国产掺镱双包层光纤激光器的研究
掺镱_Yb_3_双包层光纤激光器的数值分析_徐向涛
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Journal of Chongqing Normal University（Natural Science）Vol．30No．1DOI：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·P s，sat（1－R1）R槡2+（1－R2）R槡1·（1－exp（ξ））νsνp·P+p（0）+P－p（L）Ps，sat－（NΓsσa s+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）以及较宽的发射光谱（975 1200nm），可实现高功率输出［9］。
双包层掺镱光纤
情况说明：
1.品名：双包层掺镱光纤
2.品牌：
3.结构：纤芯
4.型号：DCF-YB-20/128P-FA
5.用途：传输激光，是一种光纤介质
6.类型：多模
原理：双包层光纤的结构由里到外分别为纤芯、内包层、外包层和保护层。
它是一种具有特殊结构的光纤，比普通单模光纤增加了一个内包层，其横截面尺寸和数值孔径都远大于纤芯。
内包层与掺稀土离子纤芯之间构成单模光波导，将激光限制在纤芯当中；同时它又与外包层构成了传输抽运光的多模光波导，使得抽运光在内包层中反射并多次穿越纤芯被掺杂离子所吸收，从而将抽运光高效地转换成为单模激光，极大提高了光-光转换效率。
另外，由于抽运光入射面积的增加，允许采用大功率多模半导体激光器作为抽运源，而且耦合效率也得到了很大的提高。
特性：
多模光纤可单模操作，拥有良好的光束质量
高效率减少泵浦的功率、提高光的增幅效用.。
掺镱微结构光纤激光器的设计与实验的开题报告
掺镱微结构光纤激光器的设计与实验的开题报告1. 研究背景微结构光纤激光器是一种新型的激光器，相比传统激光器具有更小的尺寸、更高的功率、更高的效率和更高的可靠性。
其中，掺镱微结构光纤激光器又是一种应用广泛的激光器。
其利用微结构光纤中的光纤泵浦技术来实现掺镱光纤激光器的激光输出，并且具有优秀的光谱品质和高能量转换效率。
因此，在研究掺镱微结构光纤激光器的设计与实验方面具有重要意义。
2. 研究内容本文旨在探究掺镱微结构光纤激光器的设计与实验，具体研究内容如下：(1) 系统地阐述掺镱微结构光纤激光器的工作原理及其性能特点；(2) 基于各种相应的设计原则（如波导分析、环形共振器分析等），提出掺镱微结构光纤激光器的激光输出电路和参数设计方案；(3) 建立掺镱微结构光纤激光器的模拟仿真模型，并进行性能分析和优化；(4) 搭建实验平台，实现掺镱微结构光纤激光器的激光输出，比较实验结果与仿真分析结果的一致性。
3. 研究意义和预期目标本文的研究意义在于能够提出基于微结构光纤的掺镱光纤激光器设计方案及其性能分析，以此提高这种激光器的效率和可靠性，进一步推动微结构光纤激光器产业的发展。
预期目标是成功搭建掺镱微结构光纤激光器实验平台，实现稳定的激光输出，并能够对其性能进行充分分析，最终证明所提出的设计方案的可行性。
4. 研究方法和步骤为了实现本文的研究目标，需要采取以下措施：(1) 阅读相关文献，深入理解掺镱微结构光纤激光器的原理及其工作特点；(2) 根据文献中提出的电路和参数设计原则，建立掺镱微结构光纤激光器的激光输出电路和参数设计方案；(3) 借助模拟仿真软件（如Lumerical、COMSOL等），建立激光器的仿真模型并进行性能分析和优化；(4) 根据仿真分析结果，进行优化后，搭建实验平台并进行激光输出实验；(5) 对实验数据进行分析，与仿真分析结果进行对比，验证掺镱微结构光纤激光器的性能，并对其发展提出展望。
5. 论文结构本文的结构安排如下：第一章：绪论。
掺镱双包层全光纤激光器的研制和测试
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掺镱双包层全光纤激光器的结构紧凑，易于集成和安装，适用于各种场合。
掺镱双包层全光纤激光器是一种新型的激光器，具有高功率、高效率、高稳定性等特点。
掺镱双包层全光纤激光器的输出波长可调，可以满足不同应用需求。
掺镱双包层全光纤激光器的使用寿命长，维护成本低，具有较高的性价比。
娱乐领域：激光表演、激光投影等
军事领域：激光武器、激光制导等
工业领域：激光切割、激光焊接、激光打标等
科研领域：激光光谱学、激光物理等
通信领域：光纤通信、光通信网络等
医疗领域：激光手术、激光美容等
掺镱双包层全光纤激光器的研制过程
激光器测试：对激光器进行测试，包括输出功率、光谱特性等指标的测试
掺镱双包层全光纤激光器的测试结果
测试方法：采用光功率计测量
测试结果：输出功率稳定，波动范围小
测试条件：室温下进行，环境温度稳定
测试结论：掺镱双包层全光纤激光器输出功率稳定，性能优良
测试结果：激光器在恶劣环境下仍能稳定工作
测试方法：采用加速寿命试验方法
测试条件：温度、湿度、振动等环境因素
结论：掺镱双包层全光纤激光器具有较高的可靠性和稳定性
激光器在科研领域的广泛应用
在光学、光电子学等领域的应用前景
在生物医学、环境监测等领域的应用前景
汇报人：
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增强信号稳定性：掺镱双包层全光纤激光器具有良好的信号稳定性，可以减少信号传输过程中的损耗和干扰。
降低能耗：掺镱双包层全光纤激光器具有较低的能耗，可以降低通信系统的运行成本。
提高安全性：掺镱双包层全光纤激光器具有较高的安全性，可以防止信号被窃听和篡改。
激光切割：用于金属、非金属材料的切割，提高加工效率和质量
端面泵浦掺镱双包层光纤激光器功率输出特性研究
徐丽： 端面泵浦掺镱双包层光纤激光器功率输出特性研究 《激光杂志》 2014 年第 35 卷第 3 期 LASERNAL(Vol.35.No.3.2014)
端面泵浦掺镱双包层光纤激光器功率输出特性研究
徐 丽
（临沂大学实验管理中心，山东 临沂 276000） 摘要： 基于端面泵浦掺镱双包层光纤激光器的速率方程， 应 用 MATLAB 语 言 编 程 ， 分 别 数 值 模 拟 了 功 率 为 60 瓦 前 端泵浦、 后 端 泵 浦 和 双 端 都 为 30 瓦 泵 浦 时 掺 镱 双 包 层 光 纤 激 光 器 对 应 的 功 率 输 出 特 性 和 粒 子 数 密 度 值 特 性 ， 增大不 同端面输入功率观察输出功率特性， 研究得到后端泵浦上能级粒子数分布平坦， 输出功率较大， 为 50.4705 瓦 。 并 且 增 大输入功率时得到双端 泵浦输出功率较大 。研究结论为提高掺镱双包层光纤激光器功率 输 出 提 供 理 论 和 实 验 参 考。 关键词： 掺镱双包层光纤激光器 ; 端面泵浦 ; 速率方程 ; 功率输出特性 ;MATLAB 仿真 中图分类号： O431 文献标识码： A 文章编号： 0253-2743 （2014） 03-016-02
而线性谐振腔激光的边界条件是：
徐丽等： 端面泵浦掺镱双包层光纤激光器功率输出特性研究 《激光杂志》 2014 年第 35 卷第 3 期 LASERNAL(Vol.35.No.3.2014)
.P s- (L) = R 2 P s+ (L)
因此， 光纤激光器激光输出功率是： (14)
17
长度， 纵 坐 标 表 示 粒 子 数 反 转 密 度 相 对 值 。 双端泵浦功率 值都取 30 瓦， 通过数值仿真得到输出功率为 50.3064 瓦。
[2002-中国激光]掺镱光纤放大器的实验研究
![[2002-中国激光]掺镱光纤放大器的实验研究](https://img.taocdn.com/s3/m/c328b37148d7c1c708a14566.png)
且放大前后波形不失真。图 ’ 大增益也超过 !’ ()， 为加调制的单频信号及其放大后的单频调制信号， 放大后的波形不失真。图 , 为不同脉冲信号宽度时 放大器增益随抽运功率的变化曲线， 可看出它们具 有大致相同的变化线型。
图 , 不同脉冲信号宽度时放大器增益随 抽运功率的变化曲线 234" , 5%26 7.893:3;( 473< => 8?.8 8@A;B AL39; >34<79 8?9>;MA3(DL (3::;B> 图 1 掺镱光纤放大器增益随抽运功率的变化曲线 234" 1 5%26 7.893:3;( 473< => 8?.8 8@A;B
-
引
言
于高功率放大工作。 本文介绍单频激光掺镱放大特性， 分别把单频 二极管抽运固体激光器 （ *+,） 及窄线宽的 ,* 产生 的单频激光注入到掺 JN 光纤放大器中进行放大实 验， 注入信号采用静态直流和交流两种形式， 掺 JN 光纤长度为 -$ .， 在最佳抽运功率时， 实验中均获 得超过 ") /0 的增益。实验给出放大器增益随抽运 光功率、 信号光功率及信号脉宽等参量的变化曲线， 放大器增益与抽运光功率、 信号光功率及光纤长度 有很大关系。实验中还发现一定长度的掺 JN 光纤 对应一个最佳抽运功率， 掺杂光纤长度确定最佳抽 运功率也确定。
图 , 掺 () 光纤放大器装置图 3456 , 789:;4%:$<=> ?:<@9 AB ()C/A9:/ B4):; =%9>4B4:;
图 2 抽运功率恒定时放大增益随信号光功率的变化曲线
（ =）’E& 直流放大 （ !" J ,,# %I） ； （)）&’ 直流放大 （ !" J -2 6 2 %I）
双包层高数值孔径掺Yb 光子晶体光纤
1.1论文研究目的和意义本论文将研制的双包层高数值孔径掺Yb +3光子晶体光纤是一种由具有光子禁带效应的二维光子晶体做内包层，用掺Yb +3的激光玻璃做纤芯，进行导光的光纤。
这种光纤的外径与普通光纤一样，但沿包层的轴向拥有许多空气孔道，并要求包层中的空气孔呈类似于晶体中原子排列的周期性分布。
由于光纤内包层的设计有一个大模场直径的单模纤芯, 在传送高功率激光的同时, 不产生非线性效应，光纤的损伤阈值也更高，这样就保证了其极高的光束质量，使光子晶体光纤具有广阔的应用前景。
Yb 3 +离子能级结构简单 , 只有基态2F 7/2和激发态2F 5/2 ,没有激发态吸收(ESA)和多声子吸收。
Yb 3+掺杂激光玻璃有较宽的吸收光谱(850~1100nm)和荧光光谱(900~1200nm) , 可作为飞秒超短脉冲激光和可调谐激光的工作物质;它储量效率高 , 荧光寿命长 , 在半导体列阵泵浦的高功率激光装置中具有很大的应用潜力。
对于常规的双包层光纤激光器，一般采用大模面积光纤以避免由于纤芯中光强过大而造成的损伤，但是为了保持单模又需要在增大纤芯尺寸的同时，减小数值孔径，这样就使弯曲损耗增大。
而且纤芯尺寸和数值孔径的极值还要受到折射率差的精确控制的限制，从而限制了常规双包层光纤激光器的发展。
光子晶体光纤则从另一途径解决了这一限制。
我们采用硅酸盐玻璃作为光纤基质，玻璃光纤和石英光纤相比，普遍具有熔点低、机械强度小，膨胀系数高、折射率大的特点。
掺镱玻璃光纤作为光纤激光器的增益介质主要有两个优点：1）玻璃光纤中的稀土离子掺杂浓度普遍高于石英光纤1~2个数量级；2）稀土离子在玻璃光纤中的光谱带宽和受激发射截面P σ往往都大于石英基质。
同时，硅酸盐玻璃是最为常用的玻璃系统，与硼酸盐和磷酸盐等玻璃体系相比挥发小、玻璃组分稳定。
因此硅酸盐体系玻璃具有优良的化学稳定性、热稳定性，且玻璃容易制备。
双包层掺Yb +3光子晶体光纤作为高功率激光产生和传输用的新型光纤，由于其特殊的内部结构及奇特的导光原理使其具有传统光纤无法比拟的奇异特性，因而在光通信、高功率光纤激光器、高脉冲能量光纤放大器等领域有着重要的应用，已成为固体激光器强有力的竞争者。
掺镱双包层光纤的折射率
掺镱双包层光纤的折射率
掺镱双包层光纤通常是指在光纤中掺入了镱（Yb）元素，并且光纤的结构包含两个包层。
关于掺镱光纤的折射率，需要具体考虑掺杂元素对光纤折射率的影响。
在光纤中，折射率是一个关键的物理参数，它决定了光在光纤中的传播速度。
掺镱光纤通常用于激光器和放大器等光学器件。
镱的掺杂可以引起光纤的折射率发生变化。
具体的折射率取决于材料的种类、掺杂浓度、波长等因素。
一般来说，掺杂了镱的材料，特别是在近红外或红外波段，可能会引起折射率的变化。
折射率通常由介电常数决定，而掺杂元素的引入会改变材料的电磁性质，从而影响介电常数，进而影响折射率。
为了获取具体的折射率数值，需要查阅相关文献、光学手册或者光学数据库，因为这些数值通常是根据具体的光学实验或者模型得到的。
另外，不同的掺杂浓度和波长下，折射率也可能会有所不同。
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第32卷 第4期2008年8月激 光 技 术LASER TEC HNOLOGYV o.l 32,N o .4A ugust ,2008文章编号:1001-3806(2008)04-0420-04国产掺镱双包层光纤激光器的研究张 俊1,2,陈 爽1,冯 莹1*(1.国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙410073;2.中国空气动力研究与发展中心,绵阳621000)摘要:高功率光纤激光器在定向能领域有着重要的应用。
为了研究双包层光纤激光器的输出特性,采用数值模拟和实验研究的方法,进行了理论分析和实验验证。
用国产大芯径掺镱光纤搭建了双包层光纤激光器,获得了1092nm 的激光输出,功率为1.6W 。
结果表明,光纤最佳长度与后腔镜和抽运功率有很大关系,通过优化设计后腔镜,选取最佳后腔镜信号光反射率R 2,可获得最大激光功率输出,提高激光器效率,获得特定的稳定的纵模输出,优化系统的性能。
关键词:激光技术;掺镱双包层光纤激光器;数值模拟;后腔镜中图分类号:TN248 文献标识码:AStudy on fi ber l aser w ith Ch i na -m ade Yb 3+-doped double -clad fi berZ HANG Jun 1,2,C HEN Shuang 1,FE NG Ying1(1.Co ll ege of O ptoe l ec tron i c Sc i ence and Eng i neeri ng ,N ationa lU n i v ers it y o f D efence T echno l ogy ,Changsha 410073,Chi na ;2.Ch i na A e rodyna m i cs R esearch &D eve l op m en t Center ,M ianyang 621000,Chi na)Ab stract :H i gh powe r fi ber lase r has i m portant app licati on i n the d irec ted ene rgy dom a i n .In order to find the laser out put character istic under diff e rent fibe r length and back -cav i ty m irro rs ,nu m erica l si m ulati on and experi m ent m ethod w ere used .W i th hom e -m ade large -core Y b -dopped fibe r ,double -clad fibe r l aser sy stem w as constructed .A nd the s i gna l lase r w ith a cen tral wave l eng th o f 1092n m and t he m ax i m u m output pow er of 1.6W w as ob tai ned .It w as shown tha t opti m u m fi ber length had i m portant contact w i th back -cav ity and pu m p pow er .T he m ax i m u m output could be obta i ned w ith t he opti m u m R 2.It i s found that the output character i stics of the fi ber lase r can be better by desi gn t he reflecti v ity ratio of t he back-cavity m irror .K ey w ords :laser techn i que ;Y b 3+-doped doub l e -c lad fibe r laser ;num erical si m ulation ;back -cav ity m irro r作者简介:张 俊(1982-),男,助理工程师,现从事风洞光学非接触测量方面的研究工作。
*通信联系人。
E -m a i :l csfengy i ng@si na .com收稿日期:2007-05-30;收到修改稿日期:2007-10-26引 言高功率掺镱光纤激光器具有结构简单、无激发态吸收、无浓度猝灭、有较宽吸收谱和增益谱等优点[1-2],已成为研究的热点之一。
在2004年初的Photon ics W est 上,J EONG 等人报道了其输出1k W 的光纤激光器,引起轰动;同年,他们成功研制了1.36k W 的连续激光输出,斜率效率83%,光束质量M 2=1.4,为当今单根光纤的最高功率输出[3-4]。
目前,掺镱光纤激光器的功率输出水平继续提高,并在空间光通信、工业加工、激光焊接、印刷、打标、医疗以及军事等领域有着广泛的应用前景[3-6]。
作者从稳态速率方程出发,对掺镱双包层光纤激光器的输出特性进行了研究,分析了激光输出与光纤长度、后腔镜的关系及光纤中的功率分布,并通过实验研究了后腔镜对激光输出的影响。
实验证明,选取合适的后腔镜可以有效降低激光阈值、减弱模式竞争、控制激光波长,获得稳定的激光输出。
1 理论分析图1为端面抽运光纤激光器简化模型,光纤长度F i g .1 Th eory m odel of end -pum ped doub l e-cl ad fi b er l aser为L,R 1,R 2分别为前后腔镜对信号激光的反射率,R 4,R 3分别为前后腔镜对抽运光的反射率。
为了简化分析,可认为抽运功率只分布于内包层中,而纤芯为抽运光提供损耗,基于这种近似,腔内激光功率满足如下微分方程[7]:第32卷第4期张俊国产掺镱双包层光纤激光器的研究N2(z) N =[P+p(z)+P-p(z)]R ap#ph M p A+#s R a(K)[P+(z,K)+P-(z,K)]h M s A[P+p(z)+P-p(z)](R ap+R ep)#ph M p A+1S+#s[R e(K)+R a(K)][P+(z,K)+P-(z,K)]h M s A(1)d P?p(z)d z=º#p[R ap N-(R ap+R ep)N2(z)]P?p(z)ºA p(z)P?p(z)(2)d P?(z,K)d z=?#s{[R e(K)+R a(K)]N2-R a(K)N}P?(z,K)?#s R e(K)N2P0(K)ºA s(z,K)P?(z,K)(3)式中,K为信号波长,P?表示腔内正反向传输的信号功率;P?p则表示正反向传输的抽运功率;N2为上能级镱离子浓度,N为掺杂浓度;#s和#p为功率填充因子,#s由光纤的模式理论得到,#p则由纤芯与内包层的面积比得出;R a和R e为镱离子的吸收和发射截面;S为自发辐射寿命,A为光纤中的损耗系数。
通过龙格库塔法求(1)式~(3)式,则可对双包层掺镱光纤激光器进行数值模拟和仿真计算,并得出腔内沿光纤的功率分布及激光器输出功率。
为了使计算更接近实际情况,考虑腔镜对腔内所有激光的反射限制,此时边界条件共有4个,因而增加了数值计算的复杂程度。
下面给出边界条件:P+p(0)=R4#P-p(0)+P p,in;P+p(L)=R3#P+p(L)(4)P+s(0)=R1#P-s(0);P-s(L)=R2#P+s(L)(5)2数值计算结果和分析2.1光纤长度对输出的影响根据实验中腔镜的反射率(R1=0.99,R2=0.39, R3=0.946,R4=0.062)及抽运功率不同时激光输出与光纤长度的关系如图2a所示。
当抽运功率为3.7W,10W,20W时,光纤最佳长度分别为3.5m,4m,Fi g.2Anal ys i s of op ti m um fi b er length und er d ifferent R24.5m。
可见,随着抽运功率增大,光纤最佳长度增大;但由于增益光纤的高掺杂浓度,与文献[8]相比,光纤最佳长度很小。
而利用光纤端面的菲涅耳反射作后腔镜时(一般来说,指R2,R3均为0.04),激光输出与光纤长度的关系如图2b所示,光纤最佳长度分别为6m, 7m,7.2m。
与图2a相比,随着R2和R3的减小,光纤最佳长度变大。
可见,增大抽运功率,光纤最佳长度变大;增大R2, R3,光纤最佳长度减小;而在小功率抽运时,由于增益光纤的高掺杂浓度,在较短长度的光纤内,抽运光就能被充分吸收,获得最大的激光输出,光纤最佳长度很短。
所以,实验中应根据不同长度的光纤选取不同反射率的后腔镜,以获得最大的激光输出,提高系统效能。
2.2后腔镜对输出的影响图3为不同抽运功率时R2与输出功率的关系。
在设定的抽运功率下,最佳反射率R2分别为0.52, 0.33,0.2。
Fi g.3R2vers u s ou tpu t pow er under d ifferent pu m p po w er可见,最佳反射率随着抽运功率的增大而减小。
因此,对于小功率抽运的光纤激光器来说,应选择最佳反射率R2,以增大激光输出。
2.3激光功率沿光纤的分布图4为不同抽运功率时腔内沿光纤的功率分布。
可见,抽运光沿光纤呈指数分布,在光纤前端功率最高,向光纤后端方向减小;当抽运功率较小时,由于R2较大,信号激光在腔内保持较高功率的振荡,但是输出功率仍很小;同时,因为增益光纤的高掺杂浓度,即使光纤长度只有6m,仍能充分吸收抽运光,所以增大R3对提高激光输出功率作用不明显。
421激 光 技 术2008年8月F i g .4 Distri bu ti on of pu m p po w er and laser po w er al ong t h e fi ber lengt h3 实验研究3.1 实验装置实验装置见图5,采用F -P 腔结构,端面正向抽运。
抽运源为Li m o 公司生产的半导体激光器,尾纤输Fig .5 E xperi m en t sche m ati c d i agra m of fi b er laser出最大功率25W,尾纤芯径为200L m,数值孔径为0.22,工作波长为975nm 。
增益光纤为烽火通信提供的D 形掺镱双包层光纤,内包层尺寸400L m @350L m,数值孔径为0.37,纤芯直径为31.5L m,数值孔径为0.14。
抽运源输出的多模激光经透镜耦合系统聚焦后通过前腔镜耦合进增益光纤。