掺铥大模场光纤设计及其放大特性分析

发布时间：2020-10-13 16:24

　　 2 μm掺铥光纤激光器由于具有更宽的调谐光谱,因此在窄线宽高功率输出方面具有更大的优势,在塑料材料的激光焊接、切割等领域也有着重要的作用。由于受激布里源散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)、交叉相位调制等非线性效应的影响,目前光纤激光器获得高功率窄线宽的输出还较为困难[1]。由于光纤的非线性效应与光纤的模场面积成反比,模场面积越大,非线性阂值越高[2],因此大模场掺铥光纤能够有效提升光纤激光器的输出功率及光纤放大器的转换效率。本文设计了一种具有较大模场面积的掺铥光纤,将其应用到光纤放大器中,并对放大器的特性进行了理论及仿真分析。论文主要工作如下:(1)针对非均匀布拉格光纤(Irregular Bragg Fiber,IBF)结构,对其模场分布进行了理论分析,研究了 IBF的6种结构。通过对光纤进行仿真,从光纤的半径及折射率两个角度来研究不同光纤结构对模场面积的影响,从而选出具有最优模场面积的光纤结构。(2)根据所设计光纤结构的特点,具体分析光纤参数对模场面积的影响并进行参数优化,主要是纤芯半径,折射率差,各层半径厚度比这三个参数,最后实现了模场面积为719 μm2的大模场掺铥光纤。根据光纤参数,分析所设计光纤的弯曲损耗及稳定性,结果表明所设计光纤具备实用价值。(3)根据铥离子能级结构特性,建立了 793 nm波长泵浦方式下的大模场掺铥光纤放大器理论模型。考虑掺铥光纤放大器的输出功率及放大器效率和SBS效应,利用设计的掺铥大模场光纤结合放大器理论模型进行仿真模拟。(4)通过与普通阶跃光纤进行对比,分别研究两种模场面积下光纤长度、放大器泵浦功率与输出功率的关系。当使用793 nm波长泵浦,泵浦光功率为100 W,Tm3+浓度为4.0X 1025m-3时,所设计的大模场面积光纤与普通阶跃光纤相比,转换效率提高5%,达到40%,输出功率为41.08 W。结果表明,大模场掺铥光纤能够有效提升掺铥光纤放大器输出效率,并且整个放大器系统具有较高的稳定性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

导致还难以工业化生产，也不利于大规模的商业使用，因此目前仍然处于实验??室研宄阶段。??Ｂｒａｇｇ光纤结构也能实现大模场面积光纤特性，如图１－１所示其具有高低交错??的折射率结构，芯区可以为空心或者实心的较低折射率介质，当光纤外包层折射率??与厚度满足条件时，光纤通过包层中周期性的高低折射率层的Ｂｒａｇｇ反射实现光??的传输，通过合理的参数设计，在要求的传输波段中，Ｂｒａｇｇ光纤中巧＾模的损耗??比其他模式更低，这样经过光纤传输，光纤中将仅存在基模，而其余的模式则被消??耗了，因此其单模工作波长很宽，同时，通过对高低折射率和光纤厚度等相关参数??的调整，可以实现具有较大模场面积的掺杂光纤［２（）］。??藝?，???????ｒ２?ｒｉ?ｒＡ?ｒＳ?ｒ６?ｒｉ??图１－１?（ａ）布拉格光纤横截面结构（ｂ）布拉格光纤径向折射率分布??Ｆｉｇ．?１－１?（ａ）?Ｓｅｃｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｂｒａｇｇ?ｆｉｂｅｒ?（ｂ）?Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ?ｉｎｄｅｘ?ｒａｄｉａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｂｒａｇｇ?ｆｉｂｅｒ??需要说明的是

１．２．１掺铥光纤放大器研究意义??ＭＯＰＡ结构系统主要包括两部分，即产生种子源的激光器和对激光功率进行??放大的光纤放大器，同时功率放大器部分也可以视情况来选择相应的级数，如图１－??２所示，通过把种子光和泵浦光耦合进放大器的增益光纤内，使得种子光得到放大，??能够得到高功率的激光输出。整个系统结构对于种子源的输出功率要求不高，只需??要能够连续稳定输出窄线宽的激光即可。而对于放大器部分，则要求能够输出高光??束质量，具有较高功率的信号光，因此需要所设计的大模场掺铥光纤具备优良的性??能。??Ｐｒｅ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ?Ｍａｉｎ－ａｍｐｌｉｆｉｅｒ??Ｉ?Ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?Ｐｕｍｐ?ｉ?Ｐｕｍｐ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??ｉ?ｉ??图１－２?ＭＯＰＡ结构示意图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＭＯＰＡ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??光纤放大器由于能够得到更高的功率，应用广泛，如在激光倍频上，也就是通??过非线性效应光纤放大器，根据强激光作用下的二次非线性效应，使得入射的基频??５??

北京交通大学硕士学位论文?大模场掺铥光纤放大器的理论分析??层的厚度等并没有过多限制。图２－１为ＩＢＦ结构示意图。??（？）??ｎ．???ｌｉｉｌｌｌｌ；?；：：；?ｆｆｌ－ｔ?Ｗｉ?；?：?：?：?Ｊｌｌｌｌｌｉｉｉ???图２－１?（ａ）?ＩＢＦ横截面结构示意图（ｂ）?ＩＢＦ径向折射率分布??Ｆｉｇ．?２－１?（ａ）?ＩＢＦ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?（ｂ）?ＩＢＦ?ｒａｄｉａｌ?ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ?ｉｎｄｅｘ?ｐｒｏｆｉｌｅ??理想的ＩＢＦ，是一种圆对称光波导并且其纵向横向均匀分布。传输的光场可以??如下表示［３２］：??＿?（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝?＿?（ｒ）ｅｘｐ〇ｗ＾）ｅｘｐ〇＇／？ｚ）ｅｘｐ（－７ｆｔ＞〇?（２－３）??／？为波导传输常数，ｍ对应贝塞尔方程的阶数，ｃｏ为真空中角频率，ｃｐ为初相角，??通过标量近似法来对光纤模式的分布进行求解，取横向场分量为ｅ／ｒ，的，在极坐??标系下，ＩＢＦ每层中都满足该层上的贝塞尔方程：??ｄ２ｅｖ?１?ｄｅｖ?．?－?．?ｍ２??￣ｐｒ?＋?一－Ｔ￣?＋?ｉＫｎｉ?￣Ｐ?—Ｔ＾ｅｙ?￣?＾?（２－４）??ｄｒ?ｒ?ｄｒ?ｒ??式（２－４）中，Ａ：０＝２；ｒ／Ａ，表示某个波长；ｌ在真空中传播的波数；ｍ对应贝塞尔??方程的阶数。横向场分布可以表不为：??ＫＵｉ＞Ｐｍ，?（２－５）??＼（ａｉＪｍ?（Ｗ）?＋?ｂ
【参考文献】

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本文编号：2839395