数学义本与度用
掺钾光纤激光器输出特性的研究
曹彦鹏1曹素霞2
(1.天津商业大学理学院天津300134;2.北京交通大学海滨学院河北黄麟061100)
应用研究
摘要：在一定的条件下，确定了掺辑光纤激光器的最住光纤长度和激光器两个腔统的最佳反射单，设计出的光纤激光器的输出特性可以得到优化。根据掺钾光纤流光器的违单方程对线型腔光纤流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的输出功单，阅值轴运功率和斜单效率的解析表达式。对光纤激光器的输出特性进行了数值模拟,得到了泵满功率为20mw,钾离于掺杂浓度为400ppm,掺钾光纤长度为1.5m,光纤环形镜反射率为1,光纤光概反射率为0.5时，光纤激光器的输出功率和舒率效率较大，阅值轴运功率较小。为光纤激光器的优化设计提供了理论侬据：
关键词掺锂光纤流光器速率方程输出特性线型腔光纤激光器
中图分类号：TN24
文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2014)07-0043-03
Abstract:Under certain conditions,the optimum fiber length of erbiumdoped fiber laser,and laser optimum reflectivity of the two mirrors,the output characteristics of fiber laser designs can be optimized. Based on the rate equations applicable to the erbiumdoped fiber laser,a continuous erbiumdoped fiber laser oflinear cavity has been studied,and analytical expressions on laser output power,threshold pump power and siope dfficiency under stationary condition have been derived.The pump power is 20MW,hait ion doping concentration is 400 ppm,fiber length is 1.5m, R1 is 1,R2 is 0.5,the output characteristics can obtain ideal. To provide theoretical busis for the optimization design of optical fiber laser.
Key Words:erbiumdoped fiber laser rate equation output characteristics fiber laser of linear cavity
1引言
接算光纤激光器具有很多突出的优点，其辐射波长与通信光纤低损耗窗口相匹配，可用带宽较宽，因此掺饵光纤激光器有相当多的可调谱数和选择性，面且具有高效率低阔值，小型化，易与传输光纤耦合等优点1-2。因面它在光纤通信，光纤传感等领域具有重要的应用前录。
当然，要使激光器处于最佳的工作状态，必须对激光器的主要参数和谱振腔等进行优化设计。文中对饵光纤激光器的输出功率、阔值功率、斜率效率与掺每光纤长度、反射率之间的关系进行理论分析，并给出其相对应的理论表达式。这对接饵光纤激光器的优
化设计具有指导意义。 2理论分析
2.1器件结构和模型
掺饵光纤激光器的能级结构(如图1)。
(EDFL)泵浦和增益有关的能级图和相关的跃迁过程。E,为激光基态，E为亚稳态，E，为泵浦能级。由于基态能级E，粒子受到外界泵浦的作用，吸收了外来的能量，从E，被抽运到E，跃迁到E，上的粒子在该能级停留的时间很短，很快无辐射跃迁到E，能级上，E，上粒
抽运能级E3
........
980nm泵浦
1480nm浦
亚稳态能级E2 激光跃迁
基态能级E1
图1石英光纤中辑离子的能级结构示意图
Fig.1 The level structure of erbium ions in quartz fiber 收稿日期：201406-28
子跃迁回E，时便产生受激辐射，从而产生激光，
典型的光纤激光器如图2所示由三部分组成5：产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔、激发增益介质的泵浦源。增益介质为掺饵离子的纤芯。当泵浦光从反射镜1人射到饵光纤中时，会被离子吸收。吸收了光子能量的镇离子会发生能级的跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，并发出光，从反射镜2输出，
2.2掺钾放大器速率方程
泵浦波长为980nm时，Er+可以看作一个三能级系统。设总的 Er+的浓度为P，基态粒子浓度为A,，亚稳态粒子浓度为N，，激发态粒子浓度为N，，由于从激发态到亚稳态的跃迁基本上都是非辐射跃迁，并且跃迁速率非常大，固此N，0(6-7),则
N, + N, = p
在稳态时有，三能级系统的粒子数分布满足以下等式：
[ a
N IN,
(W+R) W R
+4(W+rn) 0
+
N N=0
732
(R++』
(1)(2)
式中W表示亚稳态向基态的跃迁几率，激发态到亚稳态的自发发射因子，3激发态到基态的自发发射因子，2,亚稳态到基
接钾光纤
未转换的泵浦光
泵浦光
激射输出光
反射镜1
反射镜2
图2光纤激光器原理示意图 Fig.2 Diagram of fiber laser
作者篇介：曹彦鹃(1983一)，男，山西人,颈士，主要从事光纤激光器及光纤传感方面的研究工作。