大功率光纤放大器分段泵浦方式下的理论分析

利用数值算法计算了掺镱双包层光纤放大器分段泵浦方式下的稳态速率方程组,分析比较了双端泵浦和多段泵浦方式下的最佳光纤长度,最高温度和效率,并采用遗传算法对分布泵浦功率的大小和每段光纤长度同时进行了优化。结果表明,通过优化,大功率分段泵浦光纤放大器获得了较为平坦的温度分布,与双端泵浦相比,大大降低了最高工作温度,斜率效率略有下降。     

千瓦级掺Yb3+双包层光纤激光器的热分析

针对千瓦级Yb3+光纤激光器的特殊结构,在同时考虑光纤表面的对流换热和辐射换热条件下建立了热传递模型和一维稳态传热方程.结合该稳态传热方程和光纤激光器的速率方程,数值模拟了正向泵浦1 000 W和双端泵浦两端各500 W的条件下沿光纤纵向和径向的温度分布.计算结果表明,双端泵浦的温度分布比正向泵浦的均匀,且光纤中的最高温度比正向泵浦时下降了135.9℃.将考虑辐射换热时光纤的温度分布和忽略辐射换热时的结果进行对比,后者的温度比前者高得多,表明辐射换热是光纤激光器非常重要的换热方式.最后,分析了双端泵浦以及光纤长度不变的条件下纤芯半径、包层半径以及表面传热系数对光纤内温度分布的影响.结果表明纤芯半径不会影响光纤表面温度,而加大表面传热系数以及增大包层半径可以有效地降低光纤表面及内部温度.     

高功率掺Tm~(3+)光纤放大器热效应管理的泵浦方式优化理论研究

基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm~(3+)光纤激光器是2μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式,掺Tm~(3+)光纤放大器(Thulium-doped fiber amplifier,TDFA)热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究,利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程,并根据热传导方程,模拟掺Tm~(3+)光纤(Thulium-doped fiber,TDF)温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论,研究了分段泵浦方式,经过参数优化,在功率为5 W的2 020 nm输入信号光、总功率为1 000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下,将总长度为11 m的TDF分为2.4,2,2,2,2.6 m的5段进行泵浦,得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比,其热效应有明显改善。     

高功率双包层光纤激光器受激拉曼散射和热效应的理论研究

 受激拉曼散射和热效应会限制光纤激光器功率的提高。利用高功率光纤激光器的速率方程和热传导方程，理论研究了双端泵浦和分布泵浦下双包层光纤激光器的受激拉曼散射和热效应，得到了光纤中的泵浦光、激光和斯托克斯光的功率分布，光纤激光器的输出特性以及光纤中的温度分布。分析表明，当泵浦功率增大到一定值时，光纤激光器中出现SRS，一部分激光功率会转移给斯托克斯光，影响激光功率进一步提高;与双端泵浦方式相比，分布泵浦下光纤激光器的斜率效率和最大输出功率相差不大，但是，光纤中的温度分布被有效地降低，因此，分布泵浦方式更为有效。     

大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

 通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点，建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况，计算出了LD泵浦功率56 kW，脉冲宽度520 μs，重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布。研究结果表明：由于脉冲工作方式，晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化，经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡，介质温度呈周期性变化；在相同泵浦峰值功率条件下，超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小，其最大值分别为103.3 ℃和47.6 MPa；有效泵浦功率密度达到10 kW/cm²量级时，介质极可能发生热致断裂。     

脉冲泵浦的掺镱光纤放大器中放大自发辐射动态变化模拟

在低重复率、高能量脉冲的应用场合,光纤放大器中采用脉冲泵浦的方式具有重要意义.本文模拟了脉冲泵浦方式下掺镱双包层增益光纤中放大自发辐射功率的动态变化,为优化脉冲泵浦方式提供了参考.通过有限元分析方法求解光纤中镱离子的速率方程和各光场的功率传输方程,模拟了正向泵浦条件下,泵浦脉冲开始后0~740 μs时间内光纤内部正向、反向放大自发辐射功率分布情况的动态变化以及光纤两端放大自发辐射输出功率随泵浦时间的变化.模拟结果发现了光纤两端正向、反向放大自发辐射功率增长速度的差异之处,以及光纤内部两种放大自发辐射功率分布动态演变的一些特征.     

脉冲泵浦的掺镱光纤放大器中放大自发辐射动态变化模拟

在低重复率、高能量脉冲的应用场合,光纤放大器中采用脉冲泵浦的方式具有重要意义.本文模拟了脉冲泵浦方式下掺镱双包层增益光纤中放大自发辐射功率的动态变化,为优化脉冲泵浦方式提供了参考.通过有限元分析方法求解光纤中镱离子的速率方程和各光场的功率传输方程,模拟了正向泵浦条件下,泵浦脉冲开始后0～740μs时间内光纤内部正向、反...     

掺镱双包层高功率光纤激光器热效应的理论研究

 针对高功率掺镱双包层光纤激光器（DCFL）的热效应，由热传导方程并借助速率方程模型导出温度分布的解析解，研究了泵浦方式和泵浦吸收系数对DCFL腔内温度的影响。结果表明：温度沿径向的变化与轴向相比可以忽略；采用传统端面泵浦会导致DCFL局部温度过高，实际中应使用两端对称泵浦方式；而减小泵浦吸收系数虽可改善温度特性但会降低系统的输出功率。进一步分析得出，综合采用分段泵浦方式和不均匀泵浦吸收系数可实现温度分布和输出功率的最佳匹配。     

掺镱光纤激光器分段抽运方式下温度分布的理论分析

利用松弛迭代法数值求解分段抽运方式下光纤激光器的稳态速率方程组,提出了基于遗传算法对分段抽运的功率大小和光纤长度进行同时优化的方法从而实现了最佳温度分布,分析比较了双端抽运和多段抽运方式下的最佳光纤长度,最高工作温度和效率,研究表明,分段抽运方式较双端抽运方式,一方面最高工作温度大大降低并具有更为平坦的温度分布,另一方面由于最佳光纤长度的增加使得信号光衰减变大,从而导致效率略有下降.     

采用解析法对Nd:YAG单晶光纤的温度场研究

采用解析法对Nd:YAG单晶光纤激光器热效应相关的光纤温度场分布进行研究。建立了Nd:YAG单晶光纤热模型,在单晶光纤所满足的边界条件下通过解析求解热传导方程,得到在高功率808 nm泵浦光抽运下产生946 nm激光的单晶光纤温度场分布,并与传统Nd∶YAG激光晶体的温度场进行比较,然后分别与同泵浦条件下的有限元数值方法的分析结果进行研究对比,最后分析泵浦光参数、单晶光纤参数等对温度场的影响。结果表明,功率为86 W的泵浦光入射至单晶光纤端面的最高温升仅为30.98℃,明显优于同泵浦条件下传统Nd∶YAG晶体的端面温升结果94.37℃,与有限元数值法得到的Nd:YAG单晶光纤19℃温升结果相比,该解析法结果更接近于实验的测量值31℃,能够更精确描述晶体光纤温度场。本文可对单晶光纤激光器热效应的精确研究提供一定参考,进而有利于提高单晶光纤激光器的性能。     

Simulation of the ultimate characteristics of thulium-doped fiber amplifiers

A completely spatially and spectrally resolved model of a thulium-doped fiber amplifier that, unlike existing models, takes into account the radiation mode structure is proposed. A genetic algorithm is used to optimize the pump scheme parameters in order to achieve the maximum gain or the minimum non-uniformity of the gain spectrum. The ultimate information characteristics of the amplifier are determined.     

大功率单频多芯光纤放大器中抑制受激布里渊散射的分析

针对多芯光纤完善了描述抽运光、信号光和Stokes信号的速率方程组.考虑了温差对受激布里渊散射的影响,利用有限元法求解温度分布方程组,分析了前向和后向抽运方式、对流系数、Stokes初始功率、光纤掺杂粒子密度和光纤长度对受激布里渊散射增益的影响.研究表明：后向抽运方式在抑制受激布里渊散射方面具有明显优势;减小对流系数有助于抑制受激布里渊散射;提高光纤掺杂密度能够加强抑制受激布里渊散射,同时也有助于提高光纤放大器的斜率效率.比较了在相同最佳光纤长度条件下,单芯和19芯光纤放大器的最高工作温度和受激布里渊散射 关键词： 光纤放大器 受激布里渊散射 大功率 有限元法     

高精度控制多泵浦实现宽带平坦的拉曼放大

设计了基于PID控制技术的高精度激光器温度控制和功率控制模块。激光器驱动电流控制精度为0.1mA,系统温漂小于25mK,实现了泵浦激光器24h波长漂移小于0.02nm。依据遗传算法,采用5波长大功率半导体激光器后向泵浦和100.8km色散位移光纤,实现了带宽为90nm、增益平坦度为0.87dB的拉曼放大。     

基于双频激光干涉仪的显微模板精密测量

为了对光纤阵列测量的高精度显微模板进行精密检测,采用双频激光干涉仪结合显微视觉系统,通过骨架化、腐蚀法、质心法等算法对显微图像进行计算处理,实现模板特征刻线的提取与精确定位。对模板上8条刻度线之间的间距分别进行重复测量和组合测量,实验结果表明重复测量的标准偏差不大于0.07 m,组合测量的标准偏差不大于0.04 m。介绍了测量系统构成与工作原理,并对测量过程进行了精度分析,分析结果表明测量过程的极限误差不大于0.10 m。     

Design of Raman-parametric fiber amplifier for wavelength division multiplex transmission system

We optimize the novel configuration of a hybrid fiber amplifier - Raman assisted-fiber-based optical parametric amplifier （R-FOPA）, in which the parametric gain and Raman gain profiles are combined to achieve a flat composite gain profile. The pump powers and the fiber length in the hybrid amplifier are effectively optimized by genetic algorithm （GA） scheme. The optimization results indicate that the RFOPA can achieve a 200-nm flat bandwidth spectrum with the gain of 20 dB and ripple of less than 4 dB.     

Simultaneously gain-flattened and gain-clamped erbium fiber amplifier

In this paper, we propose and demonstrate a simple erbium amplifier module based on an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) and an erbium-doped waveguide amplifier (EDWA) in serial, having gain-flatted (GF) and gain-clamped (GC) functions simultaneously. In first proposed GF amplifier scheme, the maximum gain variation of 2.5 dB can be observed in the effective range of 1528 to 1562 nm and the entire gains are above 35 dB with the input signal power of ?30 dBm. Hence, we investigate second scheme by optical feedback method in the proposed fiber amplifier achieving gain-flattened (GF) and gain-clamped (GC) efficiencies simultaneously. Thus, the maximum gain variations of ±0.8 and ±1.8 dB can be obtained in the operating range of 1530 to 1564 nm, when the input signal powers are ?16 and ?40 dBm, respectively. Moreover, the dynamic gain profile can be adjusted and dynamic input power range is also measured based on the proposed GF and GC fiber amplifier.     

带光放大器的分布式光纤拉曼温度系统

 详细阐述了红外双波长带光放大器的分布式光纤拉曼温度系统原理，为了抑制放大器的自发辐射增长、温漂噪声积累、瑞利背向散射光窜扰反斯托克斯背向散射光，采用两条已知温度的曲线和最近测量温度曲线的解调方法,提高了系统的测温精度和稳定性并降低了系统的成本。实验结果与理论分析一致,系统的测温误差在±0.1 ℃内。     

Estimation of emissivities in a two-dimensional irregular geometry by inverse radiation analysis using hybrid genetic algorithm

An inverse radiation analysis is presented for estimating the wall emissivities for an absorbing, emitting, scattering media in a two-dimensional irregular geometry with diffusely emitting and reflecting opaque boundaries from the measured temperatures. The finite-volume method was employed to solve the radiative transfer equation for 2D irregular geometry. The hybrid genetic algorithm which contains local optimization algorithm was adopted to estimate wall emissivities by minimizing an objective function, while reducing computation time. It was found that an increase in the standard deviation in measurements significantly deteriorated the estimation of wall emissivities. Thus, a very accurate measurement was required in inverse radiation for better estimation of wall emissivities, especially, in a high temperature environment.     

半导体纳米晶体PbSe量子点光纤放大器

提出了一种新的光纤放大器——量子点光纤放大器(QDFA). 利用人工纳米晶体PbSe作为掺杂剂，通过解二能级系统速率方程和光传播方程，应用遗传算法和“逆方法"，计算得到了PbSe-QDFA的最佳掺杂浓度、抽运波长和光纤长度，并得到了增益、带宽和噪声系数. 与常规的掺铒光纤放大器相比较，PbSe-QDFA的带宽和噪声系数等关键指标均有明显提高，并可在长波长(约1630nm)区工作. 反演出极限QDFA所需的理想辐射和吸收截面. 理论模拟结果表明，在理想辐射和吸收截面下，QDFA的带宽极宽，噪声系数可接近量子 关键词： 量子点 光纤放大器 带宽 噪声