掺镱双包层高功率光纤激光器热效应的理论研究

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1、!第!"卷!第#期强激光与粒子束$%&’!"!(%’#!!)**+年#月,-.,/0123456235(7/538-942:25;65<=’!)**+!文章编号!!!**!>#?))")**+#*#>*#@+>*+掺镱双包层高功率光纤激光器热效应的理论研究"熊!悦!!!潘!炜!!)!!罗!斌!!!汪!帆!!!邹喜华!"!!西南交通大学计算机与通信工程学院!四川成都A!**?!$)!电子科技大学宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室!四川成都A!**+##!!摘!要!!针对高功率掺镱双包层光纤激光器"79B4

2、#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79B4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$采用传统端面泵浦会导致79B4局部温度过高!实际中应使用两端对称泵浦方式$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%!!关键词!!掺镱双包层光纤激光器$!热效应$!温度分布$!热传导方程!!中图分类号!!8()#C’!!!!!文献标识码!!5

3、!!掺镱双包层光纤激光器"79B4#采用掺镱离子的双包层光纤作增益介质!使光转换效率明显提高!突破了’!!#(其输出功率低的应用瓶颈!因此在工业及通信等领域具有广阔的应用前景%随着二极管激光泵浦技术的’+(不断成熟!D1级光纤激光器有望在几年内投入使用%与传统的固体激光器相比!79B4有很大的表面积>体积比!工作在低功率时能有效散失泵浦光所沉积的热量!目前关于79B4热效应的研究常用的方法是借助计’A!@(算机进行数值求解%随着输出功率不断提高!尤其当激光输出达到D1量级时!热效应就成为79B4必须’!*!!

4、!(考虑的重要因素%’!)(!!本文针对79B4的特殊结构!将热传导方程简化为一维形式!并借助速率方程模型!导出腔内温度分布的解析解%由此解析解可以方便地分析温度沿光纤径向和轴向的变化规律!以及泵浦方式和泵浦吸收系数对腔内温度分布的影响%最后!综合采用分段泵浦方式和不均匀泵浦吸收系数对79B4进行优化设计%"!理论基础!!从求解79B4的速率方程入手!得到泵浦功率与信号功率的关系!再结合温度模型导出79B4内温度分布的解析表达式%图!是79B4的结构示意图%设BEF’!!6GHIJKLEGE&&MNL=KLE

5、%O%P79B4MOQI=LR%>IOQ

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7、数$*是普!*>)*$!!修订日期!)**+>*!>*A基金项目!国家自然科学基金资助课题"!*!"#*+"$@*)*!*!!#$四川省应用基础研究项目资助课题"*?WS*)@>*#C>!#$宽带光纤传输与通信系统技术国家重点实验室开放课题资助"*)XB#$教育部科学技术重点研究项目资助课题"(%’)**+#作者简介!熊!悦"!@C)+#!女!江西南昌人!硕士研究生!从事光通信与光器件方面的研究$2>JKE&&H%&&YOML"N%HM’G%J%,A5强激光与粒子束第-2卷朗克常

8、量!!为真空中的光速!"为上能级粒子数密度"其自发辐射寿命为!!增益带宽!#内的自发辐射功率!"$##""$$%#"#"!#"%!$!$%#"&$"$’#"&$"$%#""$"$’#""$分别是泵浦光和信号光的发射截面和吸收截面!%&"%"分别为泵浦光和信号光耦合入纤芯的比例&(#&$和$(#&$有直接关系"因此需要求解上述方程组&为简化分析"可认为泵浦!!由于腔内温度分布与$&"光只分布于内包层中