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基于光栅反馈技术的掺铥光纤随机激光器

光子学报 2022年第11期51卷 117-123页

作者：朱德才胡耀宗周乐文黄昌清董新永广东工业大学信息工程学院广州510006 广东省信息光子技术重点实验室广州510006 中国计量大学光学与电子科技学院杭州310018

提出一种基于光栅反馈技术的掺铥光纤随机激光器。激光器采用半开腔设计,封闭端采用中心波长为1 940 nm的高反射率光纤光栅为激光器系统提供强反馈,增益介质采用1.5 m长的掺铥光纤,泵浦源采用793 nm半导体激光器,开放端采用光纤随机光... 详细信息

提出一种基于光栅反馈技术的掺铥光纤随机激光器。激光器采用半开腔设计,封闭端采用中心波长为1 940 nm的高反射率光纤光栅为激光器系统提供强反馈,增益介质采用1.5 m长的掺铥光纤,泵浦源采用793 nm半导体激光器,开放端采用光纤随机光栅提供随机分布反馈。该光纤随机光栅由飞秒激光逐点刻写技术制备,在10 cm单模光纤上刻写超过6 000个间距随机分布的折射率畸变点,以增强光纤的后向瑞利散射效应。实验测得中心波长为1 940 nm的随机激光输出,其泵浦阈值为2.33 W,在3.8 W泵浦功率下的输出功率为57 mW,光信噪比达56 dB。输出激光在1 h内的波长偏移量小于0.1 nm,功率变化约0.26 dB,具有良好的稳定性。

关键词：光纤激光器随机激光器掺铥光纤光纤光栅光栅反馈

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双包层掺铥光纤放大器中的受激布里渊散射

中国光学（中英文） 2024年第1期17卷 226-237页

作者：刘庆敏孙慧杰侯尚林雷景丽武刚晏祖勇兰州理工大学电气工程与信息工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学理学院甘肃兰州730050

理论分析了波长为2μm的掺铥光纤放大器中受激布里渊散射(SBS)对激光输出性能的影响,研究了双包层掺铥光纤在793 nm的泵浦波长和1.9~2.1μm的激光工作波段的光模分布、有效折射率、有效模场面积和归一化频率,数值计算了在1.9~2.1μm的... 详细信息

理论分析了波长为2μm的掺铥光纤放大器中受激布里渊散射(SBS)对激光输出性能的影响,研究了双包层掺铥光纤在793 nm的泵浦波长和1.9~2.1μm的激光工作波段的光模分布、有效折射率、有效模场面积和归一化频率,数值计算了在1.9~2.1μm的激光工作波段双包层掺铥光纤中的布里渊频移和布里渊增益谱等SBS特性。利用增益光纤中的受激布里渊散射理论模型,研究了受激布里渊散射对掺铥光纤放大器激光输出性能的影响。在DTDF-10/130双包层掺铥光纤中,使用功率为100 W、波长为793 nm的连续光作为泵浦,可对波长为2μm、功率为0.01 W的连续信号光进行放大。当泵浦光功率填充因子为0.01、0.02和0.03时,信号光的最大输出功率分别为25.27 W、31.08 W和34.06 W。对应的最佳双包层光纤长度为2.66 m、2.02 m和1.75 m,由受激布里渊散射产生的斯托克斯光功率分别为1.68 W、1.39 W和1.14 W。结果表明,在掺铥光纤放大器中使用泵浦光功率填充因子大的双包层光纤可以降低光纤长度,从而减小受激布里渊散射对信号激光输出功率的影响。本文的数值模型可以对光纤放大器的光纤长度进行优化,对提高实验效率、降低实验成本具有重要价值。

关键词：受激布里渊散射双包层掺铥光纤放大器

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掺铥光纤放大器的研究

掺铥光纤放大器的研究

作者：刘俊杰北京交通大学

学位级别：硕士

随着光纤通信技术的发展,特别是WDM/DWDM技术的日趋成熟,对于S波段及S+波段(1450nm～1520nm)光放大的需求日渐升高,而Tm的能级结构中存在满足S波段及S+波段光放大的能级跃迁。虽然铥离子的能级结构十分复杂,但是掺铥光纤放大器(TDFA)是... 详细信息

随着光纤通信技术的发展,特别是WDM/DWDM技术的日趋成熟,对于S波段及S+波段(1450nm～1520nm)光放大的需求日渐升高,而Tm的能级结构中存在满足S波段及S+波段光放大的能级跃迁。虽然铥离子的能级结构十分复杂,但是掺铥光纤放大器(TDFA)是S波段及S+波段最具潜力的激光放大器件之一,对于光纤通信系统的通信窗口向S波段及S+波段拓展具有十分重要的意义和价值。所以掺铥光纤放大器已经成为光纤通信器件新的研究热点之一。本论文重点对掺铥光纤放大器泵浦源激光器的输出光场强度分布以及经过单透镜和双透镜耦合后的光场强度分布进行了分析、仿真和比较;基于速率方程和传输方程分析了掺铥光纤放大器的性能,建立了数学模型并进行了大量模拟仿真,其主要工作和创新点如下: 1.概述铥元素的能级结构特点,对其光谱特性、掺铥光纤放大器的研究现状以及掺铥光纤放大器的系统组成结构进行了介绍,在此基础上对掺铥光纤放大器的泵浦方式进行了总结和比较。 2.研究了掺铥光纤放大器泵浦源激光器的输出光场强度分布,在此基础上理论推导了泵浦源激光器输出光束经过单透镜和双透镜耦合后的光场强度分布,根据理论分析结果进行了仿真并对仿真结果进行了分析和比较。结果表明,双透镜耦合后输出光束不会因为传输距离过大而导致光束分离,在相同的前提条件下双透镜耦合后输出光束的半径要远小于单透镜,即双透镜的耦合效果明显优于单透镜。 3.基于速率方程和传输方程对掺铥光纤放大器的泵浦方案进行了理论分析,建立了掺铥光纤放大器泵浦方案的数学模型,并求解了相应的数学方程,根据求解结果讨论了数学模型中各参数对掺铥光纤放大器性能的影响。 4.分别模拟仿真了氟化物玻璃和碲酸盐玻璃掺铥光纤放大器的输出信号增益特性,详细研究和分析了铥离子的掺杂浓度、光纤长度、泵浦功率等参数对放大器的输出信号增益特性的影响。仿真结果表明掺铥光纤放大器中,光纤长度、掺杂浓度和泵浦功率三者之间存在着匹配关系。当输出信号增益一定时,在相同光纤长度条件下,掺杂浓度越高,所需泵浦功率越低;在相同掺杂浓度条件下,泵浦功率越高,所需的光纤长度越短;在相同泵浦功率条件下,掺杂浓度越高,所需的光纤长度越短。

关键词：掺铥光纤光纤放大器透镜耦合速率方程传输方程信号增益

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掺铥光纤中光波群速度可控的研究

掺铥光纤中光波群速度可控的研究

作者：周婧婷辽宁大学

学位级别：硕士

物质生活水平的提高，使人们对网络技术的要求也越来越高，越来越多样化。人们希望网络速度要快，网络内容要丰富，通过网络可以在短时间内得到大量信息，因此，光-电-光网络传输系统的技术局限性不断凸显，全光网络的实现被提上日程，... 详细信息

物质生活水平的提高，使人们对网络技术的要求也越来越高，越来越多样化。人们希望网络速度要快，网络内容要丰富，通过网络可以在短时间内得到大量信息，因此，光-电-光网络传输系统的技术局限性不断凸显，全光网络的实现被提上日程，以便大幅度改善网络信息的传输、处理、储存等性能，而其中最为重要的概念是光缓存器。慢光技术是光缓存技术的前提，现阶段通过强色散可以实现慢光的技术有:相干布居振荡技术、电磁感应透明技术、受激布里渊散射技术、受激拉曼散射技术等。上述技术都是以K-K色散效应为基础，介质中的折射率随频率发生剧烈变化时，光波的群速度也将随之发生变化，从而实现光速的可控，产生慢光。本文主要介绍了掺铥光纤在相干布居振荡效应下实现慢光的过程。全文可分为如下的四个部分：第一章：叙述了光学和光速测量的发展过程，分析了实现慢光对实现全光网络、研制光缓存器的重要意义，之后着重介绍了实现慢光的方式，讨论了相干布居震荡(CPO)效应、受激布里渊效应(SBS)、受激拉曼效应(SRS)等实现慢光的优劣。经过对比，相干布居震荡(CPO)技术实现慢光对实验要求更低，光速可控范围更大，因而可应用性更好。第二章：首先说明了光速的四种定义，并对相速度与群速度进行了对比。着重讲解了K-K色散的定义与其对实现慢光的重要意义。K-K色散关系反映不同频率的光波在相同的介质中具有不同的折射率。利用K-K关系所表现出的折射率随着光的频率发生剧烈变化时，光波的群速度会发生变化的重要结论来实现光速的可控，实现慢光。第三章：通过相干布居振荡(CPO)效应实现慢光的机制原理，给出光谱烧孔出现的过程，及其在光速减慢过程中的重要性。第四章：在掺铥光纤中建立了光速减慢的理论模型，并用此进行初步仿真计算，给出初步的仿真结果。第五章：以理论模型为基础，分别讨论分析大信号和小信号情况下的光速减慢传输，对相对调制衰减及时间延迟等参量进行具体计算，同时讨论改变相互作用距离时，间延迟的变化。

关键词：慢光相干布居振荡效应掺铥光纤相对延迟

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掺铥光纤激光及放大实验研究

掺铥光纤激光及放大实验研究

作者：陆宝乐西北大学

学位级别：硕士

光纤激光器借以低阈值、高增益、光束质量好、效率高、输出波长多等优点,引起了广大科研工作者的广泛兴趣。2μm波段的激光属于人眼“安全光”,而且在其他领域也有着广泛的应用,如：激光雷达、激光测距、工业加工以及医学等领域,所以2μ... 详细信息

光纤激光器借以低阈值、高增益、光束质量好、效率高、输出波长多等优点,引起了广大科研工作者的广泛兴趣。2μm波段的激光属于人眼“安全光”,而且在其他领域也有着广泛的应用,如：激光雷达、激光测距、工业加工以及医学等领域,所以2μm光纤掺铥光纤激光器目前在国际上引起了科研人员的高度重视。本文围绕掺铥光纤激光器的理论和实验两方面进行了研究,主要工作如下： 1.从光纤激光器的基本理论和光谱结构出发,通过光纤激光器的速率方程、功率传输方程以及边界条件,分析了输出激光功率与泵浦光功率的关系,并进行了模拟仿真计算,同时对不同掺杂浓度和不同光纤长度掺铥光纤激光器的功率分布进行模拟仿真,从而得出增益光纤的长度对吸收泵浦光的影响规律。 2.通过掺铥光纤激光器F-P腔实验,对793nm高功率激光二极管泵浦源的输出功率和光谱特性随着温度的变化及其影响进行了研究;同时进行了2μm激光光谱特性实验研究,并分析其输出功率的变化情况。 3.采用高功率激光二极管（LD）作为泵浦源,掺杂浓度较高的掺铥光纤作为增益介质,光纤光栅作为光纤激光器中的反射镜形成谐振腔,对高功率2μm掺铥光纤激光器进行了实验研究,得出掺铥光纤激光器的阈值约为5W,最高输出功率为30W。通过对掺铥光纤激光器的初步放大实验研究,我们了解到如果光纤的耦合问题及光纤本身的散热问题得以解决,那么2μm掺铥光纤激光器的高功率输出就比较容易实现。

关键词：掺铥光纤 2μm 光纤放大器光纤光栅

高功率掺铥光纤激光放大器和振荡器关键技术研究

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高功率掺铥光纤激光放大器和振荡器关键技术研究

作者：时文龙北京交通大学

学位级别：硕士

高功率连续掺铥光纤激光器因其独特的波长优势可以广泛应用于生物医学、激光探测与传感、激光工业加工、国防军事等领域,还是产生3～5μm激光的优良泵浦源。随着市场需要,对2μm激光器的功率和性能要求也越来越高。本论文就是建立在对... 详细信息

高功率连续掺铥光纤激光器因其独特的波长优势可以广泛应用于生物医学、激光探测与传感、激光工业加工、国防军事等领域,还是产生3～5μm激光的优良泵浦源。随着市场需要,对2μm激光器的功率和性能要求也越来越高。本论文就是建立在对高功率掺铥光纤激光器现状的基础上,探寻高功率掺铥光纤激光器的关键技术。对此研究了:(1)对掺铥光纤激光放大器进行理论分析。建立了掺铥光纤放大器的理论模型,并对模型进行理论计算,分析了不同泵浦结构,不同泵浦功率,不同掺铥浓度,不同信号光功率对掺铥光纤放大器输出功率的影响。从仿真结果可以得出后向泵浦输出功率最高,前向泵浦输出功率最低,根据仿真结果,结合实验室现有器材选择泵浦源为50W,光纤长度为2m此时仿真可得6.5w理论输出结果。并对光纤激光器热效应进行分析得出泵浦源为50W和30W光纤长度为3m的情况下光纤轴向和径向的分布情况。(2)对掺铥光纤激光放大器初步进行实验搭建和结果分析测得掺铥光纤放大器的输出波长为2007nm,线宽为0.26nm,在输入为40W时得到输出功率为4.78W,斜率效率为12.5%。对掺铥光纤激光放大器进行偏振度测量,得到结果为17.9d B。对半小时功率稳定性进行测量得到放大器的稳定度为1%,回光在承受范围之内。(3)对掺铥光纤激光放大器继续放大进行理论研究和方案设计,对继续放大时需要考虑的问题如模场适配问题,光纤端面问题,大芯径光纤处理问题进行研究。并设计两级双向泵浦放大方案,对MOPA放大方案中每一级的输出功率特性进行计算,计算结果显示第二级放大功率可达651.52W,三级放大功率可达1292W,符合预期目标。(4)对高功率掺铥光纤振荡器进行实验搭建和结果分析测得在不同温度下的输出功率进行研究,发现在一定的水冷温度范围内随着温度的降低,输出功率和斜率效率上升,且最佳温度为14C,此时泵浦功率为38.2W,输出功率为4.8W,斜率效率为17.7%。对振荡器光谱进行测量,发现随温度升高波长向长波长方向移动,对稳定性进行测量,稳定度为1.5%,且继续提升泵浦功率输出功率会继续升高。

关键词：掺铥光纤放大器高功率掺铥光纤振荡器掺铥光纤

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提高掺铥光纤中光速减慢传输相对时延的研究

提高掺铥光纤中光速减慢传输相对时延的研究

作者：李佳辽宁大学

学位级别：硕士

光纤通信技术快速的发展,使得慢光的研究已成为研究的热点话题。在光纤中实现慢光传输有着可控性、易实现等一些优势。本文主要利用了相干布居振荡技术,在掺铥光纤中实现了光波群速可以减慢的传输,通过建立理论模型并进行数值仿真计算,... 详细信息

光纤通信技术快速的发展,使得慢光的研究已成为研究的热点话题。在光纤中实现慢光传输有着可控性、易实现等一些优势。本文主要利用了相干布居振荡技术,在掺铥光纤中实现了光波群速可以减慢的传输,通过建立理论模型并进行数值仿真计算,同时进一步讨论了在掺铥光纤中如何提高光速减慢传输的相对时延,这个参数可以表征介质对于信息的存储能力。本文主要内容:第一章:介绍了慢光研究的背景和意义以及几种实现慢光的方法。第二章:主要介绍了光的相速度(Phase velocity)、光的群速度(Group velocity)和Kramers-Kronig色散关系的基本理论。第三章:介绍了相干布居振荡技术的基本理论,并对探测光的吸收和折射率进行了初步讨论。第四章:从铥离子的速率方程出发,并结合传输方程,得到了掺铥离子基态粒子数、信号光延迟和相对时延的解析表达式。同时对掺铥光纤的时间延进行了数值仿真计算,讨论了不同长度条件下,掺铥光纤亚稳态粒子数振荡与时间延迟的关系;讨论了不同入射信号光功率条件下,掺铥光纤亚稳态粒子数振荡与时间延迟的关系;讨论了不同泵浦光功率的条件下,掺铥光纤亚稳态粒子数振荡与时间延迟的关系;讨论了不同掺杂浓度条件下,掺铥光纤亚稳态粒子数振荡与时间延迟的关系。对如何提高掺铥光纤中慢光传输的相对时延进行了深入研究,研究分析可知:在选择高掺杂浓度的光纤,光纤长度比较长,增大入射信号光功率以及选择适当的泵浦光功率可以得到更大的时间延迟,也能够有效提高相对时延。同时讨论了最佳调制频率与各个参量的变化关系。

关键词：相对时延掺铥光纤慢光相干布居振荡

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室温掺铥光纤介质中光波群速度可操控的研究

室温掺铥光纤介质中光波群速度可操控的研究

作者：王丽波辽宁大学

学位级别：硕士

光速减慢和超光速是光波群速度在介质中传的两种表现形式。光速度的探索与测量十分有价值,发展潜力非常可观。光速控制在光学、材料学、现代通讯等领域成为探索的热门。光速减慢传输和超光速传输现象作为一个新的研究对象,从理论、实验... 详细信息

光速减慢和超光速是光波群速度在介质中传的两种表现形式。光速度的探索与测量十分有价值,发展潜力非常可观。光速控制在光学、材料学、现代通讯等领域成为探索的热门。光速减慢传输和超光速传输现象作为一个新的研究对象,从理论、实验和实际应用等方面还有许多不足和有待研究的新方向、新问题。为了理解光速减慢或超光速在介质中传输的过程,给出了群速度的定义及色散关系,并详细地论证了相干布局振荡技术的基本原理;重点对掺铥光纤中所实现光波群速可控的可行性进行分析讨论;建立群速可控的理论模型并进行数值模拟仿真计算,并以此指导实验研究,从而为光缓存器等技术的研发提供理论依据。对掺铥光纤中光速减慢传输的影响因素进行了探讨分析,讨论了相互作用距离不同时,不同信号光强度下光速减慢的时间延迟与调制频率的关系;探讨了大信号光强度和小信号光强度下,在泵浦光强度不同的条件下超光速的时间超前与调制频率的关系;分析讨论了掺铥光纤浓度对光脉冲群速度的影响。通过理论分析得出：增大相互作用距离并对入射信号光强度进行优化选择可以进一步提高时延;超光速存在饱和效应,增强入射信号光强度并对泵浦光强度进行优化选择可以获得较大时间超前和相对超前;不同的掺铥离子浓度对时延和超前有重大的影响。

关键词：相对时延掺铥光纤慢光超光相干布局振荡

基于溶胶-凝胶法制备的大芯径掺铥光纤脉冲激光器研究

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基于溶胶-凝胶法制备的大芯径掺铥光纤脉冲激光器研究

作者：任艳上海交通大学

学位级别：硕士

2μm脉冲激光由于在材料加工、远程遥感、自由空间光通讯、中红外超连续产生等方面具有重要的潜在应用而受到国内外广泛的关注。掺铥光纤激光器是产生2μm脉冲激光的理想选择,一方面光纤激光器具有结构紧凑、输出光束质量好、易于散热... 详细信息

2μm脉冲激光由于在材料加工、远程遥感、自由空间光通讯、中红外超连续产生等方面具有重要的潜在应用而受到国内外广泛的关注。掺铥光纤激光器是产生2μm脉冲激光的理想选择,一方面光纤激光器具有结构紧凑、输出光束质量好、易于散热等特点,另一方面,在高掺杂情况下相邻两个铥离子间存在交叉弛豫,使得理论量子转换效率大于100%。目前报道的掺铥光纤脉冲激光器由于采用小芯径光纤作为增益光纤,输出的能量都比较低。本论文我们通过合作制备了基于溶胶-凝胶法结合高温烧结工艺的大芯径掺铥光纤,系统地研究了该新型光纤的连续激光、调Q激光和锁模激光性能,主要研究内容如下:1.首先我们对溶胶-凝胶法制备的不同长度新型光纤进行了连续激光性能研究。研究结果表明,增益光纤长度为4 m时谐振腔具有最佳的激光性能,最高的斜效率达到18.85%,输出的连续功率达到1.62 W。2.其次我们对4 m长溶胶-凝胶法制备的大芯径掺铥光纤进行了调Q脉冲激光性能研究。分别以半导体可饱和吸收镜(SESAM)与机械剥离的黑磷可饱和吸收体(BP SAM)为被动调Q开关,在1955 nm波长实现了最大平均功率、最短脉冲宽度、最高单脉冲能量分别为1024 mW、2.04μs、21.36μJ和615 mW、660ns、11.72μJ的脉冲激光输出。3.最后我们对4 m长溶胶-凝胶法制备的大芯径掺铥光纤进行了锁模激光性能研究。以SESAM为锁模器件,在1954 nm波长实现了平均功率1 W,脉冲宽度23.9 ps,单脉冲能量43.1 nJ的高功率皮秒锁模脉冲输出。由于溶胶-凝胶法制备的大芯径掺铥光纤具有高的离子浓度掺杂均匀性,可有效避免稀土离子团簇与浓度猝灭效应。这种新型光纤可支持大能量、高光束质量2μm脉冲激光的产生。和已有的掺铥光纤激光器相比,我们的实验结果表明溶胶-凝胶法制备的大芯径掺铥光纤在2μm脉冲激光方面具有重要的应用潜力。

关键词：溶胶-凝胶法掺铥光纤调Q 锁模高功率脉冲激光