准二能级阈值泵浦光纤激光器的理论分析

 根据含损耗系数的稳态速率方程组，对掺准二能级稀土粒子光纤激光器的泵浦阈值进行了分析和完全解析求解。求得了泵浦阈值功率的显函数解析式，得到了泵浦光阈值功率随光纤位置变化的隐函数表达式，以及信号光功率和上能级粒子数随光纤位置变化的解析表达式。对所得的解进行了数值分析，并与已有的理论和实验结果进行了比较分析。结果表明：由于忽略了信号光和泵浦光损耗系数，不同近似条件下给出的泵浦阈值功率均比实验值低，但所导出的理论研究结果与已有实验结果的差异最小。     

线形腔掺铒光纤激光器输出特性的理论研究

通过求解速率方程，从理论上详细地分析了形腔掺铒光纤激光器输出特性，得到了稳定条件下激光器阈值泵浦功率，输出功率和斜率效率的解析表达式；给出了构造线形腔掺铒光行激光器所需掺铒光纤最短长度和最佳长度的表达式。     

掺铒光纤激光器输出特性的研究

根据掺铒光纤激光器的速率方程,对线性腔连续掺铒光纤激光器的输出特性进行了详细的理论分析,得到了980 nm泵浦的掺铒光纤激光器在稳态条件下的解析表达式.利用数值模拟结果对光纤激光器的上下能级粒子数和泵浦功率沿光纤长度分布以及泵浦阈值、斜率效率等进行了分析和讨论,并进行了980 nm泵浦的掺铒光纤激光器的实验,实验证明:光纤激光器的阈值与理论计算基本一致.     

激光新阈值理论及其实验研究

本文对激光的阈值给出了新的理论解释，提出了激光新阈值理论，导出了激光新阈值条件的解析表达式，并对各类激光器分别进行了讨论，而且从实验上测量了激光器的阈值反转粒子数密度ｎｔｈ与允许激光器获得振荡放大的持续时间△ｔ之间的关系，其结果与激光新阈值理论结果相一致。     

利用杜哈梅尔方法近似求解EDF的自发辐射特性

掺铒光纤(EDF)中的自发辐射噪声是影响掺铒光纤放大器(EDFA)工作性能和掺铒光纤激光器(EDFL)的起振特性的重要因素。自发辐射与泵浦方式紧密相关,研究脉冲泵浦下EDF的自发辐射具有重要的学术意义。从速率方程出发,建立了任意波形脉冲泵浦下EDF自发辐射的能级粒子数分布所满足的一元二阶变系数微分方程。由于没有封闭形式的解析解,采用杜哈梅尔方法,将泵浦脉冲波形进行分时段描述,每个小时段都有解析解,从而得到了自发辐射的平均功率表达式。分析结果表明,随着泵浦功率的增大,ASE的输出波形更接近泵浦光的波形,且泵浦光的毛刺对于ASE噪声的影响较小。     

基于离散算法的双包层Er~(3+)/Yb~(3+)共掺光纤激光器动态特性研究

采用基于速率方程的离散算法,对双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器增益介质在不同位置的动态特性进行了分析。研究了增益介质在不同位置上的能级粒子数、激光功率随时间的变化。结果表明:增益介质在不同位置振荡达到稳态前上能级粒子数随时间的变化是不同的,并呈现出了不同的变化特点;不同位置处振荡开始时的最大峰值功率与达到稳态时的功率也不同;不同位置开始振荡的时间相同,达到稳态的时间也基本相同。对这一算法的稳态结果同简化速率方程的稳态分析值进行了对比,显示了泵浦功率较大且光纤长度较长时两者所具有的差异。     

氧碘化学激光器输出功率的估算

 建立了激光在工作时的动态模型，即假设在单位时间内，激光介质的粒子数全部被泵浦到上能级。引入激光介质重复泵浦次数的概念，根据能量守恒原理，通过分析氧碘化学激光器(COIL)的传能机理，计算了沿气流方向变化的碘原子上能级的弛豫时间及沿气流方向变化的碰撞传能时间，并且计算了碘原子在出光区内被单重态氧反复泵浦的次数及相应的残余单重态氧数目，从而计算出碘原子在出光区的反复泵浦次数，修正了原计算COIL输出功率的公式。理论计算与实验结果均表明：当碘流量过低时，增益小于损耗，激光器不能起振；当增大碘流量时，激光输出功率也逐步增大，反复泵浦次数逐渐减少；当碘流量继续增大时，激光输出功率达到最大，且在一定碘流量变化范围内基本保持稳定；但随着碘流量的进一步增大，激光输出功率却逐步下降。     

占空比对光子晶体光纤激光器性能的影响

 在传统光纤激光器工作原理的基础上,考虑光子晶体光纤(PCF)模场分布特征,给出了连续泵浦情况下单模PCF激光器的速率方程和功率传输方程。利用该方程对掺镱单模PCF激光器的性能进行了数值模拟研究。结果表明：虽然空气占空比大小对PCF激光器的输出功率、泵浦阈值和斜率效率等影响不显著,但对拉曼非线性阈值影响却很大。当泵浦功率小于拉曼非线性阈值时,激光器主要输出信号激光;当超过拉曼阈值且在较宽的范围内,激光器同时输出功率相近的信号激光和拉曼光。基于这种效应,提出一种由泵浦功率控制的双波长光纤激光器的新思路。考虑到PCF非线性系数的可调控特性,采用不同光纤有可能在较宽的功率范围获得双波长激光振荡。     

基于Nd∶GdVO4晶体的双波长被动调Q激光器

提出了一种基于Nd∶GdVO₄晶体的双波长正交偏振被动调Q激光器。建立了对应的速率方程模型,研究了激光器输出双波长脉冲和不同输出镜反射率条件下泵浦功率对激光输出时域特性的影响。理论研究结果表明,通过调节输出镜反射率改变双波长阈值反转粒子数密度,当π偏振阈值反转粒子数密度小于σ偏振阈值反转粒子数密度且差值较小时,激光器可以输出双波长被动调Q脉冲激光,通过增大泵浦功率可以依次产生π偏振单一波长脉冲、双波长多对一脉冲、双波长一对一脉冲、双波长一对多脉冲以及σ偏振单一波长脉冲。搭建实验装置,设置π偏振输出镜反射率为0.60,σ偏振输出镜反射率为0.95,对泵浦功率和激光输出时域特性之间的关系进行验证。随着泵浦功率的增大,激光器依次输出具有上述时域特性的脉冲激光,与数值仿真结果一致。当泵浦功率为5.51 W时,激光器输出正交偏振双波长一对一脉冲激光,其中π偏振和σ偏振的波长分别为1 063.23 nm和1 065.52 nm,平均功率分别为323 mW和462 mW,脉冲峰值功率分别为11.62 W和20.35 W,脉冲宽度分别为185 ns和168 ns,脉冲重复频率为1...     

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光（LD）泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定（TMI）阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1 010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1 010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M2约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。     

Analytical solutions to rate equations including losses describing threshold pumped fiber lasers

An exact analytical expression to the threshold pump power has been deduced for rate equations including loss coefficients applicable to fiber lasers doped with quasi two-energy-level ions. Following the derivation of a closed-form expression for the variation of the pump power along the fiber, together with analytical solutions to the position dependent atom population density and laser power in terms of the pump power, we have analytically and fully solved rate equations describing threshold pumped fiber lasers. A comparison has also been made between the exact analytical result with the previous reported results, which indicates that various approximation have underestimated the threshold pump powers.     

LD泵浦掺铥(Tm3+)光纤激光器的数值分析

首先从掺铥光纤激光器的速率方程和光传输方程出发,建立数学模型,通过Matlab软件进行数值计算,分析了泵浦光和激光沿光纤的分布以及各能级离子数的变化.在不同掺杂浓度下,研究了小信号增益与入纤泵浦功率的关系以及泵浦光和激光功率与增益介质长度的关系.在不同泵浦功率下,研究了输出功率与输出耦合镜反射率的关系.进一步对不同泵浦吸收系数,研究了斜率效率和泵浦阈值与光纤长度的关系.分析结果表明存在最佳光纤长度和最佳耦合输出透过率,使得激光输出功率达到最佳值.     

Theoretical analysis of multimode fiber amplifiers and lasers containing spatial filters

By the use of the coupling theory of the modes and the multimode rate equations, the performances of the multimode fiber amplifiers or lasers containing a spatial filter have been discussed. After the rate equations applicable to amplifiers are solved, the beam quality factors of the output from a multimode fiber amplifier with and without a single mode filter have been evaluated and compared. By the use of the analytical expression of the threshold pump power applicable to the multimode fiber lasers with the spatial filter and doped with quasi two-energy-level ions, and two example fibers had been selected which may guide 4 and 9 transversal modes, respectively, the threshold pump power for each transversal fiber mode has been evaluated. The results indicate that the single mode filter, does introduce a very strong discrimination for the modes between the high order modes and the fundamental mode. This should considerably favor the operation of the fundamental mode in the lasers with a homogeneously broadened active medium.     

Threshold characteristics of linear cavity Yb-doped double-clad fiber laser

The threshold characteristics of linear cavity Yb³⁺-doped double-clad fiber laser have been studied theoretically and experimentally. By solving rate equations, the expression for threshold pump power is obtained. The effects of fiber length, mirror reflectivity, pump wavelength, laser wavelength and Yb³⁺ concentration on threshold pump power are discussed. Then, the Yb³⁺-doped double-clad fiber laser with linear cavity is developed. By using various output couplers, threshold pump power has been measured. The experimental results are in accord with theory.     

强泵浦下掺Yb3+双包层光纤激光器输出特性数值分析和实验研究

对强泵浦下线形腔掺Yb3+双包层光纤激光器输出特性进行了理论和实验研究。通过数值模拟,分析了泵浦光及激光在光纤中的分布、输出功率与泵浦功率的关系、光纤长度及腔镜反射率对激光输出功率的影响。在实验中,利用D型掺Yb3+双包层光纤获得了输出功率10 6W的光纤激光输出,斜率效率达86%。测量了在不同输出耦合条件下的输出功率、阈值泵浦功率和斜率效率,理论分析与实验结果基本一致,为进一步提高光纤激光器功率提供了理论和实验依据。     

掺铒光纤环形激光器输出特性的研究

根据掺铒光纤激光器的速率方程，对环形腔光纤激光器的输出特性进行了理论分析，得到了光纤激光器在稳态条件下阈值抽运功率、激光输出功率和斜率效率的解析表达式。利用数值模拟结果对光纤激光器的这些基本特性参量进行了分析和讨论，为光纤环形激光器的优化设计提供了依据。并进行了980nm抽运的掺铒光纤激光器的实验，实验证明理论分析得到的基本特性是合理的。     

Influence of fusion splice on high power ytterbium-doped fiber laser with master oscillator multi-stage power amplifiers structure

We have developed models to investigate the power properties of monolithic fiber laser with master oscillator multi-stage power amplifiers configuration. In the simulation the effect of optical characteristics of fiber fusion splice was considered, which was introduced by connecting fiber amplifiers. The theoretical modeling was established based on the classic theory of rate equations and the computational method was described in detail. On the basis of three high-power fiber lasers with different structures, we analyzed the splice loss and return loss, and how they influence the distribution of laser power in the system. The results showed that, on the present splicing level, both the enhancement of the pump capacity of fiber laser and the reduction of the quantity of power amplifier modules were effective strategies to accomplish fiber laser with tens of thousands of watts output.