高功率掺镱光纤超荧光光源技术研究

论文摘要

高功率掺镱光纤超荧光光源（Yb-Doped Superfluorescent Fiber Source,YDSFS）具有结构简单、无驰豫振荡与自脉冲、时域稳定性好等优点,在科学研究、军事国防和生物医疗等领域具有广泛的应用前景。然而,YDSFS单纤输出功率的提升受到了热效应、非线性效应等因素的极大限制,制约了其应用领域的进一步拓展。为了实现更高功率的超荧光输出,目前普遍采用的技术方案是在实现单纤高功率超荧光窄带输出的基础上,通过光谱组束来进一步提升YDSFS的输出功率。本论文对超荧光种子光源、超荧光窄带信号放大以及光谱组束进行了理论和实验研究,主要工作和创新点如下:（1）引入温度变量,建立了基于镱离子辐射截面和吸收截面温度特性的YDSFS数值分析理论模型,系统研究了温度等参数对超荧光光源输出特性的影响。理论分析表明,当温度增加时,镱离子能级粒子数分布发生改变,导致输出光谱短波范围强度减弱,中心波长红移,输出功率下降。此外,在温度一定的情况下,增益光纤长度的增加和吸收系数的增加使得输出光谱短波范围强度降低,中心波长红移,前向输出功率先增加后减小,后向输出功率逐渐趋于饱和;泵浦功率的增加不会对输出光谱造成太大影响,但中心波长发生蓝移,输出功率在一定范围内线性增加。研究结果对超荧光种子光源的系统设计具有重要的理论指导意义。（2）基于波长调谐技术和窄带超荧光信号放大技术,实现了1034 nm-1085 nm波段内任意中心波长的高功率全光纤超荧光窄带输出。利用单级超荧光光源和可调谐滤波器获得了中心波长连续可调的窄带超荧光光源,经过功率放大后,在1045 nm-1085 nm波段内各个波长输出功率均超过930 W,光谱半高全宽范围为0.51 nm-0.71 nm,展宽系数约0.11 nm/kW,光束质量因子M2为1.4（@1065 nm）;在小于1045 nm波段内,基于速率方程理论对增益光纤参数和滤光比进行了优化,获得了中心波长为1034.18 nm、功率为214.64 W、光谱半高全宽为0.82 nm的高功率全光纤短波YDSFS。研究结果对于实现密集光谱组束和拓展组束波段以增加组束路数,提升YDSFS输出功率具有重要作用。（3）针对高功率辐照下光谱组束器件的热畸变问题,在理论分析了多层介质膜光栅的温度特性与畸变特性的基础上,提出了一种环状剖空的热畸变自补偿基底优化结构,使得距辐照中心2 mm处的畸变变化量从51.2 nm降低为7.8 nm,距辐照中心3 mm（辐照半径）处的畸变变化量从92.0 nm降低为64.9 nm。研究结果对于优化组束器件结构,实现辐照区域平坦化具有重要的参考价值。（4）验证了利用窄带YDSFS进行密集光谱组束获得高功率超荧光输出的可行性。实验选取1057.04 nm-1069.11 nm波长范围内的21路窄带YDSFS对密集光谱组束进行了验证,子光束平均波长间隔为0.6035 nm,合成光束的光束质量因子Mx2和My2分别为2.924和1.918。研究结果为有效利用YDSFS输出带宽,突破组束路数限制,实现高功率超荧光输出提供了一种可行的技术方案。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 高功率超荧光光纤光源发展现状
•   1.2 高功率掺镱光纤超荧光光源关键技术问题
•   1.3 本文研究内容与章节安排
• 第2章 掺镱光纤超荧光光源理论基础
•   2.1 发光机理
•   2.2 镱离子能级结构
•   2.3 掺镱光纤超荧光光源
•     2.3.1 理论模型
•     2.3.2 速率方程求解
•   2.4 小结
• 第3章 单级掺镱光纤超荧光光源输出特性
•   3.1 单级掺镱光纤超荧光光源模型
•   3.2 温度对单级掺镱光纤超荧光光源输出特性的影响
•     3.2.1 温度相关的YDSFS理论模型
•     3.2.2 数值仿真与讨论
•     3.2.3 实验装置与结果
•   3.3 器件参数对单级掺镱光纤超荧光光源输出特性的影响
•     3.3.1 增益光纤长度
•     3.3.2 吸收系数
•     3.3.3 泵浦功率
•   3.4 小结
• 第4章 高功率全光纤窄带掺镱超荧光光源
•   4.1 高功率全光纤中心波长连续可调窄带掺镱超荧光光源
•     4.1.1 实验装置
•     4.1.2 实验结果与讨论
•   4.2 高功率全光纤短波窄带掺镱超荧光光源
•     4.2.1 理论仿真与分析
•     4.2.2 实验装置
•     4.2.3 实验结果与讨论
•   4.3 小结
• 第5章 组束器件畸变与掺镱光纤超荧光光源密集光谱组束
•   5.1 组束器件的温度特性与畸变特性
•     5.1.1 多层介质膜光栅
•     5.1.2 有限元建模
•     5.1.3 模型自洽验证
•     5.1.4 温度特性与畸变特性
•   5.2 光栅热畸变自补偿结构
•     5.2.1 热畸变自补偿结构
•     5.2.2 剖空厚度对热畸变的影响
•     5.2.3 圆柱半径对热畸变的影响
•     5.2.4 热畸变对比
•   5.3 21 路密集光谱组束实验
•     5.3.1 实验装置
•     5.3.2 实验结果与讨论
•   5.4 小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 论文主要工作
•   6.2 论文创新点
•   6.3 工作展望
• 参考文献
• 附录 缩略词
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴鹏

导师: 王屹山,赵保银

关键词: 超荧光,超荧光光源,放大自发辐射,高功率,光纤光源

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN253

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000078

总页数: 125

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