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基于掺铒光纤和光纤拉曼放大机理的光纤激光器实验与理论研究

作　者: 秦山
导　师: 何赛灵
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 多波长光纤激光器光放大器光纤拉曼放大器掺铒光纤放大器拉曼散射宽带光源增益竞争增益饱和均匀展宽
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着光纤通讯技术和光纤传感技术的发展，能够与光纤兼容的光纤器件得到了广泛而深入地研究，其中光纤激光器由于其成本低、结构简单、配置灵活和光纤兼容等方面的优点，以及在光纤通讯系统、光纤传感、光谱分析、微波信号产生等领域的潜在应用前景，吸引了广大研究者的兴趣。然而，由于目前用于光纤激光器的许多增益机制在功率转换效率、输出稳定性或者输出谱宽等方面都有各自不同的内在缺点，限制了它们的性能和应用。本文针对用于光纤激光器的两种不同增益介质——掺铒光纤和拉曼光纤，以掺铒光纤放大器为切入点，在深入研究了这两种光纤放大器的基础上，重点对以多波长为主的光纤激光器做了较为系统、深入的理论和实验研究。具体而言，从实验和理论两个方面系统地研究了掺铒光纤放大器；研究了多波长激光原理和多波长滤波器；研究了光纤拉曼多波长激光器；分析了它们各自的优缺点和存在的问题。在此基础上，提出了一种新型的、应用于多波长光纤激光器的掺铒光纤和光纤拉曼的混合增益机制。理论上预期，该机制能够使室温下掺铒光纤放大内在的增益竞争得到很好的抑制，因而可以获得稳定多波长运行，并且同时具有掺铒光纤的高功率转换效率、低激光器阈值的优点。最终通过实验实现了基于该增益机制的、室温下能够高稳定性、高信噪比、功率均衡运行的多波长光纤激光器。并在理论上进一步分析和模拟了该混合机制的实现机理，理论结论与实验结果一致。实验表明，该混合机制并不同于两种增益机制简单的组合。基于相同的原理，本文也实验研究了我们所提出的混合增益机制在主动锁模脉冲光纤激光器中的应用，实验结果说明该混合增益机制同样能够有效的抑制模式噪声。另外也介绍了与本文课题关系密切的一些实验研究和设备制作过程，如基于铋基掺铒光纤的宽带ASE(放大自发辐射)光源的制作。主要内容如下：首先在绪论中分别简要介绍了激光器、光纤激光器的历史和现状；重点介绍了多波长光纤激光器的发展历史和研究现状，特别对于掺铒光纤、拉曼光纤、半导体泵浦光源、谱滤波器等关键器件的研究现状作了综述；介绍了基于掺铒光纤放大、光纤拉曼散射、光纤布里渊散射和半导体光放大器等不同的增益机制的优点和缺点；最后讨论了多波长光纤激光器面临的问题。第二，系统地介绍了掺铒光纤放大器的基本理论；介绍和推导了掺铒光纤放大器的基本理论模型；介绍了掺铒光纤基本参数的测量测试方法；提出并实验研究了一种新型结构的低噪声、高增益掺铒光纤放大器；研究了铋基掺铒光纤的特性，实验研究了一种基于铋基掺铒光纤的宽带ASE光源。第三，对影响激光器多模振荡稳定的介质增益和损耗属性，如谱线展宽机制、增益饱和、模式竞争等概念，作了系统地分析；介绍了激光器多模振荡的速率方程；以Sagnac环形滤波器为代表，理论和实验分析了F-P谐振腔、谱滤波器等构成多波长光纤激光器的关键器件。第四，系统地从理论上介绍了光纤拉曼受激散射的增益机制，以及四波混频等非线性效应的影响，从半经典电磁理论出发，推导了它们的基本耦合方程，对一些重要的基本参数的测量方法和测试过程作了介绍，提出并实验研究了基于光子晶体光纤Sagnac环形滤波器的光纤拉曼多波长激光器。第五，该部分包括了本文的主要工作内容和主要创新点。实验比较了掺铒光纤和拉曼光纤增益特性的不同和对多波长激光器输出的影响；进而提出了基于掺铒光纤和光纤拉曼混合增益机制，进行了针对基于该混合增益机制的多波长光纤激光器实验研究，实验表明，该混合机制并不是两种放大器简单的组合，掺铒光纤在增益中起主导作用，而拉曼光纤对输出光功率的贡献要小很多；以已经获得的实验证据为基础，理论分析和模拟了该混合增益机制支持稳定多波长运行的机理，获得了与实验结果一致的结论；介绍了不同实验装置的设计和研究过程，并进一步提出了波长间隔可调、输出波长范围可控的的实验改进方法。第六、介绍了掺铒光纤和光纤拉曼混合增益机制在主动锁模光纤激光器的应用研究，实验证明该混合增益机制同样能够有效抑制掺铒光纤主动锁模激光器的超模噪声。最后，对本文的内容作了总结，分析了多波长光纤激光器的趋势，提出了展望，指出在拉曼增益特性等方面可能的研究方向。总之，本论文围绕多波长光纤激光器的研究热点问题，从理论和实验上研究了基于光纤拉曼和掺铒光纤混合增益机制、室温下稳定的多波长光纤激光器，我们相信这一成果能对科研生产起一定的指导作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
图表  8-15
第一章绪论  15-33
  1.1 引言  15-16
  1.2 激光器的发展与分类  16-21
  1.3 光纤激光器历史与现状  21-30
    1.3.1 总体概况  21-22
    1.3.2 光纤激光器的分类  22-25
    1.3.3 多波长光纤激光器的研究背景及现状  25-29
    1.3.4 主动锁模光纤激光器的研究概况  29-30
  1.4 本论文研究的主要内容及创新点  30-33
    1.4.1 本论文研究的主要内容及本论文的章节安排  30-31
    1.4.2 本论文的主要创新点  31-33
第二章掺铒光纤光放大的基本原理与实验研究  33-60
  2.1 掺铒光纤与受激辐射  33-38
    2.1.1 受激辐射的基本概念  33-36
    2.1.2 铒掺杂玻璃中的Er~(3+)光谱特性与能级结构  36-38
  2.2 掺铒光纤放大器/激光器的理论模型  38-44
    2.2.1 吸收截面与发射截面  38-39
    2.2.2 原子速率方程  39-42
    2.2.3 功率传输方程  42-43
    2.2.4 Giles简化模型  43-44
  2.3 掺铒光纤放大器的实验研究  44-53
    2.3.1 掺铒光纤特性参数及其实验测量方法  44-47
    2.3.2 EDFA的常见泵浦结构及其比较  47-49
    2.3.3 低噪声、高增益掺铒光纤放大器实验研究  49-53
  2.4 基于Bi-EDF的宽带ASE光源的制作与实验研究  53-58
  2.5 本章小结  58-60
第三章多模激光器原理及多波长滤波器的理论研究  60-81
  3.1 引言  60
  3.2 谱线展宽与模式竞争  60-67
    3.2.1 谱线展宽的机理  60-64
    3.2.2 线型函数  64-65
    3.2.3 增益饱和、增益竞争与烧孔现象  65-67
  3.3 多模振荡激光器速率方程  67-71
    3.3.1 考虑谱线展宽的速率方程  67-69
    3.3.2 考虑腔内光子数密度变化的速率方程  69-70
    3.3.3 多模振荡的速率方程  70-71
  3.4 F-P腔与多波长滤波器的理论研究  71-79
    3.4.1 法布里-泊罗滤波器  71-74
    3.4.2 Sagnac环形滤波器的理论研究  74-78
    3.4.3 马赫-曾德尔干涉滤波器  78-79
  3.5 本章小结  79-81
第四章光纤拉曼散射与多波长光纤拉曼激光器的理论与实验研究  81-107
  4.1 受激拉曼散射(SRS)的基本理论  81-97
    4.1.1 受激拉曼散射与受激布里渊散射  81-84
    4.1.2 光纤拉曼散射耦合方程  84-93
    4.1.3 拉曼散射光纤中其他非线性效应  93-97
  4.2 光纤拉曼特性参数及其测试方法  97-102
    4.2.1 光纤有效长度和阈值功率  97-98
    4.2.2 增益系数和拉曼增益  98-101
    4.2.3 吸收系数与增益系数的实验测试方法  101-102
  4.3 基于PCF Sagnac环形滤波器的多波长拉曼光纤激光器  102-105
    4.3.1 光子晶体光纤  102-103
    4.3.2 实验装置  103-104
    4.3.3 实验结果与讨论  104-105
  4.4 本章小结  105-107
第五章拉曼与EDF混合增益多波长光纤激光器的实验与理论研究  107-131
  5.1 引言  107-109
  5.2 拉曼与EDF交叉饱和增益特性比较  109-113
    5.2.1 实验装置  110-111
    5.2.2 实验原理与方法  111-112
    5.2.3 实验结果及分析  112-113
  5.3 多波长光纤激光器实验装置  113-114
  5.4 实验结果与讨论  114-117
  5.5 稳定性理论分析  117-124
    5.5.1 双模振荡稳定性的数值分析  118-121
    5.5.2 多模激光器稳定性的数值模拟  121-124
  5.6 波长间隔可调、输出范围可控的实现  124-129
    5.6.1 波长间隔可调的实现  124-128
    5.6.2 输出波段可控的实现  128-129
  5.7 本章小结  129-131
第六章拉曼与EDF混合增益在主动锁模激光器中的应用研究  131-136
  6.1 主动锁模的基本原理  131-133
  6.2 主动锁模激光器实验装置  133-134
  6.3 实验结果与分析  134-135
  6.4 总结和讨论  135
  6.5 本章小结  135-136
第七章总结与展望  136-139
  7.1 本论文工作内容的总结  136-137
  7.2 光纤激光器研究展望  137-139
参考文献  139-156
个人简历和攻读博士学位期间发表论文及专利情况  156-158
致谢  158

基于掺铒光纤和光纤拉曼放大机理的光纤激光器实验与理论研究

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