光电综合课程设计报告

光电综合课程设计报告

姓名: 李方圆

学号: 1150730006

专业: 应用物理学

目录

1引言 (1)

1.1含义 (1)

1.2结构 (1)

1.3优点 (1)

1.4发展趋势 (2)

2理论分析 (3)

3 MATLAB数值模拟 (3)

3.1 程序主要源代码 (3)

3.2 数值模拟结果 (5)

3.3 结果分析 (5)

4心得体会 (6)

1引言

1.1含义

单包层光纤激光器的输出一般只有几十毫瓦的量级, 因此光纤激光器通常被认为是小功率光电子器件。然而, 对于大多数的激光应用领域, 我们需要更高功率的激光输出。双包层泵浦技术的出现是光纤领域的一大突破, 它使得光纤激光器和光纤放大器真正成为高功率器件。双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表，它的优点在于不需要将泵浦能量直接藕合到模场直径相对较小的光纤中去，它可以采用低成本的，大模场(多模)高功率的半导体激光器作为泵浦源。因为这个优势，近几年来，双包层光纤激光器研究受到了极大的关注。

1.2结构

图1 是双包层光纤示意图。光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层组成, 折射率从纤心到外包层依次减小。为保证光纤输出单模激光, 纤芯直径为一般为几个微米, 内包层起着使激光约束在单模纤芯内和成为泵浦光的多模导管作用, 外包层起将泵浦光限制在内包层中的作用。内包层的直径一般为几百微米, 这种设计大大减小了对泵浦源模式的质量要求, 可用价格相对便宜的高功率多模二极管阵列做泵浦源, 通过特定的光学装置或直接人射到光纤,一部分泵浦光藕合到纤芯中, 而大部分泵浦光祸合到内包层中, 内包层中的光受外包层限制, 在内包层之间来回反射, 而不被吸收, 在不断的穿过纤芯的过程中, 被其中的激光介质一稀土元素离子吸收, 所以泵浦光在光纤的一端藕合进人光纤, 在光纤的整个长

度上都发生激光泵浦过程, 几乎所有的泵浦光都能被激光介质吸收, 因而大大提高了泵浦功率

1.3优点

作为新型的光纤激光器, 双包层光纤激光器有许多的优点。

1> 高功率激光输出, 多个多模半导体激光二极管并行泵浦, 可设计出极高功率输出的光纤激光器

2> 由于光纤的表面积与体积之比很大, 高功率光纤激光器工作时一般无需复杂的冷却装置

3> 由于光纤掺稀土元素离子, 有一个宽而平坦的吸收光谱区, 因此有很宽的泵浦波长范围。

4> 多模二极管泵浦源的稳定性=其可靠运转寿命超过100万小时> 决定了这种激光器具有高可靠性

5> 具有极高的光束质量, 这是其他高功率激光器无法相比的

1.4发展趋势

激光器是激光技术的核心，未来双包层光纤激光器的发展方向将会是：进一步提高双包层光纤激光器的性能，如继续提高输出功率，提高光束质量；扩展新的激光波段，拓展激光器的可调谐范围；压窄激光谱宽；开发极高峰值的超短脉冲高激光器，进行整体小型化、实用化、智能化的研的阶研究。

近几年的发展主要集中在3个方面：

(1)光纤布拉格的性能的提高，让其很好的应用在双包层光纤激光器中；

(2)双包层光纤激光器在脉冲和谱线宽度更窄，输出功率更高，调谐范围更

广等；

(3)双包层光纤激光器发展的更实用化。

2理论分析

光纤激光器均采用LD 作为抽运源，因此只考虑抽运光和激光输出线宽均很窄的情况，速率方程可如下简化：

(z)P p αp (z)P p (z)]N )σep σap (N σap [F p dz (z)P p d +-++--=+2

(1)

(z)P p αp (z)P p (z)]N )σep σap (N σap [F p dz

(z)P p d ---+-=-2 (2)

(z)P s αs (z)N σes F s (z)P s N σas z σes σas F s dz (z)P s d P N )+-++-+=+022])()[( (3) (z)P s αs (z)N σes F s (z)P s N σas z σes σas F s dz

(z)P s d P N )+----+-=022])()[(- (4) A A A A N

c

s c

p c

s c p h σF s

σes as z P s (z P s h σF p

σep ap z P p (z P p h σF

s as z P s (z P s h σF

p

ap z P p (z P s N υυυυτ))](()[1

)))](()[(

/

)]()[)]()[2

+-+++++-++-+++

-++=

(5)

而线性谐振腔激光的边界条件是：

);

)(;)()0);0()(;)0(1)021(L P s R L P s L P p R (P s P s p L P p P p (P s +=--=+=-=+

3 MATLAB 数值模拟

3.1 程序主要源代码

%多点抽运的光纤激光器速率方程组

function dy = f(x,y)

global ap ep as es s p...

N lp ls Pt Pp k Ni Ne

while i

N2(i+1)=N*(ap/(ap+ep)*(y(1+i*Ne)+...

y(2+i*Ne))/Pp+as/(as+es)*...

(y(3+i*Ne)+y(4+i*Ne))/Pt)/((y(1+i*Ne)+...

y(2+i*Ne))/Pp+1+(y(3+i*Ne)+y(4+i*Ne))/Pt);

dy(1+i*Ne)=k(i+1)*(-p*(ap*N-(ap+...

ep)*N2(i+1))-lp)*y(1+i*Ne);

dy(2+i*Ne)=-k(i+1)*(-p*(ap*N-(ap+...

ep)*N2(i+1))-lp)*y(2+i*Ne);

dy(3+i*Ne)=k(i+1)*(s*((as+es)*...

N2(i+1)-as*N)-ls)*y(3+i*Ne);

dy(4+i*Ne)=-k(i+1)*(s*((as+es)*...

N2(i+1)-as*N)-ls)*y(4+i*Ne);

end

%多点抽运的光纤激光器边界条件

function res = fsbc(y0,yL)

global R1 R2 Pp eta mu Ne

res = [y0(1)

yL(2)-y0(2+1*Ne)*(1-mu)

y0(3)-R1*y0(4)

yL(4)-y0(4+1*Ne)*(1-eta)

y0(1+1*Ne)-yL(1)*(1-mu)-Pp(1)

yL(2+1*Ne)-y0(2+2*Ne)*(1-mu)

y0(3+1*Ne)-yL(3)*(1-eta)

yL(4+1*Ne)-y0(4+2*Ne)*(1-eta)

y0(1+2*Ne)-yL(1+1*Ne)*(1-mu)-Pp(2)

yL(2+2*Ne)-y0(2+3*Ne)*(1-mu)-Pp(3)

y0(3+2*Ne)-yL(3+1*Ne)*(1-eta)

yL(4+2*Ne)-y0(4+3*Ne)*(1-eta)

y0(1+3*Ne)-yL(1+2*Ne)*(1-mu)

yL(2+3*Ne)-y0(2+4*Ne)*(1-mu)-Pp(4)

y0(3+3*Ne)-yL(3+2*Ne)*(1-eta)

yL(4+3*Ne)-y0(4+4*Ne)*(1-eta)

y0(1+4*Ne)-yL(1+3*Ne)*(1-mu)

yL(2+4*Ne)

y0(3+4*Ne)-yL(3+3*Ne)*(1-eta)

yL(4+4*Ne)-R2*yL(3+4*Ne)*(1-eta)];

3.2 数值模拟结果

双包层光纤激光器长度与输出功率的关系

双包层光纤激光器长度 (m)

功率 (W )

双包层光纤激光器长度与粒子反转数密度的关系

双包层光纤激光器长度 (m)

粒子反转数密度N 2/N

3.3 结果分析

上图数值仿真了多点抽运的光纤激光器长度与功率、粒子数反转密度的关系。分析图中的数据与曲线的走势，图中可以看到出现四个明显的拐点位置，分别对应着四个抽运点的位置。同时可以看到前向传输光纤激光功率Ps+(z)随着光纤激光器长度的增加输出功率相应地增加，后向传输光纤激光功率Ps-(z) 随着光纤激光器长度的增加输出功率会缓慢地减小。前向抽运光功率Pp+(z)在每一个抽运点从一开始会快速下降，衰减到零，直到下一个抽运点依次循环。后向抽运光功率Pp-(z)初始保持为零，在第二个抽运点处开始增加直到第三个抽运点最大，然后突变到零。

4心得体会

刚开始拿到这个题目时候有点看不懂，“四点抽运的双包层光纤激光器”之前根本没接触这个知识。光纤激光器倒是学过，但是双包层对我来说非常陌生，因为之前在光纤光学中

只知道光纤由纤芯，包层，保护层组成，通过查阅相关的资料后才发现所谓双包层是指内包层起着使激光约束在单模纤芯内和成为泵浦光的多模导管作用, 外包层起将泵浦光限制在内包层中的作用。

了解了双包层光纤激光器的基本结构，接下来就要开始该双包层光纤激光输出功率进行数值求解，并用matlab作出前、后向抽运光功率和前、后向激光功率沿双包层光纤的分布曲线。在平时的训练中我知道要求数值解必须找到相关的方程并找到相对应的边界条件。

通过查阅相关的文献我找到了多点抽运的光纤激光器速率方程组和多点抽运的光纤激光器边界条件。有了这两个关键的知识，接下来的工作就轻松多了，在MATLAB中进行数值分析，程序主要由以下几个部分组成:

1.参数设置

2.物理常数及中间过程参数计算

3.端面愁云的光纤激光器边值问题数值求解

4.端面抽送的光纤激光器边值问题数值求解

5.多点抽运的光纤激光器速率方程组

6.多点抽运的光纤激光器边界条件

7.数值计算结果分析和显示

程序经过不断的调试与修改最终得到了较为理想的效果，与理论分析符合的很好。

最终的得出了前向传输光纤激光功率远大于后向传输光纤激光功率这一结论。

不足之处在于没有具体的实验数据作为参考，只有仿真模拟，缺乏很强的说服力。