Tm3+摻雜硫系光子晶體光纖增益特性理論研究.pdf

1、稀土摻雜光纖激光器和放大器在空間探測、紅外遙感、軍事和民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但目前商用的光纖激光器和放大器多采用石英介質(zhì)的傳統(tǒng)單模光纖，這就限制了其在中遠紅外波段的大氣第二和第三窗口的應(yīng)用，同時由于傳統(tǒng)光纖纖芯較細，在高輸入功率下易產(chǎn)生非線性效應(yīng)，對光纖端面造成損傷甚至燒壞光纖，不利于高質(zhì)量激光光束的產(chǎn)生和傳輸。
　　為了從基質(zhì)材料和光纖結(jié)構(gòu)兩方面改善光纖激光器和放大器的性能，本論文在前人研究基礎(chǔ)上開展了對Tm3+離子摻雜硫

2、系光子晶體光纖增益特性的理論研究，選取GeS2-Ga2S3-CsI硫鹵玻璃系統(tǒng)作為基質(zhì)材料，完成了從基質(zhì)玻璃制備、光譜特性測試與參數(shù)計算、四能級放大器模型的建立、光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計與模場分布計算和中紅外增益特性模擬等一系列的工作，為中紅外波段硫系玻璃基質(zhì)的高功率PCF激光器和放大器的設(shè)計實現(xiàn)提供相關(guān)的理論依據(jù)。
　　論文第一章緒論首先介紹了中紅外光源的應(yīng)用及產(chǎn)生方式，重點綜述了稀土離子尤其是Tm3+離子摻雜硫系玻璃中紅外發(fā)光的研

3、究情況。接下來介紹了硫系光子晶體光纖的基本理論和發(fā)展歷程，分析了稀土離子摻雜硫系PCF放大器的研究現(xiàn)狀，最后在前人理論和實驗的基礎(chǔ)上提出了本論文的研究內(nèi)容、手段、目的和意義。
　　第二章主要從三個方面概述了本論文所用到的理論知識，一是稀土摻雜硫系玻璃基質(zhì)光譜參數(shù)的計算，包括Judd-Ofelt理論、Futchbauer-Ladenburg理論以及Mc-Cumber理論；二是光纖放大器的理論基礎(chǔ)，包括稀土摻雜光纖放大器的原理、四能級

4、系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)移過程和增益特性模擬方法；三是研究微結(jié)構(gòu)光纖的理論方法。
　　第三章介紹了本論文所用到的硫系玻璃樣品的制備工藝和樣品性能測試方法，包括熱穩(wěn)定性、吸收光譜、熒光光譜等。
　　第四章研究了Tm3+摻雜GeS2-Ga2S3-CsI硫鹵玻璃傳統(tǒng)單模光纖在中紅外3.73μm的增益特性。計算了 Tm3+離子的光譜參數(shù)，在綜合各種能級躍遷的基礎(chǔ)上建立了四能級放大器模型，討論了不同泵浦功率下光纖放大器的寬帶放大效果，結(jié)果顯示出硫

5、鹵玻璃摻銩傳統(tǒng)光纖在中紅外波段具有高信號增益和寬增益譜，同時也存在適宜的光纖長度和泵浦功率以獲得最佳信號增益。
　　第五章進一步研究了光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)和模場分布，討論了GGSI硫系光子晶體光纖中紅外波段的增益特性，并與傳統(tǒng)單模光纖在相同參數(shù)下的增益特性進行對比，接下來分析了泵浦功率、信號功率、光纖長度和背景損耗對輸出信號增益的影響，模擬結(jié)果顯示論文中設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu)最大增益值達到33 dB，20 dB增益帶寬超過200 nm，

6、因此該PCF放大器適于中紅外多波段的寬帶放大應(yīng)用。
　　第六章主要研究了Tm3+摻雜 GGSI硫系光子晶體光纖放大器在1.8μm波段的增益性能。計算了Tm3+離子在1.8μm波段的吸收截面和發(fā)射截面，建立了該波段下的粒子數(shù)速率-光功率傳輸方程，討論了設(shè)定參數(shù)條件下的信號光放大品性，結(jié)果顯示最大增益值達到39 dB，光纖最佳長度約為0.6 m。
　　最后結(jié)論部分全面總結(jié)了本論文的研究工作，并指出了研究過程中的不足和需要進一步深