掺镱光纤发光特性及激光器研究

论文摘要

稀土离子掺杂的有源光纤激光器,由于其光束质量高、性能稳定、波长选择范围宽等特点,在发光照明、荧光检测、生物医学、工业焊接、传感、测距等诸多领域有着非常广泛且重要的应用。掺镱光纤由于其量子效率高、光束质量好等特点,基于掺镱光纤的激光光源一直都是科研领域研究的热点。本论文围绕掺镱光纤激光器,对掺镱光纤的发光特性以及激光特性,进行了系统的理论数值计算分析和实验研究。首先从镱离子自身特点、能级结构、发光特性、光纤结构及其激光器的研究进展进行了系统的分析介绍。然后,从理论上分析了掺镱光纤的基质特点、掺镱芯棒的制备方法、以及掺杂单模光纤的设计原理,并分析了掺镱光纤激光器模型及其脉冲和调谐的工作原理,为下面的实验和数值计算提供了有益的指导和分析。在上述的理论基础上,实验探索了纳米多孔玻璃的制备工艺流程,研究了纳米多孔玻璃的孔道、形态、比表面积等重要特征,首次提出了将其作为一种新型的掺杂基质合成不同特征分布的金纳米颗粒的方法,并利用金纳米颗粒的表面等离子体共振效应,实现了对镱离子荧光增强的调控,通过拉丝技术,成功制备了掺镱-金纳米颗粒的复合材料单模光纤。同时,基于多孔玻璃掺镱有源芯制备的灵活性以及掺杂的可控性,设计了一种可以单模运转的大模场三芯光子晶体光纤,模场面积高达41800μm2,将纳米多孔玻璃可高掺杂稀土离子的特点与多芯光子晶体光纤设计的灵活性充分结合,计算结果表明,纤芯中的高阶模转化为包层的泄露模损耗掉,而纤芯中只有同相位基模传输,从而确保了大模场结构下的单模传输特性。基于掺镱光纤高增益的特点,构建了重复频率为GHz的基模锁模掺镱光纤激光器数值模型,系统研究了激光锁模稳定性与腔参数的关系,包括激光增益、色散、激光腔输出百分比以及带宽,在这些结果上,进一步缩短腔长,计算并分析了重复频率高达20 GHz的基模锁模掺镱光纤激光器的稳定性区域。实验搭建了1190 nm掺镱光纤激光器和1150 nm拉曼光纤激光器,通过激光器级联的方法以及本实验室自制的掺钬光纤,搭建了掺钬光纤激光器,获得了1200 nm波长的激光,利用衍射光栅,搭建了两种波长可调谐的激光器结构,首次实现了掺钬光纤激光器在1177～1201 nm波长的激光输出。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 镱离子发光特点

1.3 掺镱光纤结构

1.4 掺镱光纤激光器

1.5 掺镱光纤激光器发展面临的技术难题

1.6 本论文研究内容

2 掺镱光纤制备及其激光器设计理论基础

2.1 掺镱光纤的基质

2.2 掺镱光纤制备方法

2.3 掺镱光纤单模传输设计

2.4 掺镱光纤激光器理论

2.5 本章小结

3 掺镱光纤的材料制备及其发光增强实验

3.1 掺镱纳米多孔玻璃制备实验

3.2 掺镱纳米多孔玻璃发光增强实验

3.3 掺镱纳米多孔玻璃光纤制备

3.4 本章小结

4 大模场掺镱光纤数值仿真

4.1 掺镱光纤大模场结构

4.2 掺镱TC-PCF的耦合模方程求解

4.3 掺镱光纤TC-PCF的选模

4.4 TC-PCF的制备

4.5 本章小结

5 高重复频率掺镱光纤激光器的数值仿真

5.1 理论模型建立

5.2 理论与实验分析

5.3 1GHz重复频率的负色散基模锁模区域

5.4 1GHz重复频率的正色散基模锁模区域

5.5 5-20GHz重复频率的基模锁模区域稳定性

5.6 本章小结

6 掺镱光纤激光器及1200nm波长可调谐激光器

6.1 1090nm掺镱光纤激光器

6.2 1150nm拉曼光纤激光器

6.3 1200nm波长的掺钬光纤

6.4 1200nm波长可调谐实验

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 马云秀

导师: 杨旅云

关键词: 镱离子,纳米多孔玻璃,大模场掺镱光纤,波长可调谐光纤激光器

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: TN248

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004954

总页数: 139

文件大小: 10245k

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