光 纤超荧光光源输出功率较小而限制了其应用。二十世纪八十年代包层泵浦技术出现 以后，广大科技工作者开始致力于大功率双包层光纤超荧光光源的研究。 1990年，1N Duling等人报导了利用掺,矿+双包层光纤研制的宽带超荧光光纤 双程前向结构中得到的超荧光中心波长1(06?n，谱线宽度5nm，最大输出功率80row。 D 1993年，J Minelly等人由于采用双程前向光纤放大器光源，把超荧光功率提高到 了320mWll”1。实验采用掺N一+双包层光纤，内包层为矩形结构。得到的超荧光中心 波长1(058kun，谱线半高宽4(6nm。1998年，LGoldberg等人报导了基于掺Yb”双 包层光纤放大器的超荧光光纤光源【l“。实验中采用V型槽侧面泵浦技术，使超荧 共渗的双包层光纤超荧光光源的输出功率更是达到了1w?”，可以看出，包层泵浦 (4( 南开犬掌硪士攀位论文 第一章膏论 技术的应用大大提高了超荧光光纤光源的输出功率。 1(2(3、提高超荧光波长稳定性和线宽的研究 超荧光光纤光源良好的波长稳定性和较大的线宽是其作为光纤陀螺仪的低相干 性宽带光源所必须的，这也就成为超荧光研究的十分重要的方面。 提高超荧光光纤光源波长稳定性 光谱平坦化 的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 可以说是多种多样，但主 要有两种方法:内在平坦化技术和外部平坦化技术【1421。 内在平坦化技术主要是通过优化光纤长度来实现超荧光输出的光谱平坦化。 率和泵浦波长的依赖关系11“。对于掺Er3+光纤超荧光平均波长与泵浦功率的关系， 与光纤长度密切相关。如果掺Er3+光纤长度合适，平均波长将与泵浦功率无关，稳 定性非常好。 外部平坦化技术则是在原来的超荧光光纤光源的基础上加上均衡滤波器件来实 现的。均衡滤波器可以是光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅、甚至可以是一段掺Sm 光纤等等【1421。对于在双程前向和双程后向结构的掺Er3+光纤超荧光光源中，是选 用合适长度的掺Sm光纤还是选用光纤Bragg光栅锯齿滤波器来实现超荧光光谱的 平坦化的问题，ZC Liang进行了非常详细的研究比较【1捌。结果表明，光纤Bragg 光栅锯齿滤波器实现的双程前向超荧光光源既可以有较大的线宽又可以减小平均 波长对泵浦功率的依赖，明显优于用掺Sm光纤的情况， 此外，双级装置也是实现谱线平坦化和增大线宽的非常有效的方法， R Bao[14”、钱景仁【148I等都对此种装置的超荧光光纤光源进行 P(Espindolall4“、Yang Han 了研究。1999年，JuLee等人报道了基于光纤放大器的掺Er”光纤荧光光源， 输出的谱线宽度达到了80nm 1”1。 1(2(4、偏振超荧光光纤光源 高精度光纤陀螺的传感纤芯使用的是保偏光纤，要求入射的超荧光应为线偏振 光。从掺杂光纤中直接得到的超荧光是非偏振的，包含相互正交的两个偏 振态，为 使之变成线偏振光，一般是让超荧光通过,个偏振片来实现，但超荧光输出功率的 个集总式的偏振器，或直接采用单偏振的掺杂光纤 实际上是一个分布式偏振器 ， 把某个方向的放大的自发辐射部分地转换为垂直该方向的放大的自发辐射，并最终 输出偏振消光比很高的超荧光。这种偏振超荧光光纤光源在同一偏振态下的输出功 率几乎是不加偏振器时同样超荧光光纤光源的两倍。如果偏振器放在光纤的最佳位 置(其转换效率还将大大提高。 - - 南开大掌硬士掌位论文 第一幸培论 1(2(5、国内研究状况 虽然国内对超荧光光纤光源的研究起步相对较早，但直到最近才有了较为广泛 的研究报道。 1996年，王劫等人报导了对掺Nd3+氟化物玻璃光纤中双程前向超荧光的分析【l”】。 从实验上探讨了超荧光的输出特性、带宽特性和超荧光激发特性等。实验得到的超 5nm，中心波长795nm。 荧光输出功率为8mW，线宽7 1998年，钱景仁等人全部采用国产元件成功研制出掺Er3+光纤超荧光光源【1521。 针对自然荧光谱由于有尖峰结构造成的线宽过窄的问题，通过在原光源的输出端加 一段掺Er3+光纤，利用其在1(53?m附近的吸收峰，抑制了尖峰结构，扩展了线宽。 他们还对掺Er”光纤超荧光光源的物理过程进行了数值模拟，并给出了双程后向超 荧光光纤光源特性的理论分析【l”J。结果表明，在任意反射镜参数下，选取适当长 度的掺铒光纤，该结构总能实现不依赖于泵浦功率的波长稳定性:高稳定性的光源 输出信号带宽与反射镜参数密切相关，通过优化反射镜的参数该结构的超荧光光纤 光源具有较宽的频带宽度和较高的泵浦效率，在整体性能上明显优于其他结构的超 荧光光纤光源fl”】。最近，他们又提出并实现了一种新颖的前向泵浦双程 双级结构 的l55“m的超荧光光纤光源„”。通过恰当选择两段掺铒光纤的长度和两级泵浦 光功率的比值，同时实现了平均波长高稳定性和输出大功率化及宽度特性。与此类 似结构的超荧光光源在?gBao等人的论文中也有报道【l”】。 由于掺Yb”光纤中Y矿+离子能级结构简单，不存在对泵光或信号光的激发态吸 收和浓度淬灭效应，而且其吸收谱和发射谱都较宽，因而成为继掺E113+光纤后的又 一优秀掺杂光纤。最近，卢秀权等人研究了掺Yb”光纤中放大的自发辐射【l，”，描 述了正向和反向放大的自发辐射的差异以及ASE谱轮廓随泵浦功率、激活光纤长度 和泵浦波长等参量的变化，这些结果对于掺Yb”光纤器件如光纤激光器、放大器、 超荧光光源等光纤器件的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 有着重要的指导意义， 1(2(6、超荧光光纤光源的应用 超荧光光纤光源的应用主要是由其本身的特点所决定的。因为超荧光光纤光源 线宽大、输出功率高、稳定性好、寿命长、而且时间相干性低、空间相干性高，所 以被广泛应用于光纤传感器，特别是光纤陀螺仪[1(34l中。此外还可用于掺El’'+光纤 放大器的增益锁定七“、环境及生物医学九7I的研究、多波长光纤激光器的实现【15”、 光学层析照相 OCT 【l”喀等。 用于光纤陀螺仪的光源必须满足以下要求【l341: 误，光源至少有5nm的线宪，而且线宽越大越好， 2 为提高信噪比，一般要有较大刍勺单模输出功率。 -6( 南开夫掌硕士掌位论文 第一幸墙论 3 对温度、反馈等具有稳定的平均波长，是光纤陀螺的比例因子稳定的需要。 在现有的有关报道中‘1“1’4”，超荧光光纤光源都能满足以上要求，可用于光纤 陀螺仪中。 多波长光纤激光器可以在不改变光纤线路的情况下通过增加信道数大大提高 WDM光纤通信系统的通信容量，使之成为WDM系统光源的优良选择。在超荧 光 光纤光源的基础上也可以很方便地实现多波长光纤激光器，主要有以下两种方式: 一类是通过对超荧光光纤光源进行谱分割实现的(谱分割的概念最初是在1988 年由英国电信研究实验室提出的Il“。1993年美国贝尔实验室的研究人员利用 EDFA中40rim的ASE，使用3dB带宽为1 3nm的光滤波器模拟WDM分波器分割 光源，实现了17Gb,s的数据传输“”J。在2001年全国光电子器件与集成技术会议 基础上，由反射式光纤光栅滤波器分割超荧光光谱，获得了稳定波长输出的、窄线 宽的多波长光纤光源Il”I。 另一类基于超荧光光纤光源的多波长光纤激光器则是通过长周期光纤光栅 LPFG 实现的【l”l。长周期光纤光栅是一种新型的波长选择滤波器件，基本没有后 向反射，这使它在某些对后向反射要求严格的场合非常有用。台湾C’D(Su和 LAWang把两个级联的长周期光纤光栅插入双程后向结构的Er“光纤超荧光光源 中，获得了多波长的输出七”。长周期光纤光栅不仅起到了滤波器的作用，而且能 使功率重新分配，从而使这种方法得到的输出功率比利用谱分割技术得到的输出功 率在每个波长上都要大。在此基础上，通过插入另外一个单个的长周期光纤光栅， 使多波长光纤光源各波长间的功率差异大为减小:而对多波长光纤光源及长周期光 纤光栅热稳定性的研究则表明:多波长光纤光源的稳定性主要由长周期光纤光栅而 不是光纤的长度来决定的。 ?1(3外腔可调谐光纤激光器研究进展 光纤激光器的调谐方式有很多，如偏振调谐【1591、温度调谐吣“、色散棱镜调 谐【16“、腔损耗调谐[1(30l等等，其中研究最多、应用最广的则是基于光纤Bragg光栅 的调谐方法和由闪耀光栅实现的外腔调谐方法。由于光纤光栅与光纤间天然的兼容 性，用它可以很方便地实现全光纤的可调谐光纤激光器，目前已提出了多种光纤光 栅调谐 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 【l“】，如轴向拉伸和压缩调谐、侧压力调谐、磁调谐、悬臂梁调谐等。 外腔可调谐光纤激光器中，一般利用闪耀光摄直接反馈对谱线进行选择，以实 现可变波长的激光输出。这类激光器的关键在于外腔结构的设计。通常用的外腔结 6”。 构有三种:Litlman外腔【16”、Littroxx外腔„4I和双光栅外腔‘1 相比较而言，三种外腔结构各有优点和缺点: 1 就结构的复杂程度而言，Littrow结构最简单，只需要一个光栅反馈，也最 容易实现;Linman结构需要一个光栅和一个反射镜，需严格调节光束的平行与准 直及各元件的位置:双光栅结构需要两个光栅，除严格调节光路外，两个光栅的存 在也会增加调节外腔时的难度。 外界条件的变化可能引起的稳定性变化也大:同时损耗也会随腔长的变大而变大。 在其他条件不变的情况下输出功率将减小。 3 Littrow结构中，为使光栅一级衍射光反馈回光纤内，必须将光栅放置在由 第一个光栅一般要放置在掠入射状态，光束所覆盖的栅格比Litlrow结构中的多， 窄。双光栅结构是在Littman结构的基础之上，用一个光栅替换反射镜，而第一个 光栅仍放在掠入射状态。光经过了两个光栅的色散，输出线宽比Littman结构的输 出线宽更窄。 基于上述三种外腔结构的可调谐光纤激光器得到了广泛的研究。1986年， RJMeat对可调谐单模光纤激光器进行了理论和实验上的研究九”。通过对Littrow 外腔结构可调谐单模光纤激光器的实验研究，得到的掺Nd。光纤激光器的调谐范围 的线宽窄化现象作者也进行了探讨。 输出耦合镜，在1000nm,1086nm的范围内得到调谐的激光输出。 JC 2000年，N 激光器的调谐输出进行了实验研究i1„。针对Littrow结构中由于旋转光栅造成的输 出光束方向变化的问题，他们采用的一个450的二色镜，二色镜对790rim的泵浦光 高透，对289m附近的激光高反，从二色镜得到的后向输出光的方向不再变化。 窄线宽、可调谐、高输出功率的掺Yb”双包层光纤激光器可代替LD泵浦的固 67 1“1 1 体激光器应用于科研及工业中，从而近年来引起人们的极大兴趣?o 6„。 M 范围内得到了调谐的激光输出【l”l，调谐宽度达157THz。在整个的调谐范围内输 出线宽均在O6GHz左右，输出功率大于200mW。 在国内，1999年(上海光机所陈柏等人对于掺Ybo双包层光纤激光器的调谐 输出进行了初步的研究【l”J，采用调节腔损耗以调节阕值的方法实现了50nm的波 长调谐，步长约为2nm。利用石英中Yb”的能级结构和光谱特性，对于激光波长随 阈值的变化规律岜进行了定性分析。 (8( ?1(4论文的主要研究工作 本论文是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Yb”双包层光纤的研制” 的资助下完成的。 本文对双包层光纤超荧光光源进行了理论模拟，并对基于掺Yb”双包层光纤的 超荧光光纤光源以及外腔可调谐光纤激光器进行了实验研究。主要包括以下几个方 面的工作: 1、掺Yb”双包层光纤超荧光光源的理论分析及数值模拟 首先简单介绍超荧光光纤光源放大的自发辐射模型(然后给出了双包层光纤中 光功率的传输方程。结合光功率的传输方程和给定的掺Yb3+双包层光纤有关参数， 对掺Yb”双包层光纤超荧光光源的功率分布特性、增益分布特性以及超荧光光谱线 宽与输出功率 泵浦功率 的关系等进行了模拟。 结果发现，随着泵浦功率的增加，掺Yb’双包层光纤中的前向和后向传输功率 以及增益因子有明显的变化，超荧光输出光谱的线宽也逐渐变窄，且趋于一个常数。 2、掺Yb’双包层光纤超荧光光源的实验研究 采用两种不同内包层形状的掺Yb’双包层光纤作为增益介质，建立了用于实验 研究的双程前向超荧光光纤光源的实验装置，对超荧光光纤光源的有关特性进行了 实验研究。 采用俄罗斯产的方形内包层掺Yb3‘双包层光纤，在泵浦功率为2769mW时， 获得了中心输出波长1082nm、最大超荧光输出功率为54 2nm llmW、3dB带宽为17 的双程前向超荧光输出。 增益光纤改用国产的圆形内包层掺Yb“双包层光纤后，当泵浦功率为699mW 时，得到的双程前向超荧光光源的中心波长为10604nm，最大超荧光输出功率为 56 6row，3dB带宽为23nm。 在两种情况下，对于实验测得的超荧光输出功率与吸收泵浦光功率的关系都进 行了理论拟合，实验值与理论曲线符合的很好。高泵浦功率时，方形内包层光纤超 荧光光源的斜率效率为6935,，而圆形内包层的斜率效率则为13,; 实验中，两种情况下均发现，随着超荧光输出功率的增加。超荧光输出光谱的 3dB带宽逐渐变窄。分析认为这是由于光纤中能级展宽主要是均匀展宽造成的。 3、外腔可调谐掺Yb”双包层光纤激光器的实验研究 论文还对外腔可调谐掺Yb”双包层光纤激光器进行了实验研究。实验采用国产 双光栅等三种形式。对此三种可调谐掺Yb’双包层光纤激光器的输出特性分别进行 一9- 龠开大掌?士掌位论文 第一章培- ,e 了实验测量和结果分析。 由于光纤弯曲造成的感应双折射对光纤激光器的输出功率产生较大的影响，而 作为激光器输出耦合器的闲耀光栅是偏振敏感元件。因此，实验中采用光纤偏振控 制器减弱双折射的影响，实验结果得到明显的改善。 1 Littrow外腔可调谐光纤激光器的实验研究 首先在不使用偏振控制器的情况下，对激光器进行调谐实验，在 调谐曲线 的起伏很大。在使用偏振控制器的情况下，重新对激光器进行调谐实验， 得到的激光器调谐输出范围1040nm,1107 lnnpO2nm 6nm，调谐激光输出线宽在0 之间。此时的调谐曲线的起伏明显减小，偏振控制器的作用是非常明显的。 2 Littman外腔和双光栅外腔可调谐光纤激光器的实验研究 在使用偏振控制器的情况下，对激光器进行调谐实验。Littman结构外腔时调谐 输出范围1037 6nm-1097nm，调谐激光输出线宽?0 lnm;采用双光栅结构作为外 于01nm。 0 (1( 甫开大掌硕士攀位论文 第 章播Yb3+双包晨光纤趣受光光巍的理论研究 第二章掺Yb3+双包层光纤超荧光光源的理论研究 ?2(1超荧光光纤光源的基本原理和基本结构 2(1(1超荧光光纤光源的基本原理 迄今为止，常见的发光现象有激光、荧光和超荧光。这主要是由于对激光 介质激励程度的不同，从而使其处于不同的激发状态所导致【2l】。 1 弱激发状态:激励较弱，上下两个能级之间没有形成粒子数反转，工 作物质中只存在自发辐射荧光，并且工作物质对荧光有吸收作用。 2 反转激发状态:随着激励的加强，上能级粒子数逐渐增加，自发辐射 的粒子数逐渐增加，各自发辐射之间的相互作用也逐渐加强。激励继续增强， 上下两个能级之间形成粒子数反转，工作物质对荧光有一定的放大。在极强 的 相互作用下，粒子发光的“个性化”特征逐渐向相关一致的“共性”转化，单 个粒子独立的自发辐射逐渐变为多个粒子协调一致的受激辐射。若工作物质足 够长，高能态原子产生的自发辐射光在工作物质中传播时就会不断地被放大， 但由于不满足阀值条件，因而不能形成自激振荡，输出的是增益介质对自发辐 射的放大所产生的辐射，称为“放大的自发辐射” ASE 。如果泵浦足够强，在 增益介质中特定方向上的“放大的自发辐射”将大大加强，这种加强了的辐射 即为“超荧光”瞄“。 3 超阈值激发状态:若激励很强，增益介质的辐射放大增益完全抵消了 系统的损耗，此时，将形成自激振荡而产生激光。输出光中虽然仍包括放大的 自发辐射，但完全可以忽略。 光纤形式的超荧光原理是基于掺杂光纤中放大的自发辐射过程12“。当对掺 杂光纤进行泵浦时，光纤中的工作粒子由基态跃迁到激发态，由激发态驰豫到 亚稳态，并在亚稳态积累产生粒子数反转分布。同时在这过程中，亚稳态的粒 子要产生自发辐射，如果某个粒子自发辐射产生的光子，其辐射方向在光纤接 收角内，那么这个光子就有可能在光纤纤芯中传输，从而诱发更多亚稳态的粒 子产生受激辐射跃迁，产生与其完全相同的光子并得到放大。如果光纤中反转 粒子数密度达到足够大，也即光纤具有足够的增益 但不超过阑值 ，那么这种 光放大的过程就会得到迅猛的增长，这个过程产生的辐射即为“放大的自发辐 射”， 由于受激放大，使得自发辐射也具有了相当程度的空间相干性。采