20000字硕士毕业论文高功率光纤放大器的伦理与探讨
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：20000字
论点：放大器,光纤,激光
论文概述：
从而降低了对泵浦光源的要求，可以使用高度商品化的976 rim的半导体激光器作为泵浦源。
论文正文：
第一章导言
光纤放大器/激光器的发展背景自从激光器自1961年问世以来一直推进了社会的进步，广泛受到研究，其中光纤激光器以其优良的特性受到科研工作者们的青睐。在国防科技和工业生产应用领域中，例如工业加工，激光武器，激光核聚变等，要求激光束具有很高的功率。为了使光纤激光器可以容纳极高的功率或能量，必须大大增加光纤的模场面积，但是大模场的激光器产生的激光束在高功率工作条件下难以保持良的性能(发散角、单色性、脉宽等)。此外，高功率激光束在谐振腔内往返传输还会对腔内工作物质和光学元件造成永久损伤。因此，为了获得高质量、高功率(能量)激光束，科研工作者们提出各种解决方案。其中较为常见的有两种技术。一是相干合成，即对多路激光进行相干组束合成。可以在保持较好的光束质量的同时获得高功率输出，输出激光的频谱特性也较好，近年来成为高功率激光领域的研究热点。然而路(}3)光束组束的研究进展缓慢，短时间内难以在生产实践中得以应用。另外则是利用光放大器技术，采用一级或多级激光放大器将小功率激光器输出的优质激光束功率放大的方法，是目前获得高功率激光的可行方案之一。 根据增益机制的不同，目前的光放大器主要分为两类:一类是采用活性介质，如半导体材料和掺稀土元素(E尸十，P尸十，Tm3+} Nd3+} Yb3十)的光纤，利用受激辐射机制实现光放大，制作成半导激光放大器和掺杂光纤放大器;另一类放大器则是基于光纤的非线性效应，利用光纤的非线性效应实现光放大，如光参量光纤放大器、光纤拉曼放大器和光纤布里渊放大器。半导体光放大器是利用半导体材料的受激辐射放大机制，实现相干光放大，其原理和结构与半导体激光器相似。由于InGaAsP能在1.31 },m和1.55 }m两个通信窗口上对光信号提供宽带增益【’]，因此由于光通信的发展需求，InGaAsP半导体光放大器(SOA)得到过广泛研究，但由于SOA所提供的增益与输入光信号的偏振态有关，而且在对多个波长通道同时进行放大时，四波混频((FWM)等非线性效应将引起通道间的串扰等问题，因此制约了SOA的进一步发展。在寻求解决半导体光放大器串扰问题的过程中，掺稀土元素的光纤放大器受高功率光子晶体光纤放大器的理论与实验研究到了广泛关注，这种光纤放大器的主要机制是在光纤中掺杂稀土元素((Er3十，Pr3+,Tm3+, Nd3+} Yb3+)，通过泵浦实现光放大。20世纪80年代中期，掺Er3+光纤放大器的出现是光纤放大器进展的重大突破，其工作波长覆盖了光纤通信的最佳波长区((1.31-1.55 },m)，而且增益较高，转换效率也较高，整个光纤放大器系统中祸合损耗很小，噪声很低，因此，被广泛地应用于光纤通信系统中的中继放大，发射端的光功率放大和前置放大。随后，其它掺稀土元素的光纤放大器也取得了很大的发展。诸如，掺Tm3十的光纤放大器的工作波长在1400 nm附近[(2];掺Nd3+的光纤放大器的工作波长在1064 cirri左右[;掺}3+的光纤具有从975-1200 run的发射谱，而且具有宽的吸收谱，从而降低了对泵浦光源的要求，可以使用高度商品化的976 rim的半导体激光器作为泵浦源[f41。以上所述的掺稀土元素的光纤放大器都拥益高，可掺杂浓度高，工作长度短的特点;与庞大的光纤通信系统相比，所需要的增益光纤较短，故而也称为集总式光纤放大器。由于这种光纤放大器接入系统容易引起信号的起伏，非线性效应等缺点，人们利用掺杂浓度较低的光纤实现了一种分布式光放大器，这种放大器主要是利用受激放大效应和非线性效应来放大光信号，主要包括光参量光纤放大器，光纤拉曼放大器，光纤布里渊放大器。 目前，由于高功率激光在工业、航天和军事领域的应用需求，高功率的光纤放大器成为光纤放大器发展的重要趋势之一。由于非线性效应、光纤损伤等不利因素限制了单根光纤激光器实现高功率激光输出，为了得到更高功率输出以满足不同的需求，研究者们普遍采用主振荡激光器+放大级((MOPA)结构来实现高功率激光输出的目标，在这一结构中光纤放大器是实现高功率的核心器件。因此，集总式光纤放大器仍然是研究热点之一。 由于}3+的多种优点，如吸收谱较宽，转换效率高，不存在浓度碎灭效应，不存在激发态吸收等，因此掺}3+光纤放大器在高功率激光获得领域拥有独特的优势。由于近年来在军事和工业加工领域的需求急剧增加，从20世纪80年代以来高功率掺}3+光纤放大器取得了极大的研究进展，目前国内外很多科研人员都致力于这方面的研究。高功率光子晶体光纤放大器的理论与实验研究汇12] A Liem, J Limpert, H. Zellmer, A.Tiinnermann. 100-W single-frequencymaster-oscillator fiber power amplifier [J]. 2003, Opt.Lett 28(17):1537-1539. Y Jeong, J Nilsson, J K Sahu, D.B.S.Soh, C.Alegria, P.Dupriez, C.A.Codemard,D.N.Payne Single-frequency, single-mode, plane-polarized ytterbium-doped fiber master oscillator power amplifier source with 264 W of output power[J]. [ 14]孙鑫鹏，赵长明，杨苏辉，杨春香.16.1W输出1064 nm连续单频光纤放大器的实验研究[J]. 2007.北京理工大学学报.27(6):533-535.[15] Shupeng Yin, Ping Yan*, and Mali Gong. End-pumped 300 W continuous-waveytterbium-doped all-fiber laser with master oscillator multistage power amplifiers [ 16] Francois Sanchez. Effects of ion pairs on the dynamics of erbium-doped fiberasers [J]. Physical Review A, 1993, 28(3):2220-2229.[17] J. L. Wagener, P. F. Wysocki, M. J. F. Digonnet, and H. J. Modeling of ion pairsin erbium-doped fiber amplifiers [J]. Opt.Lett. 1994, 19(5):347-349.[I8]赵振宇，段开掠，王建明，等.光子晶体光纤放大器增益特性的实验研究[[J].强激光与粒子束2008 20(12):1975-1978.[19]赵振宇，段开掠，王建明，等.高功率光子晶体光纤放大器实验研究[[J].物理学报.2008 57(10):6335-6339.[20] J. Nilsson, R. Paschotta, J. E. Caplen, and D. C. Hanna Yb3+一‘ng-doped fiber forhigh-energy pulse amplification [J]. Opt.Lett, 1997, 22(14):1092-1094.[21] P. St. J. Russell, Photonic crystal fibers[J], Science 299, 358-362.[22] P. St. J. Russell, \"Photonic crystal fibers[J], J. Lightwave. Technol, 2006,[23] E. Yablonovitch Photonic band-gap structures[J] 1993 J. Opt. Soc. Am. B10(2):283-295.[24] T. A. Birks, J. C. Knight, and P. St. J. Russell. Endlessly single-mode photoniccrystal fiber [J]. Opt.Lett, 1997, 22(13):961-963.[2s]胡恺，蒋群.包层泵浦技术原理及其应用[[J].光通信研究2004(5):58-61.[26] Dominic V, MacCormack S, Waarts R. 110 W fiber laser [J]. Electronics.Lett.中文摘要 3-5 英文摘要 5-6 目录 7-10 1 引言 10-15 1.1 研究背景 10-11 1.2 国内外研究现状 11-13 1.3 本论文的主要内容和安排 13-15 2 激光辐照半导体材料的理论基础 15-32 2.1 半导体的光吸收 15-20 2.1.1 导体、半导体、绝缘体的能带 15-16 2.1.2 半导体的光吸收机理 16-20 2.2 激光作用固体材料的热源模型 20-22 2.2.1 热传导方程和基本热物理参数 20-21 2.2.2 激作用固体材料的热源模型 21-22 2.3 超短脉冲激光对半导体材料的破坏机理分析 22-26 2.3.1 超短脉冲的发展 22-24 2.3.2 超短脉冲激光破坏机理 24-26 2.3.2.1 能量吸收和热效应 25 2.3.2.2 表面汽化 25-26 2.3.2.3 微机构的改变 26 2.3.2.4 力学破坏 26 2.3.2.5 非线性过程 26 2.4 超短激光脉冲烧蚀特性及计算模型 26-32 2.4.1 飞秒激光烧蚀特性 26-29 2.4.1.1 使透明材料改性 27 2.4.1.2 有确定的烧蚀阈值 27-28 2.4.1.3 规则的加工边缘 28 2.4.1.4 逐层微加工 28-29 2.4.2 飞秒激光参数对加工的影响 29-32 2.4.2.1 激光波长的影响 29-30 2.4.2.2 激光脉宽的影响 30 2.4.2.3 脉冲个数的影响 30-31 2.4.2.4 脉冲重复率的影响 31 2.4.2.5 其他参数的影响 31-32 3 长脉冲激光辐照GaAs表面的热效应分析 32-38 3.1 长脉冲激光辐照半导体材料的热传导模型 32-34 3.2 激光脉冲参量对温升的影响 34-37 3.2.1 激光束光强分布的影响 34-36 3.2.2 激光脉宽的影响 36 3.2.3 激光束光斑半径的影响 36-37 3.3 小结 37-38 4 飞秒脉冲激光烧蚀Si表面的热效应分析 38-46 4.1 超短脉冲激光烧蚀半导体的物理模型 38-39 4.2 速率方程及双温方程的数值计算 39-41 4.3 计算结果与讨论 41-44 4.4 小结 44-46 5 总结 46-47 参考文献 47-53 攻读硕士学位期间发表的论文目录 53-54 致谢 54