2 μm摻銩光纖激光器由于具有更寬的調(diào)諧光譜,因此在窄線寬高功率輸出方面具有更大的優(yōu)勢,在塑料材料的激光焊接、切割等領(lǐng)域也有著重要的作用。由于受激布里源散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)、受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)、交叉相位調(diào)制等非線性效應的影響,目前光纖激光器獲得高功率窄線寬的輸出還較為困難[1]。由于光纖的非線性效應與光纖的模場面積成反比,模場面積越大,非線性閡值越高[2],因此大模場摻銩光纖能夠有效提升光纖激光器的輸出功率及光纖放大器的轉(zhuǎn)換效率。本文設計了一種具有較大模場面積的摻銩光纖,將其應用到光纖放大器中,并對放大器的特性進行了理論及仿真分析。論文主要工作如下:(1)針對非均勻布拉格光纖(Irregular Bragg Fiber,IBF)結(jié)構(gòu),對其模場分布進行了理論分析,研究了 IBF的6種結(jié)構(gòu)。通過對光纖進行仿真,從光纖的半徑及折射率兩個角度來研究不同光纖結(jié)構(gòu)對模場面積的影響,從而選出具有最優(yōu)模場面積的光纖結(jié)構(gòu)。(2)根據(jù)所設計光纖結(jié)構(gòu)的特點,具體分析光纖參數(shù)對模場面積的影響并進行參數(shù)優(yōu)化,主要是纖芯半徑,折射率差,各層半徑厚度比這三個參數(shù),最后實現(xiàn)了模場面積為719 μm2的大模場摻銩光纖。根據(jù)光纖參數(shù),分析所設計光纖的彎曲損耗及穩(wěn)定性,結(jié)果表明所設計光纖具備實用價值。(3)根據(jù)銩離子能級結(jié)構(gòu)特性,建立了 793 nm波長泵浦方式下的大模場摻銩光纖放大器理論模型�？紤]摻銩光纖放大器的輸出功率及放大器效率和SBS效應,利用設計的摻銩大模場光纖結(jié)合放大器理論模型進行仿真模擬。(4)通過與普通階躍光纖進行對比,分別研究兩種模場面積下光纖長度、放大器泵浦功率與輸出功率的關(guān)系。當使用793 nm波長泵浦,泵浦光功率為100 W,Tm3+濃度為4.0X 1025m-3時,所設計的大模場面積光纖與普通階躍光纖相比,轉(zhuǎn)換效率提高5%,達到40%,輸出功率為41.08 W。結(jié)果表明,大模場摻銩光纖能夠有效提升摻銩光纖放大器輸出效率,并且整個放大器系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN253
【部分圖文】：

導致還難以工業(yè)化生產(chǎn)，也不利于大規(guī)模的商業(yè)使用，因此目前仍然處于實驗??室研宄階段。??Ｂｒａｇｇ光纖結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)大模場面積光纖特性，如圖１－１所示其具有高低交錯??的折射率結(jié)構(gòu)，芯區(qū)可以為空心或者實心的較低折射率介質(zhì)，當光纖外包層折射率??與厚度滿足條件時，光纖通過包層中周期性的高低折射率層的Ｂｒａｇｇ反射實現(xiàn)光??的傳輸，通過合理的參數(shù)設計，在要求的傳輸波段中，Ｂｒａｇｇ光纖中巧＾模的損耗??比其他模式更低，這樣經(jīng)過光纖傳輸，光纖中將僅存在基模，而其余的模式則被消??耗了，因此其單模工作波長很寬，同時，通過對高低折射率和光纖厚度等相關(guān)參數(shù)??的調(diào)整，可以實現(xiàn)具有較大模場面積的摻雜光纖［２（）］。??藝?，???????ｒ２?ｒｉ?ｒＡ?ｒＳ?ｒ６?ｒｉ??圖１－１?（ａ）布拉格光纖橫截面結(jié)構(gòu)（ｂ）布拉格光纖徑向折射率分布??Ｆｉｇ．?１－１?（ａ）?Ｓｅｃｔｉｏｎ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｂｒａｇｇ?ｆｉｂｅｒ?（ｂ）?Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ?ｉｎｄｅｘ?ｒａｄｉａｌ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｂｒａｇｇ?ｆｉｂｅｒ??需要說明的是

１．２．１摻銩光纖放大器研究意義??ＭＯＰＡ結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括兩部分，即產(chǎn)生種子源的激光器和對激光功率進行??放大的光纖放大器，同時功率放大器部分也可以視情況來選擇相應的級數(shù)，如圖１－??２所示，通過把種子光和泵浦光耦合進放大器的增益光纖內(nèi)，使得種子光得到放大，??能夠得到高功率的激光輸出。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對于種子源的輸出功率要求不高，只需??要能夠連續(xù)穩(wěn)定輸出窄線寬的激光即可。而對于放大器部分，則要求能夠輸出高光??束質(zhì)量，具有較高功率的信號光，因此需要所設計的大模場摻銩光纖具備優(yōu)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??圖１－２?ＭＯＰＡ結(jié)構(gòu)示意圖??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ＭＯＰＡ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??光纖放大器由于能夠得到更高的功率，應用廣泛，如在激光倍頻上，也就是通??過非線性效應光纖放大器，根據(jù)強激光作用下的二次非線性效應，使得入射的基頻??５??

北京交通大學碩士學位論文?大模場摻銩光纖放大器的理論分析??層的厚度等并沒有過多限制。圖２－１為ＩＢＦ結(jié)構(gòu)示意圖。??（？）??ｎ．???ｌｉｉｌｌｌｌ；?；：：；?ｆｆｌ－ｔ?Ｗｉ?；?：?：?：?Ｊｌｌｌｌｌｉｉｉ???圖２－１?（ａ）?ＩＢＦ橫截面結(jié)構(gòu)示意圖（ｂ）?ＩＢＦ徑向折射率分布??Ｆｉｇ．?２－１?（ａ）?ＩＢＦ?ｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?（ｂ）?ＩＢＦ?ｒａｄｉａｌ?ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ?ｉｎｄｅｘ?ｐｒｏｆｉｌｅ??理想的ＩＢＦ，是一種圓對稱光波導并且其縱向橫向均勻分布。傳輸?shù)墓鈭隹梢??如下表示［３２］：??＿?（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝?＿?（ｒ）ｅｘｐ〇ｗ＾）ｅｘｐ〇＇／？ｚ）ｅｘｐ（－７ｆｔ＞〇?（２－３）??／？為波導傳輸常數(shù)，ｍ對應貝塞爾方程的階數(shù)，ｃｏ為真空中角頻率，ｃｐ為初相角，??通過標量近似法來對光纖模式的分布進行求解，取橫向場分量為ｅ／ｒ，的，在極坐??標系下，ＩＢＦ每層中都滿足該層上的貝塞爾方程：??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，表示某個波長；ｌ在真空中傳播的波數(shù)；ｍ對應貝塞爾??方程的階數(shù)。橫向場分布可以表不為：??ＫＵｉ＞Ｐｍ，?（２－５）??＼（ａｉＪｍ?（Ｗ）?＋?ｂ
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本文編號：2839395