摻鐿光纖放大器及特高頻固體激光脈沖放大的研究

目錄

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第一章 緒論

第一章 緒論

1.1 引言

1.1 引言

1.2 光纖激光器件的應(yīng)用:

1.2 光纖激光器件的應(yīng)用:

1.3 光放大器的發(fā)展歷史

1.3 光放大器的發(fā)展歷史

1.4 幾種主要的摻雜光纖放大器

1.4 幾種主要的摻雜光纖放大器

1.4.1 摻鉺光纖放大器

1.4.1 摻鉺光纖放大器

1.4.2. 摻銩光纖放大器

1.4.2. 摻銩光纖放大器

1.4.3. 摻Pr光纖放大器

1.4.3. 摻Pr光纖放大器

1.4.4 鉺鐿共摻的光纖放大器

1.4.4 鉺鐿共摻的光纖放大器

1.4.5 不同摻雜光纖放大器放大波段

1.4.5 不同摻雜光纖放大器放大波段

1.5 摻雜光纖放大器的發(fā)展方向

1.5 摻雜光纖放大器的發(fā)展方向

1.6 寬帶摻雜光纖的發(fā)展

1.6 寬帶摻雜光纖的發(fā)展

參考文獻

參考文獻

第二章 摻鐿光纖放大器的基本理論

第二章 摻鐿光纖放大器的基本理論

2.1 鐿離子的能級結(jié)構(gòu)和發(fā)射，吸收譜

2.1 鐿離子的能級結(jié)構(gòu)和發(fā)射，吸收譜

2.2 摻鐿光纖放大器的發(fā)展方向

2.2 摻鐿光纖放大器的發(fā)展方向

2.3 摻鐿光纖放大器的研究進展

2.3 摻鐿光纖放大器的研究進展

2.4 摻鐿光纖的制備

2.4 摻鐿光纖的制備

2.5 雙包層摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)

2.5 雙包層摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)

2.6 光纖放大器的一些基本概念

2.6 光纖放大器的一些基本概念

2.7 摻鐿光纖放大器的其他元件

2.7 摻鐿光纖放大器的其他元件

2.8 摻鐿光纖放大器的關(guān)鍵技術(shù)

2.8 摻鐿光纖放大器的關(guān)鍵技術(shù)

2.9 摻鐿光纖放大器的基本原理

2.9 摻鐿光纖放大器的基本原理

參考文獻

參考文獻

第三章 摻鐿光纖放大器的理論研究

第三章 摻鐿光纖放大器的理論研究

3.1 雙波長泵浦下?lián)借O光纖放大器的研究

3.1 雙波長泵浦下?lián)借O光纖放大器的研究

3.1.1 理論分析

3.1.1 理論分析

3.1.2 數(shù)值分析

3.1.2 數(shù)值分析

3.1.3 結(jié)論

3.1.3 結(jié)論

3.2 雙程摻鐿光纖放大器的研究

3.2 雙程摻鐿光纖放大器的研究

3.2.1 引言

3.2.1 引言

3.2.2 理論分析:

3.2.2 理論分析:

3.2.3 數(shù)值模擬

3.2.3 數(shù)值模擬

3.2.4 結(jié)論

3.2.4 結(jié)論

3.3 四程摻鐿光纖放大器

3.3 四程摻鐿光纖放大器

3.3.3 數(shù)值分析

3.3.3 數(shù)值分析

3.3.4 分析與優(yōu)化

3.3.4 分析與優(yōu)化

3.3.5 結(jié)論

3.3.5 結(jié)論

3.4 級聯(lián)雙程摻鐿光纖放大器的增益特征和優(yōu)化

3.4 級聯(lián)雙程摻鐿光纖放大器的增益特征和優(yōu)化

參考文獻

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第四章 百兆赫高頻脈沖列的摻鐿光纖放大

第四章 百兆赫高頻脈沖列的摻鐿光纖放大

4.1 信號光耦合效率的測量

4.1 信號光耦合效率的測量

4.2 泵浦光耦合系統(tǒng)的設(shè)計要求

4.2 泵浦光耦合系統(tǒng)的設(shè)計要求

4.3 設(shè)計的泵浦光的耦合系統(tǒng)

4.3 設(shè)計的泵浦光的耦合系統(tǒng)

4.4 摻鐿光纖放大器的實驗裝置

4.4 摻鐿光纖放大器的實驗裝置

4.5 對連續(xù)光放大的實驗結(jié)果

4.5 對連續(xù)光放大的實驗結(jié)果

4.6 百兆赫茲脈沖列的放大

4.6 百兆赫茲脈沖列的放大

參考文獻

參考文獻

第五章 摻鐿光纖超熒光光源的實驗

第五章 摻鐿光纖超熒光光源的實驗

5.1 引言

5.1 引言

5.2 超熒光光纖光源的基本結(jié)構(gòu)和特征

5.2 超熒光光纖光源的基本結(jié)構(gòu)和特征

5.3 摻鐿光纖超熒光光源的理論描述

5.3 摻鐿光纖超熒光光源的理論描述

5.4 摻鐿超熒光光源的發(fā)展方向和進展

5.4 摻鐿超熒光光源的發(fā)展方向和進展

5.5 摻鐿超熒光光源的實驗

5.5 摻鐿超熒光光源的實驗

5.5.1 實驗一 1.7米左右的摻鐿光纖超熒光光源

5.5.1 實驗一 1.7米左右的摻鐿光纖超熒光光源

5.5.2 實驗二 9米左右的摻鐿光纖的超熒光光源

5.5.2 實驗二 9米左右的摻鐿光纖的超熒光光源

5.5.3 結(jié)論

5.5.3 結(jié)論

參考文獻

參考文獻

第六章 總結(jié)

第六章 總結(jié)

劉雁在攻讀博士期間發(fā)表論文目錄

劉雁在攻讀博士期間發(fā)表論文目錄

劉雁個人簡歷

劉雁個人簡歷

致謝

致謝

所有責任者: 劉雁著陸雨田指導

關(guān)鍵詞: 光纖維放大器激光放大器泵浦高頻脈沖列超熒光光源

語種: Chinese 漢語

分類: 中圖分類:TN722.3

論文專業(yè): 光學工程

論文授予機構(gòu): 中國科學院上海光學精密機械研究所

論文授予時間: 2007

載體形態(tài): 91頁

隨著大模場面積摻雜雙包層光纖和大功率半導體激光器(LD)的技術(shù)成熟，脈沖光纖放大器的研究也獲得了飛速發(fā)展，脈沖峰值功率越來越高。脈沖光纖放大器由于具有高光束質(zhì)量、便于熱管理、光纖輸出、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，正廣泛運用于軍事，精密加工、醫(yī)療、太空通信等多個領(lǐng)域。窄脈寬、高功率、高光束質(zhì)量的的脈沖光纖放大器已成為研究的重點。

04 年，英國的 Southampton 大學的 A.malinowski 等人報道了一種全光纖放大系統(tǒng)，以摻鐿光纖激光器為種子源，用兩級摻鐿雙包層光纖放大器進行放大，最后用光柵對壓縮，在 62MHz 時獲得了 110fs，400nJ 的脈沖。 2005 年，美國的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以調(diào) Q 的 Nd:LSB 微片激光器為種子源，通過雙包層摻鐿光纖和光子晶體光纖放大，圖 1.3 為實驗結(jié)構(gòu)圖，在10kHz 時，獲得了 1ns，1mJ 的脈沖。

2006 年 6 月，英國南安普頓大學的 J.Kim 等人利用 W 型纖芯結(jié)構(gòu)的雙包層光纖進行放大，實現(xiàn)了 53W，103ps 的脈沖輸出。

2007 年 A. Galvanauskas 又將 1~10ns 脈寬的種子脈沖信號經(jīng)雙級單模前置放大后，級聯(lián)兩級 LMA 摻鐿光纖放大器，獲得了 M約為 1.3，峰值功率超過 5MW的脈沖輸出。

國內(nèi)一些單位也開展了脈沖放大光纖放大器的研究。主要的研究單位有中科院上海光機所、清華大學、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。 2004 年，上海光機所的孔令峰等人用調(diào) Q 激光器做種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，在 20kHz 時放大到了 0.3mJ 的脈沖能量。 2005 年，清華大學的葉昌庚等人報道了一種脈沖泵浦的摻鐿光纖放大系統(tǒng)。以調(diào) Q 的 Nd:YAG 微片激光器為種子源，以摻鐿雙包層光纖為增益介質(zhì)，在 200Hz時，最大得到了 138.2μJ 的單脈沖能量，其脈沖寬度為 0.83ns。

綜上所述，國內(nèi)外脈沖高功率光纖放大器的實驗研究主要采用的還是分立元器件設(shè)計，不利于提高激光器的穩(wěn)定性。本文中將采用 MOPA 結(jié)構(gòu)設(shè)計全光纖脈沖放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了平均功率 2W、重復(fù)頻率 50KHz、脈沖寬度為 20ns 的窄脈沖激光輸出。

20 世紀 80 年代中期，光通信迅猛發(fā)展、光纖制造工藝以及半導體激光器生產(chǎn)技術(shù)日益成熟。特別是在 S.B.Poole 等人用改進的化學汽相沉積法制成了低損耗的摻鉺光纖后，摻雜光纖放大器和激光進入了一個快速發(fā)展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級結(jié)構(gòu)簡單，不存在對泵浦光或信號光的激發(fā)態(tài)吸收，轉(zhuǎn)換效率高，不存在濃度淬滅;且有較寬的吸收光譜和輻射光譜。因此摻鐿光纖放大器/激光器具有獨特的優(yōu)勢。但當時采用的摻雜稀土光纖是由纖芯和單一包層構(gòu)成，要求泵浦光必須直接耦合進直徑僅僅為幾微米的單模纖芯中，所以對泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以傳統(tǒng)的摻稀土元素的光纖激光器與放大器被認為只能是一種低功率的光子器件。

80 年代末，美國寶麗來提出了以雙包層光纖為基礎(chǔ)的包層泵浦技術(shù)，改變了光纖放大器只能作為一種小功率光子器件的歷史，為瓦級甚至更高功率的光纖放大器的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。雙包層光纖的研制成功以及包層泵浦技術(shù)的運用打破了光纖激光器/放大器輸出功率低的"瓶頸"，成為制作高功率光纖激光器與放大器的首選。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技術(shù)在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出;放大系統(tǒng)小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術(shù)獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。德國 Jena 大學 A. Liem 等人，以纖芯直徑 23μm 的大模場面積雙包層摻鐿光纖為增益光纖，利用注入種子光的功率放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了波長 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的激光輸出，相對注入抽運光功率的斜率效率達 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用與 20/400 雙包層大模面積(LMA)摻鐿光纖相匹配的(6+1)*1 合束器實現(xiàn)了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學郭占城等人利用 Nufern 生產(chǎn)的長度約為11m 的大模面積(LMA)摻鐿雙包層光纖(其芯徑 20μm ,數(shù)值孔徑為 0.06)，將 16mW 的種子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號光的優(yōu)良光譜特性。實驗中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨制了約 13°的傾角。

2006 年 Albert seifert 報道了一種波長為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經(jīng)過一個隔離器和二向色鐿后，有65mw的功率被耦合到6.2米的摻鐿雙包層光纖。D 型內(nèi)包層的數(shù)值孔徑隨溫度變化，室溫下為 0.35，液氮中為 0.22。光纖端面拋8 度角，第一級放大器輸出經(jīng)過一個窄的帶通濾波器以減小 ASE，然后耦合到第二級的冷卻的鐿纖。第一級的最大輸出功率為 2.8W,且信噪比達到 30dB。為達到更高的輸出功率，將第一級功率為 1.7W 的輸出作第二級放大，得到了 5W 的輸出功率，且仍有很高的信噪比。