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Er~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐短腔光纤激光器热效应的解析解研究

刘涛  
【摘要】: 短腔窄线宽单频光纤激光器在激光指示与测距、激光雷达、激光遥感、光纤传感、光通信、军事、安全等领域有极其广阔的应用前景和巨大的应用价值。由于激光器运转时腔内产生的热效应会影响激光的功率、线宽、中心频率、偏振态以及噪声等特性,而这些性能直接限制了激光的应用。关于短腔光纤激光器热效应的研究至今未见报道,而传统长腔光纤激光器的二维温度场、平面应变等模型已不再适用于短腔激光器。为了从理论上优化波导结构,完善腔的设计以及泵浦布局,从而提高激光器的整体性能,维持其输出稳定性,降低热相位噪声,有必要对短腔光纤激光器的热效应进行系统的研究。 本课题以本实验室拉制的高浓度掺杂的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃光纤为增益介质,建立了连续泵浦条件下短腔光纤激光器稳态工作的三维温度场模型,并利用广义正交本征函数展开的方法推导了该模型的解析解,探讨了上转换效应对高浓度稀土离子掺杂光纤激光器热效应的影响,并从理论和实验上证实了该模型。结果表明:在100 mW激光二极管泵浦1 cm光纤激光腔时,与传统的热流线径向假设模型相比,由于我们的三维温场模型考虑了纵向热传导,计算出的腔内的最高温度减小了14.0%,因此三维温度模型更能准确地研究短腔光纤激光器的热效应。研究还发现,对于高浓度稀土离子掺杂的玻璃光纤系统,4.2%的额外热量被上转换过程带入到了激光腔中,并且这些额外热量沉积主要是由累积能量转移上转换效应带入的,因此对于高浓度稀土离子掺杂的光纤激光器上转换效应会对系统的热沉积有很大的贡献,必须予以考虑。 以三维温度场模型的解析解为基础,通过利用热弹性位移势求解Navier-Cauchy热弹性运动方程,得到了光纤激光器的三维热应力场分布。同时,利用Langevin扩散方程探讨了腔内的热相位噪声。通过对比平面应变假说模型我们发现:由我们三维热应力场的解析解模型计算出的径向、轴向以及角向应力场不仅在数值上呈现出明显的区别(半径方向以及切向角方向最大应力处的值比平面应变假说高达3倍),而且在光纤截面的场分布也发生了根本变化。因此,我们的三维模型更适合用来研究短腔光纤激光的热应力场分布。 最后,我们建立了瞬态工作下的三维温度场模型,利用积分变换法推导了该模型的解析解,并利用有限元进行了数值证明。与在稳态情况的分析相似,通过求解Navier-Cauchy热弹性运动方程,得到了瞬态情况下的三维热应力场,并以方波脉冲为例分析了腔内瞬态温度场、应力场随脉宽与脉冲周期的变化关系以及瞬态热相位移。研究发现:温度、应力以及热相位移在泵浦初期都随时间的增加而增加,但最后将会趋于稳定,作与泵浦脉冲频率一样的周期波动。并且脉宽以及脉冲周期对于腔内热量的沉积有很重要的影响,占空比越大,腔内的热沉积就越严重,而脉宽以及脉冲周期对热应力的影响就更为复杂些。


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