國產(chǎn)摻tm3+光纖光譜特性研究

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要（關(guān)鍵詞）…………………………………………………………………………1</p><p>　　前言……………………………………………………………………………………1</p><p>　　1 光纖激光器簡介 ………………………………………………………………… 1</p&g

2、t;<p>　　1.1光纖激光器的發(fā)展 …………………………………………………………1</p><p>　　1.2光纖激光器的結(jié)構(gòu) …………………………………………………………2</p><p>　　1.3雙包層光纖 …………………………………………………………………2</p><p>　　1.4光纖激光器的分類 …………………………………………………

3、………3</p><p>　　1.5光纖激光器的優(yōu)勢 …………………………………………………………3</p><p>　　2 摻銩光纖激光器……………………………………………………………………4</p><p>　　2.1銩離子（Tm3+）能級結(jié)構(gòu)………………………………………………………4</p><p>　　2.2 Tm3+在石英光纖中的

4、吸收譜………………………………………………7</p><p>　　2.3摻銩光纖激光器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ………………………………………7</p><p>　　3 摻銩光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究………………………………………………………8</p><p>　　3.1摻銩光纖激光器的基本結(jié)構(gòu) ………………………………………………8</p><p>　　

5、3.1.1泵浦源 ……………………………………………………………………8</p><p>　　3.1.2耦合系統(tǒng) …………………………………………………………………9</p><p>　　3.1.3工作物質(zhì)…………………………………………………………………10</p><p>　　3.1.4諧振腔……………………………………………………………………10</p&

6、gt;<p>　　3.2 熒光譜 ……………………………………………………………………11</p><p>　　3.3激光器輸出特性與分析……………………………………………………12</p><p>　　3.3.1各種方案下激光器輸出功率……………………………………………12</p><p>　　3.3.2 激光光譜 ……………………………………………

7、…………………14</p><p>　　3.4 本章小結(jié) …………………………………………………………………16</p><p>　　4 總結(jié)與展望 ………………………………………………………………………16</p><p>　　參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………18</p><p>　　致謝 …………………

8、………………………………………………………………19</p><p>　　Abstract(Key Words)………………………………………………………………20</p><p>　　附錄 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)………………………………………………………………………21</p><p>　　國產(chǎn)摻Tm3+光纖光譜特性研究</p><p>　　【摘要】:摻

9、銩光纖激光器能產(chǎn)生2m波長的激光，為生物醫(yī)學(xué)、遙感探測以及光電對抗提供了有利工具。本文首先介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)、分類、優(yōu)點(diǎn)；接著介紹了銩離子能級特點(diǎn)，分析了摻銩光纖激光器的工作原理和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)Tm3+的能級特點(diǎn)，選擇了合適的泵浦方式，采用了幾種不同的諧振腔，利用785nm LD泵浦源對國產(chǎn)摻銩雙包層光纖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，產(chǎn)生了2m波段的激光，輸出功率2.48W，斜率效率61.50%，并利用光柵單色儀和光譜儀分別測試了激光光譜，

10、對激光器輸出特性進(jìn)行了分析。最后對實(shí)驗(yàn)方案提出了改進(jìn)意見。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】：光纖激光器；摻銩雙包層光纖；LD泵浦；2m激光</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　距世界上第一臺激光器發(fā)明已將近五十年了，期間，激光技術(shù)發(fā)展迅速。激光廣泛應(yīng)用于科技、軍事和經(jīng)濟(jì)等許多領(lǐng)域，這歸功于激光的四性，即單色性、相干性、

11、方向性和高亮度。激光器是指能夠發(fā)射激光的裝置。隨著激光科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光器的種類也由開始的單一的固體激光器發(fā)展到氣體激光器、液體激光器、光纖激光器、染料激光器等多種種類。其發(fā)展速度及勢頭不可謂不驚人。</p><p>　　在眾多激光器的種類中，光纖激光器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)獨(dú)樹一幟。其各種優(yōu)點(diǎn)也將在下文中一一陳述。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖激光器的種類也不斷增多。而在眾多光纖激光器中，又以摻雜光纖激光器最受眾多激光

12、研究者的關(guān)注。摻雜光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，應(yīng)用廣泛，前景誘人。眾多與摻雜光纖激光器相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)不斷涌現(xiàn)于各大知名科技報(bào)刊。其發(fā)展速度及規(guī)模在眾多光纖激光器中首屈一指。摻雜光纖激光器中摻雜的主要是各種稀土離子及其氧化物和混合物，包括有鉺（Er3+）、銩（Tm3+）、鐿（Yb3+）、釹（Nd3+）等等。摻雜光纖激光器大多采用半導(dǎo)體激光器泵浦，其實(shí)質(zhì)上是將某一波長的泵浦光轉(zhuǎn)化為另一波長的激光的波長轉(zhuǎn)換器，而得到的激光光束質(zhì)量大大優(yōu)于泵

13、浦光。光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。其發(fā)展前景值得我們拭目以待。</p><p>　　本文研究的主要是國產(chǎn)摻銩光纖。首先，文章介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)、分類及優(yōu)點(diǎn)，然后介紹了銩離子的能級特點(diǎn)，分析了摻銩光纖激光器的工作原理和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)Tm3+的能級特點(diǎn)，選擇了合適的泵浦方式，采用了幾種不同

14、的諧振腔，利用785nm的 LD泵浦源對國產(chǎn)摻銩雙包層光纖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，產(chǎn)生了2m波段的激光，測得了最大輸出功率及斜率效率，并利用光柵單色儀和光譜儀分別測試了激光光譜，對激光器輸出特性進(jìn)行了分析。</p><p>　　1 光纖激光器簡介</p><p>　　1.1 光纖激光器的發(fā)展</p><p>　　有關(guān)光纖激光器的研究最早見于20世紀(jì)60年代。美國光學(xué)公司的

15、斯尼澤（Snitzer）于1963年報(bào)道了在玻璃基質(zhì)中摻雜激活釹離子（Nd3+）所制成的光纖激光器。20世紀(jì)70年代以來，人們在光纖制備技術(shù)以及光纖激光器的泵浦與諧振腔結(jié)構(gòu)的探索方面取得了比較大進(jìn)展。而在20世紀(jì)80年代中期英國南安普頓大學(xué)摻鉺離子（Er3+）光纖的突破，使光纖激光器更具實(shí)用性，顯示出十分誘人的應(yīng)用前景。近期，隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，超快速光電子學(xué)非線性光學(xué)光傳感等各種領(lǐng)域應(yīng)用的研究已日益興盛。其中以光纖作基質(zhì)

16、的光纖激光器，在降低閾值振蕩波長范圍，波長可調(diào)諧性能等方面已明顯取得進(jìn)步，是目前光通信領(lǐng)域的新興技術(shù)。它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復(fù)用系統(tǒng)和未來相干光通信的基礎(chǔ)。光纖激光器逐漸成為當(dāng)今光電子技術(shù)研究領(lǐng)域中最前沿的研究課題之一。</p><p>　　1.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與一般激光器的結(jié)構(gòu)大體相同，由泵浦源

17、、諧振腔和增益介質(zhì)三部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。</p><p>　　摻雜光纖 激光輸出</p><p><b>　　泵浦光</b></p><p><b>　　未轉(zhuǎn)換的泵浦光</b></p><p>　　圖1 光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖</p>&

18、lt;p>　　其中，增益介質(zhì)為摻稀土離子的光纖，在摻雜光纖兩端放置兩個二色鏡構(gòu)成諧振腔。泵浦源大多采用半導(dǎo)體激光器，因此，光纖激光器實(shí)質(zhì)上是一個將某一波長的泵浦光轉(zhuǎn)化為另一波長的激光的波長轉(zhuǎn)換器，但其激光束質(zhì)量大大優(yōu)于半導(dǎo)體激光器。</p><p><b>　　1.3雙包層光纖</b></p><p>　　雙包層光纖的出現(xiàn)是光纖技術(shù)的一大突破，它使得高功率的光纖

19、激光器制作成為現(xiàn)實(shí)。自1988年E.Snitzer首次描述包層泵浦光纖激光器以來，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到光纖激光器領(lǐng)域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。 </p><p>　　圖2 雙包層光纖的截面圖</p><p>　　如圖2所示，雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層、保護(hù)層四部分構(gòu)成。纖芯由摻稀土元素的二氧化硅構(gòu)成，它作為激光振蕩的通道，對相關(guān)波長為單模；內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔

20、徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的二氧化硅構(gòu)成，是泵浦通道，對泵浦光波成是多模；外包層由折射率比內(nèi)包層小的材料構(gòu)成；保護(hù)層一般由硬塑料包圍，起保護(hù)光纖的作用。設(shè)為纖芯的折射率，為內(nèi)包層折射率，為外包層折射率，為保護(hù)層折射率。則滿足。</p><p>　　雙包層光纖的工作原理如圖3所示，在雙包層光纖中，內(nèi)包層既起到單模纖芯的低折射率包層的作用，又為傳輸大功率多模泵浦光的通道。泵浦光在內(nèi)包層和外包層之間來回反射,多次穿

21、過纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)的光纖不要求泵浦光是單模激光,而且可對光纖的全長度泵浦,因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi),大大提高了泵浦效率。</p><p>　　圖3 雙包層光纖的工作原理圖</p><p>　　1.4光纖激光器分類</p><p>　　光纖激光器種類很多,根據(jù)其激射機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)和輸出激光特性的不同

22、可以有多種不同的分類方式。根據(jù)目前光纖激光器技術(shù)的發(fā)展情況,其分類方式和相應(yīng)的激光器類型主要有以下幾種:</p><p>　?。?）按增益介質(zhì)分類稀土離子摻雜光纖激光器(Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+等,基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶),非線性效應(yīng)光纖激光器。在光纖中摻入不同的稀土離子,并采用適當(dāng)?shù)谋闷旨夹g(shù),即可獲得不同波段的激光輸出。</p><p>　?。?）按諧振腔結(jié)構(gòu)

23、分類F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及"8"字形腔、DBR光纖激光器（Distributed Bragg Reflector分布布拉格反射激光器）、DFB光纖激光器（Distributed Feedback Diode Lasers分布反饋式激光器）。</p><p>　?。?）按光纖結(jié)構(gòu)分類單和雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。</p><p&

24、gt;　?。?）按輸出激光類型分類連續(xù)光纖激光器,超短脈沖光纖激光器、大功率光纖激光器。</p><p>　　（5）按輸出波長分類S-波段(1460~1530 nm)、C-波段(1530~1565 nm)、L-波段(1565~1610 nm),可調(diào)諧單波長激光器,可調(diào)諧多波長激光器。</p><p>　　其中，目前發(fā)展最為迅速、應(yīng)用前景最為明朗的是摻稀土雙包層光纖激光器，它的發(fā)展方向代表著

25、高功率摻雜光纖激光器的發(fā)展方向。</p><p>　　1.5光纖激光器的優(yōu)勢</p><p>　　光纖激光器作為第三代激光技術(shù)的代表，具有以下優(yōu)勢： </p><p>　?。?）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可繞性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢。</p><p>　?。?）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴(yán)格的相位匹配，這是由于玻璃

26、基質(zhì)Stark 分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故。</p><p>　?。?）玻璃材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，所以上轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低。</p><p>　?。?）泵浦光被束縛在光纖中，能夠?qū)崿F(xiàn)高能量密度泵浦，因此泵浦閾值較低，可獲得塊狀激光介質(zhì)中難以實(shí)現(xiàn)的激光輻射。</p><p>　?。?）輸出激光波長多：這是因?yàn)橄⊥岭x子能級非常豐富

27、及其稀土離子種類之多。</p><p>　　（6）可調(diào)諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。 </p><p>　?。?）由于光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。 </p><p>　?。?）光纖導(dǎo)出，使得激光器能輕易勝任各種多維任意空間加工應(yīng)用，使機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常簡單。 </p>

28、<p>　　（9）勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。</p><p>　?。?0）光纖介質(zhì)具有很大的表面積/體積比，散熱好，無需采取水冷、風(fēng)冷等強(qiáng)制冷卻措施。</p><p>　　（11）高的電光效率：綜合電光效率高達(dá)20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運(yùn)行成本。 </p><p>　?。?2）高功率,目前商用化的

29、光纖激光器是六千瓦。</p><p>　　2 摻銩光纖激光器</p><p>　　摻銩光纖激光器是眾多摻稀土光纖激光器的一種，其產(chǎn)生的是2μm波段的激光。主要應(yīng)用于醫(yī)療、氣象、人眼安全和激光雷達(dá)等方面。近年來，2μm波段的激光更多地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如生物組織切割、疼痛神經(jīng)刺激等，該波段激光在外科上也有優(yōu)良的止血功能。摻銩光纖激光器應(yīng)用前景廣泛，吸引著人們繼續(xù)探索。</p>

30、<p>　　2.1銩離子（Tm3+）能級結(jié)構(gòu)</p><p>　　銩是在1879年由克利夫在瑞典發(fā)現(xiàn)的，英文名thulium，用以紀(jì)念克利夫的祖國所在地斯堪的納維亞半島（Thulia），元素符號曾為Tu，今為Tm。銩單質(zhì)是柔軟有延展性的銀白色金屬，密度為9.321g/ cm3，熔點(diǎn)為1545.0 ℃，沸點(diǎn)為1727.0 ℃。熔點(diǎn)時具有高的蒸氣壓。銩單質(zhì)溶于酸，能與水起緩慢化學(xué)作用。銩是元素周期表中處

31、于鑭系的第69號元素，原子量為168.9，核外電子排布為2,8,18,31,8,2。銩與其他稀土元素共存于硅鈹釔礦、黑稀金礦、磷釔礦和獨(dú)居石中。獨(dú)居石含稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般達(dá)50%，其中銩占0.007%。含量可謂極少。物以稀為貴，銩的昂貴價格在一定程度上限制了銩的相關(guān)研究發(fā)展。</p><p>　　銩（Tm3+）離子能級圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 銩離子能級示意圖</

32、p><p>　　由銩離子的能級圖我們可以看出，銩離子的能級比較豐富，躍遷方式也比較多。常見的泵浦方式有如下三種。</p><p><b>　?。?）—</b></p><p><b>　　圖5 —</b></p><p>　　圖5是—泵浦方式的激發(fā)過程與躍遷過程?！募ぐl(fā)躍遷可由 1.58m波長的泵浦

33、源激發(fā)。Tm3+吸收泵浦光,從基態(tài)激發(fā)到能級 ,使和之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)Tm3+從態(tài)向基態(tài)躍遷時會產(chǎn)生2μm左右波長的激光。</p><p>　　—泵浦方式直接，態(tài)吸收譜較寬 ,但其所需泵浦光源的可選擇性較差 ,價格昂貴 ,基態(tài)的吸收截面小 ,功率轉(zhuǎn)換效率低。所以目前較少采用這種泵浦方式。</p><p><b>　?。?）—</b></p><p

34、><b>　　圖6 —</b></p><p>　　—泵浦方式的激發(fā)過程與躍遷過程如圖6所示 ,基態(tài)的Tm3+吸收0.79μm的泵浦光后激發(fā)到能級 ,其通過光子自猝滅過程衰變到態(tài) ,同時放出光子,把態(tài)的Tm3+激發(fā)到,能級上的Tm3+向基態(tài)躍遷 ,發(fā)射波長在2μm波段的激光。</p><p><b>　?。?）—</b></p>

35、<p><b>　　圖7 —</b></p><p>　　圖7給出了—的激發(fā)過程與躍遷過程。在1.064μm激光泵浦下，Tm3+吸收泵浦光子，從基態(tài)激發(fā)到態(tài),然后無輻射弛豫到態(tài)，從態(tài)向基態(tài)躍遷產(chǎn)生2μm左右的激光光?；鶓B(tài)有13個Stark子能級,態(tài)有9個Stark子能級,由態(tài)向基態(tài)的躍遷可以產(chǎn)生很寬的寬帶。</p><p>　　采用—泵浦方式泵浦時,其中

36、有一部分能級上的Tm3+會再吸收泵浦光子,躍遷到激發(fā)態(tài),然后無輻射馳豫至。從能級躍遷回基態(tài)產(chǎn)生近紅外光。一部分能級上的Tm3+再吸收泵浦光子，躍遷至激發(fā)態(tài),而從該態(tài)躍遷到態(tài) ,將產(chǎn)生紅光；若躍遷到基態(tài),則會產(chǎn)生藍(lán)光,其光強(qiáng)度大于紅光強(qiáng)度,這將對光纖激光器產(chǎn)生不利的影響。</p><p>　　2.2 Tm3+在石英光纖中的光學(xué)吸收譜</p><p>　　圖8 Tm3+在石英光纖中的光學(xué)吸收譜

37、</p><p>　　由圖8中Tm3+在石英光纖中的吸收譜可以知道，銩離子在泵浦光波長為800nm左右時的吸收能力最強(qiáng)，我們可以考慮用該波段的激光泵浦摻銩光纖。其發(fā)射出的激光波長在2μm左右。</p><p>　　2.3摻銩光纖激光器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　在國外，摻Tm3+光纖激光器的研究工作取得很大進(jìn)展，能夠獲得較高的功率輸出。2003年悉尼大學(xué)光

38、學(xué)光纖技術(shù)中心用Yb3+、Tm3+和Al3+共摻雙包層硅基光纖和雙波泵浦方式（泵浦源分別為輸出975nm和805nm的半導(dǎo)體激光器）實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波18W高效率激光輸出。2005年丹麥科技大學(xué)采用了790nm波長、590mW的鈦寶石激光器泵浦一段4.7cm長的摻銩硅基光纖，當(dāng)泵浦功率增加至590mW時，獲得1mW的1735nm波長激光輸出。德國IPG光子公司網(wǎng)站報(bào)道的采用輸出980nm半導(dǎo)體激光陣列作為泵浦源，用光纖溶錐泵浦技術(shù)和光纖光柵諧

39、振腔技術(shù)實(shí)現(xiàn)的摻Tm3+雙包層光纖激光器已達(dá)到150W的連續(xù)波輸出。這邁出了高功率光纖激光器研究的重大一步，具有非同凡響的意義。</p><p>　　在我國，對摻Tm3+光纖激光器的研究工作起步較晚，與國外相比存在不小的差距，但在摻Tm3+光纖激光器方面的研究工作有很大進(jìn)展。1999年杜戈果等使用LD泵浦Nd：YAG輸出1053nm波長激光作為泵浦源，測試了不同光纖長度下輸出激光的中心波長。2000年，中科院西安

40、光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用摻Tm3+單模石英光纖，分別做了1.9μm激光實(shí)驗(yàn)和頻率上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生可見光的實(shí)驗(yàn)，成功獲得了1.87μm的激光輸出和紫外光（387.4nm）、藍(lán)光（477.4nm）、紅光（651.4nm）、近紅外光（802.9nm）上的轉(zhuǎn)化熒光。2007年，深圳大學(xué)研究小組研究了LD泵浦摻銩激光器，對速率方程、數(shù)值進(jìn)行了分析。</p><p>　　雖然我國摻銩激光器的研究與國外存在不小的差距，但

41、基于摻銩激光器的應(yīng)用前景和廣泛的市場，相信我國對摻銩光纖激光器的研究會獲得更大的進(jìn)展，讓我們拭目以待。</p><p>　　3 摻銩光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　3.1 摻銩光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　和前面所介紹的光纖激光器一樣，摻銩光纖激光器由三個基本部分構(gòu)成：泵浦源、工作物質(zhì)和諧振腔。泵浦源的能量激勵摻銩雙包層光纖纖芯中的銩離子，形成

42、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射的光子在諧振腔中振蕩放大，最終形成激光輸出。</p><p>　　3.1.1泵浦源 </p><p>　　泵浦源是指向工作物質(zhì)供給能量的能源，其將工作物質(zhì)中的原子或分子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　根據(jù)銩離子的吸收光譜（銩離子在泵浦光波長為800nm左右時的吸收能力最強(qiáng)）和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)選擇的泵浦源是由

43、nLingt公司生產(chǎn)的型號為BJ-LD-30F的半導(dǎo)體激光器。泵浦光光譜如圖9所示，其中心波長為785nm，線寬為1.4nm。</p><p><b>　　圖9 泵浦光光譜</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的激光系統(tǒng)是四能級系統(tǒng)，銩離子的泵浦方式為—，如圖6所示，基態(tài)的Tm3+吸收785nm的泵浦光后激發(fā)到能級 ,其通過光子自猝滅過程衰變到態(tài) ,同時放出光子,把態(tài)的

44、Tm3+激發(fā)到,能級上的Tm3+向基態(tài)躍遷 ,發(fā)射出的激光波長在2μm波段。</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)測得泵浦源的P-I特性曲線如圖10所示。該曲線基本呈一直線，說明泵浦源正常工作。</p><p>　　圖10 泵浦源P-I曲線</p><p>　　3.1.2 耦合系統(tǒng)</p><p>　　設(shè)通過耦合系統(tǒng)后的功率為P1，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，測得P1

45、-I曲線如圖11所示。</p><p>　　圖11 聚焦準(zhǔn)直后的P1-I曲線</p><p>　　通過上述圖表的比較，我們不難發(fā)現(xiàn)，通過聚焦準(zhǔn)直系統(tǒng)后，泵浦源的輸出功率變小，耦合系統(tǒng)的透過率為85.95%。</p><p>　　截取一小段國產(chǎn)摻銩雙包層光纖，進(jìn)行耦合效率的測試。測試實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示。</p><p><b>　

46、　摻銩雙包層光纖</b></p><p><b>　　準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)</b></p><p>　　圖12 耦合效率測量裝置</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)，求得平均耦合效率為30.83%。由此可見，我們的耦合效率并不高。經(jīng)分析，原因如下：一是調(diào)整架的精度不夠，加上手工調(diào)節(jié)，難免出現(xiàn)誤差；二是所用光纖的端面切割的不夠平整；三是準(zhǔn)直聚焦系

47、統(tǒng)不夠完善。</p><p>　　3.1.3 工作物質(zhì) </p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用的是國產(chǎn)摻Tm3＋雙包層光纖。其截面示意圖如圖13所示。由圖可見，內(nèi)包層的截面是六邊形，這是為了減少泵浦光線中的螺旋光線，與圓形的內(nèi)包層形狀的光纖相比，泵浦吸收效率大大提高。</p><p>　　光纖相關(guān)系數(shù)如下：光纖長度為4.5m；對790nm激光的吸收系數(shù)是5dB/m

48、；纖芯數(shù)值孔徑為0.2；內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.46；纖芯直徑為27.5μm；內(nèi)包層直徑為400μm；第一涂覆層直徑為520μm；第二涂覆層直徑為700μm。</p><p>　　圖13 摻銩光纖截面示意圖</p><p><b>　　3.1.4諧振腔</b></p><p>　　諧振腔結(jié)構(gòu)如圖14所示</p><p>&l

49、t;b>　　二色鏡二色鏡</b></p><p><b>　　摻銩光纖</b></p><p>　　圖14 光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖 </p><p>　　兩反射鏡構(gòu)成Fabry-Perot腔，泵浦光入射端的二色鏡使泵浦光完全透過，而使腔內(nèi)激光全反射，輸出端為部分反射鏡。</p><p>　　本

50、實(shí)驗(yàn)所用鏡片參數(shù)如下：</p><p>　　后腔鏡：對波長范圍在1900nm—2100nm的光高反，對波長范圍在780nm—800nm的光高透。</p><p><b>　　前腔鏡（3種）：</b></p><p>　?、賹ΣㄩL為2μm的光透過率為50%，對790nm的光高反，反射率>99%;</p><p>　　

51、②對波長為2μm的光透過率為65%，對791nm的光高反，反射率>98%;</p><p>　　③對波長在1.6μm—2μm的光平坦高透，透過率>95%，對790nm的光高反，反射率>99%。</p><p><b>　　3.2熒光譜</b></p><p>　　圖15 測熒光譜實(shí)驗(yàn)裝置裝置</p><p

52、>　　測熒光譜的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖15所示，其中，所用光譜儀為傅立葉變換紅外光譜儀，其型號為TENSOR,配套軟件OPUS 6.5，為防止損壞儀器，所有光在進(jìn)入儀器測量前均進(jìn)行了衰減，一般功率不超過3mW。</p><p>　　按裝置圖連接好系統(tǒng)，進(jìn)行測量，通過相關(guān)軟件處理，得到熒光譜如圖16所示。</p><p>　　圖16 實(shí)驗(yàn)測得的熒光譜</p><p>

53、　　由所得的熒光譜可以看出，該國產(chǎn)摻銩光纖能泵浦產(chǎn)生激光的可調(diào)諧范圍比較寬，可獲得多種2μm波段的激光。</p><p>　　3.3 激光器的輸出特性與分析</p><p>　　3.3.1 各種方案下激光器的輸出功率</p><p>　　在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，我們采用了3種不同的鍍膜鏡片組合進(jìn)行測試，選擇輸出功率最大的組合作為測激光光譜的裝置。</p><

54、;p>　?。?）方案一 在后腔鏡確定情況下，使用對2μm波段激光透過率為50%的前腔鏡。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖17所示。</p><p>　　圖17 使用透過率為50%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　設(shè)該方案激光輸出功率為Pout1，通過實(shí)驗(yàn)，測得Pout1-I曲線如圖18所示。</p><p>　　圖18 使用透過率為50%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)所得曲線</

55、p><p>　　（2）方案二 在后腔鏡確定情況下，使用對2μm波段激光透過率為65%的前腔鏡。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖19所示。</p><p>　　圖19使用透過率為65%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　設(shè)該方案激光輸出功率為Pout2，通過實(shí)驗(yàn)，測得Pout1-I曲線如圖20所示。</p><p>　　圖20 使用透過率為65%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)所

56、得曲線</p><p>　　(3）方案三 在后腔鏡確定情況下，使用對2μm波段激光透過率為95%的前腔鏡。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖21所示</p><p>　　圖21 使用透過率為95%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　設(shè)該方案激光輸出功率為Pout3，通過實(shí)驗(yàn)，測得Pout3-I曲線如圖22所示。</p><p>　　圖22 使用透過率為95

57、%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)所得Pout3-I</p><p>　　設(shè)入纖光功率為Pin，綜合各方案，得Pout-Pin曲線如圖23所示。</p><p>　　圖23 Pout-Pin曲線</p><p>　　所求斜率效率即為各方案直線的斜率，求得方案一的斜率效率為30.61%，方案二的斜率效率為61.50%，方案三的斜率效率為35.83%。</p><p&g

58、t;　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求各方案的光光轉(zhuǎn)換效率。求得方案一的光光轉(zhuǎn)換效率為16.52%，方案二的光光轉(zhuǎn)換效率為37.24%，方案三的光光轉(zhuǎn)換效率為19.52%。</p><p>　　通過上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)，在相同電流下，方案二（使用65%的透鏡作為前腔鏡）所得的激光輸出功率是所有方案中最高，且當(dāng)泵浦源電流為5.00A時，其激光輸出功率最大為2.48W，比其它兩方案均高。綜合斜率效率及光光轉(zhuǎn)換效率，方案二均

59、比其它兩方案要高出許多。因此，我們選擇該方案為測激光光譜的實(shí)驗(yàn)方案。</p><p><b>　　3.3.2激光光譜</b></p><p>　　測激光光譜選用的是以65%的透鏡的裝置。實(shí)際測激光光譜時，分別使用了單色儀和光譜儀兩種不同的測量方法。</p><p>　?。?）使用單色儀測激光光譜。實(shí)驗(yàn)裝置如下。</p><p

60、>　　后腔鏡M1 前腔鏡透過率=65%</p><p><b>　　摻銩雙包層光纖</b></p><p>　　準(zhǔn)直—聚焦系統(tǒng) </p><p>　　圖24 單色儀測激光光譜實(shí)驗(yàn)裝置</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中所用單色儀型號為WDG-30,其中放置的是30

61、0線/mm的光柵，光柵的中心波長為2μm。光通過入射狹縫入射到光柵單色儀，通過手動旋轉(zhuǎn)單色儀的波長手輪，可以得到不同波長的單色光束。通過測量及數(shù)據(jù)處理，得激光光譜如圖25所示。</p><p>　　圖25 單色儀測激光光譜實(shí)驗(yàn)所得光譜</p><p>　　通過處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到激光光譜的中心波長為2026nm，線寬為3.2nm。測得的激光光譜的線寬不精確，這是由于光柵單色儀使用手動旋轉(zhuǎn)，

62、誤差比較大。</p><p>　　(2)使用光譜儀測激光光譜</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)裝置圖如下</b></p><p>　　圖26 使用光譜儀測激光光譜裝置</p><p><b>　　所得光譜如下圖所示</b></p><p>　　圖27 使用光譜儀所得激光光譜

63、</p><p>　　通過使用光譜儀相關(guān)軟件分析，得激光光譜的中心波長為2026nm，線寬為1.67nm。與利用光柵單色儀所得的激光光譜的結(jié)果相對比，中心波長相同，但是線寬卻比光柵單色儀的結(jié)果小得多了。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了摻銩光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)，包括泵浦源、耦合系統(tǒng)、工作物質(zhì)和

64、諧振腔。測得了泵浦源的P-I曲線，得到耦合系統(tǒng)的耦合效率為30.83%。利用光譜儀測得了熒光譜，使用了三種不同的實(shí)驗(yàn)方案對激光器的輸出特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。測試了各方案下，激光器的輸出功率，獲得了三種方案下的最大輸出功率、斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率。通過最大輸出功率、斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率等方面的比較，選擇方案二為最佳實(shí)驗(yàn)方案，其最大輸出功率為2.48W（I=5A），斜率效率為61.50%，光光轉(zhuǎn)換效率為37.24%。</p>

65、<p>　　使用方案二，分別利用光柵單色儀和光譜儀測試了激光光譜。利用光柵單色儀測得激光光譜的中心波長為2026μm，線寬為3.2nm。利用光譜儀測得的激光光譜的中心波長為2026μm，線寬為1.67nm，這與進(jìn)口摻銩光纖相比還有一定差距。</p><p>　　總的來說，這次實(shí)驗(yàn)是非常成功的。我們成功地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，利用LD泵浦源泵浦國產(chǎn)摻銩雙包層光纖，研究了不同泵浦電流下的激光特性，測量出了激光光譜

66、，解決了泵浦光光束的改善及摻銩雙包層光纖的耦合問題。測得了激光光譜。</p><p><b>　　4 總結(jié)與展望</b></p><p>　　本文利用實(shí)驗(yàn)的方法對國產(chǎn)雙包層摻銩光纖進(jìn)行了研究。通過對LD泵浦源的輸出測試，成功繪制了泵浦電源的P-I曲線,由曲線，我們可以知道泵浦源工作正常。同時，利用光譜儀測試，得到了泵浦光光譜。利用小段光纖進(jìn)行耦合，通過測試，獲得了平

67、均耦合效率。實(shí)驗(yàn)中，成功搭建了摻銩光纖激光器的系統(tǒng)，嘗試了三種不同的組合，測的了各種組合的激光輸出功率隨泵浦電流的變化情況。通過最大輸出功率、斜率效率、光光轉(zhuǎn)換效率等方面的分析比較，選擇了最佳的耦合系統(tǒng)。通過平均耦合效率計(jì)算，獲得入纖光功率，求得了最佳方案的斜率效率為61.50%，獲得的最大輸出功率為2.48W。利用光柵單色儀測試了系統(tǒng)的激光光譜，獲得激光光譜的中心波長為2026nm，線寬為3.2nm。利用光譜儀激光光譜，獲得其中心波長

68、為2026nm，線寬為1.67nm。通過比較，我們不難發(fā)現(xiàn)，利用光柵單色儀所得激光光譜的線寬并沒有光譜儀所得的理想。這是因?yàn)樗霉鈻艈紊珒x精度不如光譜儀，且人工操作，誤差較大。</p><p>　　針對本實(shí)驗(yàn)的許多不足，可從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：</p><p>　?。?）改善泵浦光的質(zhì)量，由銩離子的吸收光譜可知，當(dāng)泵浦光的波長為800nm時，其吸收效率最高，為此，我們可采用更理想的泵浦源來

69、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。</p><p>　　（2）改善泵浦光的聚焦耦合系統(tǒng)，通過周密設(shè)計(jì)的聚焦耦合系統(tǒng)，能更好地提高泵浦光的注入效率。</p><p>　?。?）使用質(zhì)量更好的光纖進(jìn)行研究，確保光纖無漏光等現(xiàn)象。</p><p>　?。?）改善光纖端面的質(zhì)量，光纖端面的平整度越好，耦合的效果越佳?？梢酝ㄟ^更良好的光纖切割儀器切光纖。</p><p>

70、　　（5）在實(shí)驗(yàn)條件容許的情況下，我們可以使用更多的透鏡組合，這樣，就有更多的實(shí)驗(yàn)方案可供選擇。</p><p>　?。?）在飽和泵浦功率范圍內(nèi)，盡可能地增加輸入泵浦光功率，這理所當(dāng)然能獲得更高的輸出功率。</p><p>　?。?）使用更高精度的調(diào)整架，可減少誤差。</p><p>　　摻銩光纖激光器在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛了，尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面，對它的研究也將

71、越來越深入。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過測光纖耦合效率，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)摻銩光纖的耦合效率并不高，這大大限制了激光器的輸出功率。展望未來，通過一系列的研究，獲得解決摻銩光纖激光器耦合效率低的方法，這值得我們期待。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　1．周炳琨等編著。激光原理，國防工業(yè)出版社，2004年8月第5版</p><p>

72、;　　2．聶秋華。光纖激光器和放大器技術(shù)，電子工業(yè)出版社，1997年3月</p><p>　　3．杜戈果等。摻Tm3+石英光纖頻率上轉(zhuǎn)換過程的實(shí)驗(yàn)研究。激光與紅外，1999, 29(2): 102-106</p><p>　　4．楊殿來等。Tm3+/Yb3+共摻鉍碲酸鹽玻璃中的高效藍(lán)色上轉(zhuǎn)換熒光, 物理學(xué)報(bào), 2006, 55(8): 4304-4309</p><p&

73、gt;　　5．黎大軍，杜戈果，閆培光。LD泵浦摻銩(Tm3+)光纖激光器的數(shù)值分析, 應(yīng)用光學(xué)，2007,28(4): 439-444</p><p>　　6．黎大軍，杜戈果。摻銩光纖激光器研究進(jìn)展，激光技術(shù), 2007, 31(5): 540-543</p><p>　　7．魏瑞，裴麗。2μm波長摻Tm3+光纖激光器的研究進(jìn)展。光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2007年第6期，6-8</p

74、><p>　　8．楊昆，任秋實(shí)等。2μm銩（Tm）激光器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。激光與光電子學(xué)進(jìn)展。2005年第9期，52-56</p><p>　　9．魏瑞。摻銩光纖激光器研究。北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008</p><p>　　10．劉沛沛，白楊等。2μm光纖激光器的研究進(jìn)展。紅外與激光工程，2009.2，45-49</p><p>　　11

75、．黃永明。光纖激光器的發(fā)展概況?？萍硷L(fēng)，2009</p><p>　　12．劉國華。高功率光纖激光器。華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2007</p><p>　　13．黎大軍。摻銩雙包層光纖激光器的研究。深圳大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007</p><p>　　14.百度百科。激光器。http://baike.baidu.com/view/131593.html?wtp=tt

76、</p><p>　　15.百度百科。光纖激光器。http://baike.baidu.com/view/164924.html?wtp=tt</p><p>　　16.夏林中，杜戈果，阮雙琛，黎大軍，王志超。Cladding-pumped Tm-doped silica fiber laser with high output power and good beam quality。 光

77、子學(xué)報(bào)，2008，37(6): 1089-1091</p><p>　　17.G. P. Frith et al。85W Tm3+-doped silica fibre laser, Electronics Letters, 2005, 41(12): 687-689 </p><p>　　18.J. F. Wu et al。 Efficient thulium-doped 2m germ

78、anate fiber laser。 IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(1-4): 334-336</p><p>　　19.Stuart D. Jackson, Simon Mossman . Recent Progress in the Development of Tm3+-doped Silica Fibre Lasers. Optical Fibre

79、 Technology Centre, Australian Photonics CRC, The Universiy of Sydney,206 National Innovation Centre, Australian Technology Park.1430 Eveleigh, Sydney, Australia</p><p><b>　　致謝</b></p>&l

80、t;p>　　本研究及學(xué)位論文是在杜戈果教授的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，杜老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)。感謝胡輝師兄在實(shí)驗(yàn)研究及論文撰寫期間給予的熱情幫助，胡師兄樂于助人，精通專業(yè)知識，幫助我糾正了許多錯誤。</p><p>　　Experimental Research on Spectrum Char

81、acteristic of Domestic Tm3+-doped Fiber</p><p>　　【Abstract】:The Tm3+-doped fiber laser can produce laser of 2m wavelength. It provides useful tools for biomedicine, remote sensing detection and optoelectroni

82、c counterwork. The thesis introduced the structure, classification and advantages of the fiber laser at first. According to the characteristics of Tm3+s energy level, the suitable pump method with several different reson

83、ant cavities was chosen. Research on the domestic Tm3+-doped double cladding fiber was demonstrated pumped by a 785nm LD. </p><p>　　【Key Words】:fiber laser; Tm3+-doped double cladding fiber; LD pumping; 2m L

84、aser </p><p><b>　　附錄 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　表1 泵浦源P-I曲線測量數(shù)據(jù)</p><p>　　表2 聚焦準(zhǔn)直后的P1-I曲線測量數(shù)據(jù)</p><p>　　表3 耦合效率測量數(shù)據(jù)</p><p>　　表4 使用透過率為50%的前腔鏡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)</p