双包层掺镱光纤

2013年1月重庆师范大学学报（自然科学版）Jan．2013第30卷第1期JournalofChongqingNormalUniversity（NaturalScience）Vol．30No．1

DOI：10．11721/cqnuj20130120

掺镱（Yb3+）双包层光纤激光器的数值分析*

徐向涛，戴特力，梁一平，王定举，范嗣强，张鹏

（重庆师范大学物理与电子工程学院，光学工程重点实验室，重庆400047）

摘要：通过对速率方程的求解，得到了掺Yb3+双包层光纤激光器的输出功率表达式Pout=（1－R2）R槡1·Ps，sat（1－R1）R槡2+（1－R2）R槡1·

（1－exp（ξ））νsνp·P+p（0）+P－p（L）Ps，sat－（NΓsσas+αs）L－ln1R1R槡2()[]。利用Matlab软件对其进行了数值模拟，分析了泵浦波

长、泵浦功率、光纤长度、光纤掺杂浓度、输出腔镜对激光器输出功率的影响。结果表明，用915nm和975nm进行泵浦时

所需的最佳光纤长度是不相同的，掺杂浓度对光纤长度的最佳值也存在影响，输出腔镜的反射率应尽量小，合理地最优化

系统参数能使掺Yb3+双包层光纤激光器输出功率达到最优。

关键词：光纤激光器；速率方程；Yb3+掺杂；数值分析

中图分类号：TN248．1文献标志码：A文章编号：1672-6693（2013）01-0091-04

随着高功率半导体激光器（LD）泵浦技术和双包

层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率已经

由最初的几百毫瓦上升到了数千瓦水平［1-2］。与传统

固态激光器相比，光纤激光器具有阈值低、光束质量

好、热管理方便、结构紧凑等优点，在工业、军事国防及

医疗等领域有着广泛的应用前景［3-8］。

光纤激光器采用掺稀土元素（钕、镱、铒、铥、钬

等）光纤作为增益介质，其中Yb3+离子量子转换效率

高、无激发态吸收、无浓度淬灭，并且具有很高的吸收

截面、较宽的吸收光谱（800～1100nm）以及较宽的发

第４３卷第２期　

Ｖ０１．４３　ＮＯ．２　红外与激光工程　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｅｎ￣ｉｎｅｅｒｉｎ　２０１４年２月　Ｆｅｂ．２０１４　

全光纤化高功率线偏振掺镱脉冲光纤激光器　

王立新１，２，蔡军　，姜培培。，沈永行。　

（１．北京理＿Ｙ－大学光电学院，北京１０００８１；２．光电信息控制和安全技术重点实验室，　

河北燕郊０６５２０１；３．浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江杭州３１００２７）　

摘　要：建立了双包层调Ｑ光纤激光器的速率方程，并利用一个全光纤化的声光调Ｑ光纤激光器作　

为种子源，双包层掺镱保偏光纤作为增益介质，研制了一个全光纤化的高功率线偏振掺镱脉冲光纤激　

光器。在泵浦功率３８．４ｗ，偏振种子激光功率０．６Ｗ，重复频率４０ｋＨｚ，脉冲宽度为３０ｎｓ时，获得了偏　

振激光输出２９．８Ｗ，偏振消光比大于１０　ｄＢ。在高功率输出时，激光光束质量因子（　）达到了１．３２。　

关键词：线偏振；　脉冲掺镱光纤激光器；　全光纤化　

中图分类号：ＴＮ２４８．１　文献标志码：Ａ　文章编号：ｌ００７—２２７６（２０ｌ４）０２—０３５０—０５　

Ａｌｌ　ｆｉｂｅｒｉｚｅｄ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｌｉｎｅａｒ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｐｕｌｓｅｄ　

ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ｌａｓｅｒ　

Ｗａｎｇ　Ｌｉｘｉｎ　一，Ｃａｉ　Ｊｕｎ　，Ｊｉａｎｇ　Ｐｅｉｐｅｉ　，Ｓｈｅｎ　Ｙｏｎｇｈａｎｇ。　

（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｏｐｔｉｃａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｙａｎｊｉａｏ　０６５２０１，Ｃｈｉｎａ　３　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｍ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ）　

南开大学

硕士学位论文

掺镱光纤激光器的研究

姓名：***

申请学位级别：硕士

专业：光学

指导教师：***

摘要

厂

f光纤激光器、光纤放大器在光纤通信、传感和测量上有着巨大的应用

前景。

但f 统的泵浦技术很难将高功率的多模泵浦光藕合到单模的纤芯中去，因此很难

做出高功率的光纤激光器和高放大倍数的光纤放大器。而包层泵浦技术解决了单

模光纤泵浦效率低的问题。因而双包层光纤激光器、放大器引起人们越来越

多的

重视y

本文介绍了包层泵浦技术在光纤通信中的最新应用，并且展望了包层泵

浦技

术中要解决的关键性技术问题。重点进行了掺镱双包层光纤激光器的实验和

理论

研究；掺镱单包层光纤激光器的实验研究，具体内容如下：

1．双包层光纤激光器的理论分析．

1 掺镱双包层光纤激光器的激光输出特性的数值模拟j

阐用泵浦光和激光在双包层光纤中的前后向传输方程，我们用数值法分

析了

掺键双包层光纤激光器输出激光的特性，其中包括前后向传输的泵浦光能量

沿着

光纤方向的变化与光纤损耗的关系、激光腔内前后向泵浦光沿着光纤长度方

向上

的变化与谐振腔结构的关系、沿着光纤长度方向变化的激光增益与光纤损耗的关

系、激光输出特性与不同损耗的光纤的关系、在不同的注入泵浦功率条件下激光

输出功率和光纤损耗的关系、在不同的注入泵浦功率条件下激光输出功率与

光纤

长度的关系、以及在不同注入泵浦功率和光纤损耗条件下输出激光功率和输

出、

输入腔镜反射率的关系。广7一

2 对双包层光纤激光器吸收特性的讨论，采用新的模型导出了双包层

光纤

的有效吸收系数的表达式；

3 利用二维射线光学分析方法分析了内包层形状对吸收效率的影响．

2．掺镱单模光纤激光器的实验研究．

1 采用布拉格光纤光栅，研制出了全光纤线形腔掺镱光纤激光器，并

得

到了窄线宽、高斜率效率和稳定的激光输出；阪现掺镱光纤长度对激光输出

特性

有很大的影响。在泵浦激光功率为80mW的条件下，当掺镱光纤长度为9m

GB/T 28504.2—20XX

6

附录 A

（规范性附录）

内包层直径试验方法

A.1 概述

本方法适用于双包层掺铥光纤内包层直径的测试。

双包层掺铥光纤内包层形状涉及多种多边形，应根据被测光纤内包层实际情况对其内包层直径进行测

试。

当双包层掺铥光纤内包层为N（N＞3）边形时，取任意连续不同的三条边进行切线圆拟合，共取3次，

取3次拟合圆直径平均值作为内包层直径。并取中间值拟合圆圆心作为内包层中心与纤芯计算纤芯/内包

层同心度误差。例如，六边形内包层光纤6条边依次为L

1、L

2、L

3、L

4、L

5、L

6,则可取L

1、L

2、L

3三边，取

L

2、L

3、L

4三边，取L

3、L

4、L

5三边分别作切线圆，如图A.1所示。

图A.1 六边形内包层切线圆示意图

图A.2是典型的八边形内包层双包层掺铥光纤结构示意图。

图A.2 典型的八边形内包层双包层掺铥光纤结构示意图

A.2 测量设备

A.3.1 光学显微镜

采用具备配套几何尺寸拟合软件的光学显微镜。

A.3 试样制备

A.3.1 端面处理

纤

芯

内包层

外包层

涂覆层 GB/T 28504.2—20XX

7

剥去光纤一端的涂覆层，清洗干净，用专用光纤切割刀处理端面。

A.3.2 光纤放置

将光纤放置在光学显微镜下通过程序拟合多边形切线圆。

A.4 测试条件

在测量期间，温度15℃～35℃，湿度45%～60%。

A.5 测试步骤

A.5.1 接通测量系统相关仪器的电源，按规定进行预热。

A.5.2 把制备好端面的被测光纤放置在光学显微镜中。

A.5.3 调整焦距及位置，保证被测光纤端面处于显微镜正中。

A.5.4 用拟合软件连续3次对不同三边进行切线圆拟合，并计算对应切线圆直径分别为D

1、D

2、D

3。

A.5.5 取三个切线圆直径均值作为内包层直径D。

A.6 计算

内包层直径计算见公式（A.1）:

（ ） ………………………………………………(A.1)