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《天津大学》 2010年
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高功率Er/Yb共掺光纤放大器的研究

周雷  
【摘要】:高功率Er/Yb共掺光纤放大器工作在1.5μm波段,在激光雷达、测距、空间遥感、环境检测,自由空间光通信和引力波探测等领域具有广泛的应用。本论文首先在理论上对高功率连续光放大和脉冲光放大时的特性进行了详细分析,包括放大器的斜率效率、增益特性、噪声指数、功率转化效率、脉冲能量等关键参数。高功率放大时,Yb离子波段ASE成为主要的限制因素。 抑制受激布里渊散射也是高功率光纤放大器设计时必须要考虑的问题。我们首次在理论上提出了基于瞬态速率方程和瞬态受激布里渊散射功率传输方程的模型,同时包含放大器中信号光向斯托克斯光的能量转移和增益介质对斯托克斯光的放大两个机制,深入研究了增益光纤中的布里渊散射激发和演化规律。在此基础上,首次提出了采用自相位调制抑制高功率光纤放大器中的受激布里渊散射,并进行了理论验证,证明了这种方法的简单,可行。引入掺杂光子晶体光纤作为放大器增益介质,首次在理论上设计了1.5μm波段,纤芯直径120μm,内包层直径300μm,外包层厚度1.5mm的Er/Yb共掺棒状光子晶体光纤。这是目前光子晶体光纤在这个波段的最大设计纤芯直径。理论上证明了其可以实现ns级输出放大脉冲能量达到毫焦(mJ)级,同时保持单模输出。 针对Yb离子波段ASE对输出功率的严重限制,首次在理论上分析并设计了带隙位置处在1.5μm波段的光子晶体带隙光纤,优化设计的结构参数为硅棒直径1μm,硅棒间距4μm,硅棒与硅折射率差为0.1。理论分析表明:在1550nm处带隙可以很好地将光波约束在纤芯内。模场能量分布成典型的星形分布,但能量仍然主要集中于纤芯区域。带隙宽度为0.1nm,可以将带隙外ASE光充分滤除,而对带隙内的信号光可以低损耗传输并放大。光子晶体带隙光纤在光纤本身结构上对ASE产生了根本的抑制作用,可以认为是目前解决放大器中ASE问题的最佳方法。 在理论分析基础上,首次结合Er/Yb共掺双包层光纤和主振荡功率放大技术,采用高功率多模泵浦方式设计和实验研究了全光纤化两级放大器。1550nm连续光放大得到最大斜率效率29%,最大输出功率1.52W,功率稳定度0.4%;重复频率为1kHz的方波脉冲放大时,得到最大斜率效率22.56%,是目前在1.5μm波段,低重复频率(1kHz)高功放大时,得到的最大斜率效率。功率稳定度0.45%。实验结果对高功率放大器设计具有重要指导作用。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN722

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【引证文献】
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