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Er~(3+)(/Yb~(3+)):LiNbO_3晶体中Er~(3+)的光谱特性和Er~(3+)/Yb~(3+):Ti:LiNbO_3条波导的光放大特性的研究

王敦纯  
【摘要】:本文的第一部分详细研究了as-grown、退火和气相输运平衡(VTE)处理的Er~(3+)(/Yb~(3+)):LiNbO_3晶体的光谱特性。测量了Z切as-grown和经退火处理的Er~(3+)/Yb~(3+):LiNbO_3晶体的α偏振吸收光谱。运用Judd-Ofelt(J-O)理论对晶体中Er~(3+)的光谱参数进行了分析。利用最小二乘法确定了晶体中Er~(3+)的J-O参数。进而确定了自发辐射几率,从激发态能级J到每一个下能级J′的荧光分支比以及能级辐射寿命。此外,还讨论了Yb~(3+)的共掺和退火处理对LiNbO_3晶体中Er~(3+)光谱特性的影响。比较了as-grown和经VTE处理的Er~(3+)(/Yb~(3+)):LiNbO_3晶体中Er~(3+)的吸收特征。通过光学吸收边或153cm-1E(TO)模的声子线宽计算得到经VTE处理的LiNbO_3晶体中的[Li++RE~(3+)]/[Nb~(5+)](RE~(3+)=Er~(3+)或Er~(3+)+Yb~(3+))比。根据测得的吸收光谱,运用J-O理论对as-grown和经VTE处理的LiNbO_3晶体中Er~(3+)的光谱特性进行了分析,确定了一系列重要的光谱参数,包括吸收系数积分、振子强度、J-O参数和自发辐射寿命。讨论了Er~(3+)的掺杂浓度、晶体的切向以及VTE处理对上述光谱参数的影响,其中,VTE处理对能级~4I_(13/2)自发辐射寿命的影响与先前报道的实验结果接近。此外,还将as-grown晶体的结果与他人的相关报道进行了比较。 本文的第二部分对980nm泵浦下的Er~(3+)/Yb~(3+):Ti:LiNbO_3条波导中1530nm小信号光的放大特性进行了详细的数值分析。建立了Er~(3+)/Yb~(3+):Ti:LiNbO_3条波导的八能级理论模型,它是由速率方程、泵浦功率和小信号功率的传输方程构成。速率方程总共包含了Er~(3+)和Yb~(3+)的八个能级,考虑了受激态吸收,Er~(3+)之间的协作上转换以及Er~(3+)和Yb~(3+)之间的能量传递过程。八能级理论模型与简化的五能级理论模型的计算结果比较说明理论模型中必须包含能级~4S_(3/2)。基于八能级的理论模型,得到了阈值泵浦功率和1530nm放大增益对初始泵浦功率(仅指增益),Yb~(3+)表面掺杂浓度和波导长度的依赖关系。同时,研究了泵浦功率沿波导轴的演化特征,粒子数密度和粒子数的分布特征以及560nm和1060nm荧光寿命对数值分析结果的影响。明确阐述了Yb~(3+)共掺的作用。提出了一种新的优化设计方案:仅将Yb~(3+)掺杂在波导的末端以便充分利用剩余泵浦功率从而使信号得到进一步的放大。


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