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30000字硕士毕业论文铒镱共掺荧光的探讨

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:光纤,光源,荧光
论文概述:

随着光纤通信和光纤传感等技术的发展,人们对宽带光源提出了更高的要求,即:高输出功率,宽带宽,良好的带宽平坦度及稳定的输出波长。传统的商用宽带光源,如发光二极管((LED)和超发光

论文正文:

  第一章绪论       随着光纤通信和光纤传感等技术的发展,人们对宽带光源提出了更高的要求,即:高输出功率,宽带宽,良好的带宽平坦度及稳定的输出波长。传统的商用宽带光源,如发光二极管((LED)和超发光二极管((SLD),虽然可以提供较宽的输出带宽,但是它们的输出功率只能达到N}W量级,并且输出光的光谱稳定性较差(10\"4/0C),无法满足以上要求。因此,人们将目光转移到新的宽带光源的研究中,于是,超荧光光纤光源(SFS)逐渐成为了宽带光源的研究热点之一。      第一节饵馆共掺超荧光光纤光源的研究背景与传统的宽带光源的发光原理不同,SFS利用在泵浦光作用下增益光纤中掺杂离子放大的自发辐射((ASE)的性质制作而成,通过在光纤中掺杂不同的稀土元素如:饵(Er3+),镜(Yb3+).锈(Tm3+)等,可以制作出不同波段的SFSo在所有的稀土掺杂SFS中,掺饵超荧光光纤光源(ED-SFS)由于具有输出功率高、光谱稳定性好、受环境影响小、荧光谱线宽、使用寿命长和易与光纤藕合等优点,被认为是最有潜力的新一代宽带光源【1]。目前ED-SFS己经在光纤陀螺(FOG)、光纤光栅传感系统、光谱测试、低成本接入网、光纤传感、光纤无源器件制作监测、掺饵光纤放大器((EDFA)的测量以及密集波分复用((DWDM)中得到了非常广泛的应用[[6J,这方面的技术己经发展得日益成熟。近年来,为了进一步获得高功率的ED-SFS,必须要提高增益光纤中Er3+的掺杂浓度。而然,过高的E尸十掺杂会引起浓度碎灭效应[}],限制了泵浦光转换效率。     采用多级结构可以获得高输出功率,但由于结构复杂、成本较高,不适于实际应用。对比于单掺Er3+,加入敏化剂Yb3+,由于其吸收截面积很大,处于基态的Yb3+被激发到高能级的效率很高,并且Yb3+能级结构较简单,从Yb3十到Er3+具有很高的能量传递效率(高达95%)[g],因此,为Er3+提供了一种高效的间接泵浦方式,可以使Er3+相关能级上的粒子数急剧增加。另一方面,由于Yb3+的掺杂浓度可以是Era+的几十倍,因而,大大提高了系统对泵浦光的吸收效率。同时Yb3+的掺入能抑制Er3+“离子簇,,的形成,减少浓度碎灭。此外,共掺敏化剂Yb3+在1000nm附近具有较宽泵浦吸收带(800-1100nm)以及相当宽的激发带(970-1200nm)且不存在受激态吸收,拓宽了泵浦波长的选择范围【川!’2]。因而,使饵镜共掺光纤((EYDF)对泵浦光的吸收效率较单掺饵光纤((EDF)有显著的提高,改变了过去ED-SFS对泵浦光要求较严格的缺点。因此,饵镜共掺超荧光光纤光源(EYD-SFS)是一种较ED-SFS更理想的宽带光源。     第二节饵抢共掺超荧光光纤光源基础.2.1发光原理当泵浦光入射到EYDF中时,首先被Yb3十吸收,将Yb3+从2F},2能级泵浦到zFs/z能级,而后}3+通过能量传递过程((ET)将能量传递给Er3+,使Er3+从411s/2能级泵浦到4111/2能级,Er3+再通过无辐射弛豫作用,跃迁到4lis/z能级。当泵浦光能量较低时,光纤中的E尸十只能在4113/z能级与411s/2能级之间由自发辐射作用产生荧光;随着泵浦光功率的增强,但尚未达到激光输出的阂值条件,4113/z能级与411s/z能级之间粒子数形成反转分布,所产生的荧光沿光纤的特定方向被逐渐放大,出现由自发辐射荧光引起的受激辐射光,即EYDF中的ASE;若泵浦光功率继续增强,掺杂光纤中的辐射放大增益完全抵消了系统的损耗,这时将形成自激振荡而产生激图1.1EYD-SFS发光原理示意图EDFA中,一般要抑制ASE,而EYD-SFS则是利用Er3+在光纤中的ASE,对于EYD-SFS来讲,ASE是有利因素,因此在设计EYD-SFS和EYDF时,应该尽量增大ASE的输出。另外,和掺饵光纤激光器(EDFL)相反,EYD-SFS应该尽量抑制激光振荡的产生,增大输出光的线宽。参考文献[1] Douglas C. Hall, William K. Burn and Robert P. Moeller. High-stability Era+-dopedsuperfluorescent fiber source. Journal of Lightwave Technology, 1995, 13(7): 14521460j2] Paul F. Wysocki, M. J. Digonnet, B. Y. Kim, et al. Characteristics of Erbium-DopedSuperfluorescent  Fiber  Sources  for  Interferometric  Sensor Applications.  Journal  ofLightwave Technology, 1994, [3] H. Fevrier, J. F. Marcerou, P Bousselet, et al. High Power, Compact 1.48um Doped-Pumped Brosdband Superfluorescent Fibre source at 1.55um. Electronics Letters, 1991, 27(3):[4] Oguz Celikel. Construction and characterization of interferometric fiber optic gyroscope(IFOG) with erbium doped fiber amplifier (EDFA). 2007, 39: 147156[5] C.  D.  Su and Lon.  A Wang.  Multiwavelength fiber sources based on double-passsuperfluorescent fiber sources. Journal of Lightwave Technology, 2000, 18(5): 708714 William K. Burns and Alan D. Kersey. Fiber-optic gyroscopes with depolarized light.Journal of Lightwave Technology, 1992, 10(7): 992--999 E. Delevaque, T. Georges, M. Monerie, et al. Modeling of pair-induced quenching in erbium-doped silicate fibers. IEEE Photonics Technology Letters, 1993, 5(1): 7375 B. Hwang, Jiang S., T. Luo, et al. Performance of high concentration Era+-doped phosphatefiber amplifiers. IEEE Photonics Technology Letters, 2001, 13(3): 197199[9] S. Jiang, M. J. Myers, N. Peyghambarian et al. Er3+ doped phosphate glasses and lasers.Jounarl of Non-Cryst. Solids, 1998, 239: 143148[10]Y. C. Yan, A. J. Faber, H. de Waal, et al. Erbium-doped phosphate glass waveguide on silicon with 4.1 dB/cm gain at 1.535 pm. Applied Physics Letters, 1997, 71(20): 29222924 J. D. Minelly, W. L. Barnes, R.I Laming, et al. Diode-array pumping of Era+/Yb3+ co-doped fiber lasers and amplifiers. IEEE Photonics Technology Letters, 1993, 5(3): 301303 B. Hwang, S. Jiang, T. Luo, et al. Cooperative upconversion and energy transfer of newhigh Er3+ and Yb3+-Era+-doped phosphate glasses. J. Opt. Soc. Amer. B, 2000, 5(17): Emmanuel Desurvire and Jay R. Simpson. Amplification of Spontaneous Emission inErbium Doped Single-Mode Fiber. Journal of Lightwave Technology, 1989, 7(5): 835-845 Lon  A.  Wang  and  C.  D.  Su.  Modeling  of  a  double-pass  backward  Er-dopedsuperfluorescent fibersource for fiber-optic gyroscope applications. Journal of LighrivaveTechnology, 1999, 17(11):沈林放,钱景仁.双程后向结构饵光纤超荧光光源的理论分析.量子电子学报,200017(4): 34534959摘要 3-5 Abstract 5-6 目录 7-9 第一章 绪论 9-20     第一节 铒镱共掺超荧光光纤光源的研究背景 9-10     第二节 铒镱共掺超荧光光纤光源基础 10-13         1.2.1 发光原理 10-11         1.2.2 结构组成及分类 11-13     第三节 超荧光光纤光源的研究进展 13-18         1.3.1 理论模型与数值模拟 13-14         1.3.2 实验研究 14-18             1.3.2.1 双向泵浦的超荧光光纤光源 14-15             1.3.2.2 多级结构的超荧光光纤光源 15-18     第四节 本文主要研究内容 18-20 第二章 铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的制作 20-31     第一节 材料制备简介 20-23     第二节 光纤预制棒的制作 23-26         2.2.1 光纤预制棒的制作方法 23-24         2.2.2 纤芯材料玻璃棒直径的计算 24-25         2.2.3 包层材料玻璃棒打孔位置的计算 25-26     第三节 小型自动特种光纤拉丝机 26-30     第四节 本章小结 30-31 第三章 超短长度铒镱共掺超荧光光纤光源的理论研究 31-56     第一节 速率方程和功率传输方程的理论模型 31-38         3.1.1 速率方程组 31-34         3.1.2 功率传输方程和重叠积分法 34-36         3.1.3 边界条件 36-37         3.1.4 超荧光光纤光源的性能指标 37-38     第二节 数值计算 38-43         3.2.1 数值模拟算法 39-42         3.2.2 参数的选取 42-43     第三节 结果讨论 43-54         3.3.1 四种基本结构超荧光光纤光源输出特性的比较 43-44         3.3.2 双程前向结构超荧光光纤光源输出特性的理论优化 44-50             3.3.2.1 掺杂浓度的影响 44-46             3.3.2.2 信号光反射镜反射率的影响 46-48             3.3.2.3 光纤长度的影响 48-50         3.3.3 双程前向结构超荧光光纤光源本征热力学系数的理论优化 50-54     第四节 本章小结 54-56 第四章 超短长度铒镱共掺超荧光光纤光源的实验研究 56-65     第一节 实验装置 56-58     第二节 输出特性 58-64         4.2.1 输出光谱 58-59         4.2.2 输出功率 59-60         4.2.3 平均波长和输出带宽 60-62         4.2.4 平均波长的稳定性 62-64     第三节 本章小结 64-65 第五章 总结与展望 65-67 参考文献 67-71 致谢 71-72 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 72-73