摘要：作为第三代激光技术的代表，光纤激光器以其小巧质轻的结构、低廉的制造成本、较高的可靠性和稳定性等优点在激光医疗、光纤传感、光谱浅析、机械加工等多个领域中发挥着至关重要的作用。在光纤激光器的众多成员中，环形腔掺铒光纤激光器因其腔长较长以而能获得较窄线宽和较高功率，它在现代工业的诸多领域具有广阔的运用前景。然而，随着科学技术的飞速进展，人们已不满足于现有光纤激光器的性能指标，许多领域都对激光的光束质量（单色性和方向性）提出了更高的要求，单纵模光纤激光器应运而生。一般激光器输出激光都是多纵模甚至是多谱线的，单纵模激光则要求只含有一个纵模，其他纵模被有效抑制掉，这就需要探讨人员在现有光纤激光器的基础上提出新型的结构或策略来实现单纵模输出。本论文正是基于上面陈述的探讨背景提出设计一种带饱和吸收体结构的环形腔掺铒光纤激光器，通过软件仿真优化环形腔掺铒光纤激光器的性能并探讨饱和吸收体对激光器输出性能的影响，再通过实验方式实现该结构激光器的单纵模激光的输出和测量。除了必要的探讨背景和作用的阐述，本论文做了以下几个方面的探讨：1.本论文以铒离子的能级结构入手推导了三能级速率方程，得到了满足粒子数反转的条件。利用简化的铒离子二能级结构，推导了环形腔掺铒光纤激光器的阈值泵浦功率、斜率效率和输出功率方程。浅析了该结构激光器的工作特性和输出功率特性，指出输出耦合器分光比和掺铒光纤长度是决定输出性能的两个重要参数，且它们都有着一个最优值。本论文还介绍了三种实现光纤激光器单纵模输出的策略，并重点浅析了饱和吸收体法的原理，在此基础上，提出了带饱和吸收体的环形腔掺铒光纤激光器结构。2.本论文运用光学设计软件OptiAmppfier对未加饱和吸收体的环形掺铒光纤激光器进行仿真，设置泵浦功率130mw，掺铒光纤长2m，耦合器分光比为70/30后运转软件得到了中心波长在1556nm，3dB带宽为1nm，边摸抑制比约为75dB的输出激光光谱图及输入输出曲线。通过软件的数学优化功能得到了掺铒光纤最优长度为2.5m，耦合器最优分光比为90/10，以而证明了论述推导的正确性。在设置优化后的参数运转软件后发现激光器最大输出功率提升了5.08mw，斜率效率提升了2.89%，优化效果显著。3.本论文通过仿真还探讨了加入饱和吸收体后的光纤激光器性能的变化，发现相同设置时，加入后比加入前输出性能变差：输出阈值由8.65mw增至13.95mw，最大输出功率由46.366mw降至40.439mw，斜率效率由24.23%降至21.74%。还发现加入饱和吸收体后掺铒光纤和耦合器分光比的最优值没有变化，仍为2.5m和90/10，当泵浦功率为200mw时，输出激光中心波长、3dB带宽不变，边摸抑制比约为55dB。本论文分别用2m、4m、5m长的饱和吸收体比较探讨发现长度越长，激光器的阈值越高，而饱和吸收体长度对最大输出功率和斜率效率的影响不大。用91024m3、1.81025m3和2.71025m3这三种不同浓度的饱和吸收体比较探讨发现浓度越高，激光器的阈值越高，浓度的变化对最大输出功率和斜率效率这两个指标的影响不大。4.本论文还对设计的环形腔光纤激光器进行实验探讨，根据实验室条件，采取一段5m长掺铒光纤作增益光纤，一段2m长未泵浦掺铒光纤作饱和吸收体以及70/30分光比的耦合器等器件搭建光纤激光器。当泵浦功率以0mw增加至200mw，测得激光器阈值为71.78mw，输出的激光功率为2.09mw，斜率效率为1.63%。用光谱仪测得泵浦功率为200mw时的激光输出光谱，中心波长为1556.14nm，3dB带宽为0.07nm，边摸抑制比约为60dB，观察2小时以上功率稳定，波长基本没有漂移。用7.5GHz的扫描干涉仪观测到了清晰稳定的单纵模图像。实验证明了本论文所设计的带饱和吸收体的环形掺铒光纤激光器原理正确，结构设计合理，利用饱和吸收体法和扫描干涉仪法输出和测量单纵模激光具有可行性和可操作性。关键词：环形腔论文光纤激光器论文饱和吸收体论文单纵模论文掺铒光纤论文
摘要4-6
ABSTRACT6-12
第1章 绪论12-18
1.1 光纤激光器的起源和进展历程12-13
1.2 光纤激光器的分类13-14
1.3 光纤激光器的优势14-15
1.4 单纵模光纤激光器的进展历程15-16
1.5 论文的主要探讨内容16-18
第2章 单纵模环形掺铒光纤激光器的设计原理18-34
2.1 掺铒光纤激光器原理18-23
2.1.1 光纤激光器的基本组成与工作原理18-19
2.1.2 掺铒光纤中铒离子的能级结构19-20
2.1.3 三能级速率方程组20-23
2.2 环形谐振腔及其特性23-27
2.2.1 环形腔介绍23-24
2.2.2 环形腔掺铒光纤激光器工作特性浅析24-25
2.2.3 环形腔掺铒光纤激光器输出功率特性浅析25-27
2.3 光纤激光器的单纵模输出策略27-30
2.3.1 短腔法28
2.3.2 多环形腔结构选模法28-29
2.3.3 饱和吸收体法29-30
2.4 掺铒光纤中驻波干涉原理和方式选择原理30-34
2.4.1 驻波干涉原理30-32
2.4.2 方式选择原理32-34
第3章 环形腔掺铒光纤激光器的软件仿真34-54
3.1 仿真软件介绍34
3.2 不加饱和吸收体时激光器仿真探讨34-45
3.2.1 仿真结构图与参数设置35-39
3.2.2 输出光谱与输出曲线特性浅析39-41
3.2.3 激光器部分重要参数优化41-45
3.3 加入饱和吸收体后激光器仿真探讨45-54
3.3.1 加入饱和吸收体后的激光器仿真结构45-46
3.3.2 加入饱和吸收体对输出特性影响46-48
3.3.3 饱和吸收体长度对输出性能影响48-50
3.3.4 饱和吸收体浓度对输出性能影响50-54
第4章 环形腔掺铒光纤激光器单纵模输出实验探讨54-64
4.1 单纵模的判别策略与原理54-57
4.2 F-P扫描干涉仪的测量策略57
4.3 实验的搭建和测试57-64
4.3.1 实验结构与实验器件参数说明57-59
4.3.2 激光输出与光谱浅析59-61
4.3.3 单纵模输出及测量61-64
第5章 总结与展望64-66
5.1 全文总结64-65
5.2 工作展望65-66
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