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包层泵浦掺Tm~(3+)光纤激光器的研究

张云军  
【摘要】: 采用包层泵浦技术,加上大功率多模半导体激光器工艺的快速发展与完善,光纤激光器在常温下获得了极高的输出功率。热问题是影响掺Tm~(3+)晶体激光器阈值、效率和输出功率的主要因素,而掺Tm~(3+)硅基光纤激光器的掺Tm~(3+)光纤不需要复杂的主动冷却设备,在常温下即可获得高效率的大功率激光输出。本论文从理论和实验两个方面对掺Tm~(3+)硅基双包层光纤激光 器进行了研究工作。 讨论了Tm~(3+)掺在四种常用激光晶体里的吸收光谱、荧光发射谱和Tm~(3+)掺在ZBLAN、silica光纤基质中的吸收光谱、荧光发射谱,Tm~(3+)在两种光纤基质中的吸收光谱、荧光发射谱要明显宽于Tm~(3+)在四种晶体里的光谱。概述了强泵浦光纤激光器的输出功率和阈值的解析表达式,分析了掺稀土离子双包层光纤吸收泵浦光有效吸收系数的理论模型和计算有效吸收系数的简化表达式。从Tm~(3+)的稳态速率方程出发,结合谐振腔结构特点,在输出793nm的LD激光器作为泵浦源的情况下,给出了双包层光纤激光器的振荡阈值特性、激光输出特性和激光器谐振腔结构参数的关系。从理论上分析了3H6,3H4→3F4,3F4交叉弛豫过程降低掺Tm~(3+)硅基光纤激光器的阈值、提高激光器斜率效率的机理。3H6,3H4→3F4,3F4交叉弛豫过程可以使激光器的量子效率达到2,分析了掺杂浓度与加强掺Tm~(3+)硅基光纤激光器交叉弛豫过程的关系、掺杂浓度对光纤长度的影响。 详细介绍了LD单端泵浦掺Tm~(3+)硅基双包层光纤激光器的实验过程和实验结果。研究了光纤长度、腔型结构和光纤温度对激光器阈值、斜率效率以及输出激光光谱的影响。在实验上对比了单程泵浦和双程泵浦掺Tm~(3+)双包层LMA光纤激光器的阈值、斜率效率的变化,用LD输出的807.5nm激光作为泵浦源泵浦掺Tm~(3+)双包层LMA光纤获得了高效的连续波激光输出。 从速率方程出发,模拟了在1.06μm脉冲激光作为泵浦源时掺Tm~(3+)硅基光纤激光器增益开关弛豫振荡输出近2μm脉冲激光的波形振荡过程,模型中加入了Tm~(3+)在1.06μm作为泵浦源时强的激发态吸收效应,而且Tm~(3+)间存在的四个交叉弛豫效应也包含在速率方程中。计算并分析了Tm~(3+)掺杂浓度对激光器阈值的影响。


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