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第一章 掺稀土元素光纤激光器和放大器概述1

1.1 引言1

1.1.1 关于光纤激光器1

1.1.2 光纤形式激光器的优点2

1.1.3 光纤激光器的发展简史3

1.2 光纤中的激光效应4

1.2.1 光的吸收和发射5

1.2.2 激光的产生5

1.2.3 四能级和三能级激光器6

1.2.4 稀土金属元素和离子7

1.2.5 基质材料的影响8

1.2.6 稀土金属离子的浓度9

1.2.7 超荧光光纤激光器和放大器10

1.3 制作掺稀土光纤10

1.3.1 硅光纤：不掺杂情况下的MCVD光纤制作方法10

1.3.2 在硅光纤中掺稀土元素：溶解法11

1.3.3 在硅光纤中掺杂稀土元素：掺杂体载流子腔法11

1.3.4 在硅光纤中掺杂稀土元素：烧结棒法12

1.3.5 在硅光纤中掺杂稀土元素：气相轴向沉积法12

1.3.6 在硅光纤中掺杂稀土元素：棒入管法12

1.3.7 在氟化锆光纤中掺杂稀土元素：浇铸法13

1.4.2 光谱细节14

1.4.1 吸收和荧光的测量14

1.4 玻璃中稀土元素离子的光谱14

1.4.3 其它基质材料16

1.5 硅光纤激光器18

1.5.1 掺钕硅光纤激光器18

1.5.2 掺铒硅光纤激光器22

1.6 氟化锆光纤激光器23

1.6.1 1050nm和1350nm波长输出的掺钕氟化锆光纤激光器24

1.6.2 1550nm波长输出的掺铒氟化锆光纤激光器25

1.6.3 其它波长输出的氟化锆光纤激光器26

1.7 光纤激光器的谐振腔28

1.7.1 Fabry-Perot腔29

1.7.2 基于定向耦合器的光纤激光器30

1.7.3 光纤激光器波长调节输出33

1.7.4 光纤激光器的窄谱线输出34

1.8 调Q和锁模41

1.8.1 光纤激光器的调Q42

1.8.2 锁模光纤激光器43

1.9 掺稀土元素光纤放大器43

1.9.1 光纤放大器的三种可能的应用43

1.9.2 掺铒光纤中小信号增益的测量44

1.9.3 掺铒放大器的激发态吸收46

1.9.4 利用掺铒光纤进行放大47

1.10 小结49

2.1 概述58

第二章 光纤波动理论基础58

2.2 基本方程推导59

2.2.1 直角坐标系的波动方程59

2.2.2 柱座标系中的波动方程62

2.2.3 变量分解法求解方程63

2.3 阶跃型折射率分布光纤中的波动现象65

2.3.1 纤芯和包层中的电磁场65

2.3.2 模的分类68

2.3.3 模的传播常数（精确解）69

2.3.4 传播常数和弱导近似71

2.3.5 特征方程的统一表达式72

2.3.6 模的传统命名方法73

2.3.7 截止频率74

2.3.8 线性偏振（LP）模76

2.4 LP模的横向场分布77

2.5 小结83

第三章 激光理论基础85

3.1 概述85

3.2 自发发射，受激吸收和受激发射85

3.2.1 自发发射85

3.2.2 光谱线型函数86

3.2.3 光谱线加宽机制88

3.2.4 光的受激吸收和受激发射91

3.3 速率方程组94

3.3.1 三能级系统的速率方程组95

3.3.2 四能级系统的速率方程组97

3.4 稳态粒子数反转及饱和效应98

3.4.1 小信号情况下的粒子数反转98

3.4.2 均匀加宽介质中粒子数反转分布的饱和效应100

3.5 激光振荡理论102

3.5.1 光在介质中的增益、增益系数和增益饱和102

3.5.2 激光振荡形成的阈值和相位条件106

3.5.3 四能级系统均匀加宽激光器稳态运转的建立108

3.5.4 三能级系统均匀加宽激光器稳态运转的建立114

3.6 小结117

4.1 概述118

第四章 掺铒玻璃材料的光学特性118

4.2 放大器效率120

4.2.1 能量消耗过程121

4.2.2 硅中稀土元素的溶解性126

4.3 1500nm处的截面和光谱128

4.3.1 电子结构和跃迁速率128

4.3.2 吸收和受激发射截面131

4.3.3 带宽136

4.4 泵浦波长139

4.4.1 980-nm泵浦带140

4.4.2 800-nm泵浦带142

4.4.3 1480nm泵浦带147

4.5 小结153

第五章 光纤形式的反射器和谐振腔163

5.1 概述163

5.2 光纤圈反射器163

5.2.1 光纤圈反射器的基本工作原理164

5.2.2 理论分析167

5.2.3 实验和理论结果172

5.2.4 波长响应174

5.2.5 光纤圈反射器的应用177

5.3 横向耦合光纤Fabry-Perot谐振腔178

5.3.2 场方程方法179

5.3.1 结构和优点179

5.3.3 复电场分析180

5.3.4 光纤耦合器的宏电场表示法181

5.3.5 Ⅰ型TCFFP谐振腔183

5.3.6 Ⅱ型TCFFP谐振腔191

5.4 小结195

5.5 附录197

第六章 光纤激光放大器和振荡器理论分析201

6.1 概述201

6.2 基本理论202

6.3 自由空间激光器208

6.4.1 光纤激光器的结构212

6.4.2 系数Fvμml的意义212

6.4 光纤激光器212

6.4.3 增益和阈值215

6.4.4 斜率效率217

6.4.5 光纤振荡器的设计218

6.5 泵浦模和掺杂分布对光纤激光器的影响220

6.5.1 掺杂光纤数学模型220

6.5.2 泵浦模和掺杂粒子分布形状的影响224

6.5.3 小信号放大器中激发态吸收（ESA）的影响227

6.6 用高斯近似方法分析光纤放大器的基本特性230

6.6.1 掺杂光纤行波放大器的基本原理230

6.6.2 光学泵浦下的粒子数反转——速率方程232

6.6.3 光纤放大器中信号的传播234

6.6.4 吸收和发射截面235

6.6.5 波导的影响236

6.6.6 简单解237

6.6.7 光纤放大器的增益特性测量241

6.6.8 增益饱和242

6.6.9 寄生效应243

6.6.10 泵浦带的选择245

6.6.11 存在ESA时的解析解246

6.6.12 噪声247

6.7 小结250

第七章 光纤激光器的调Q与锁模254

7.1 概述254

7.2 调Q的基本原理255

7.3 光纤激光器调Q的一般理论256

7.4 调Q光纤激光器特性262

7.4.1 振荡阈值262

7.4.2 随纤芯半径的变化263

7.4.3 能量和功率的转换264

7.4.4 随腔损耗的变化266

7.5 锁模基本原理267

7.6 锁模输出270

7.5 小结272

第八章 可调谐单模光纤激光器275

8.1 概述275

8.2 可调谐单模光纤激光器的基本理论分析276

8.3 常规单模光纤激光器调谐输出实验279

8.3.1 可调谐掺Nd3+光纤激光器279

8.3.2 掺Er3+离子光纤激光器283

8.4 具有波长调节和可变耦合输出光纤反射器的光纤激光器284

8.4.1 光纤圈反射器286

8.4.2 可调谐光纤圈反射器：结果290

8.4.3 波长调节291

8.4.4 可变耦合输出功率292

8.5 小结295

8.6 附录：具有一个光纤圈和一个反射镜的光纤谐振腔理论296

8.6.1 无源响应：腔谐振296

8.6.2 有源响应：振荡条件297

第九章 超荧光光纤激光器理论299

9.1 概述299

9.2 基本原理300

9.2.1 均匀泵浦的多模光纤303

9.2.2 单模光纤305

9.3 超荧光光纤激光器的特性305

9.3.1 增益和功率分布305

9.3.2 输出曲线307

9.3.3 阈值条件308

9.3.4 效率311

9.3.5 最佳输出功率312

9.3.6 线宽313

9.4 小结314

9.5 附录315

9.5.1 高增益极限下的输出功率315

9.5.2 阈值条件316

第十章 掺稀土元素氟化锆光纤激光器和放大器319

10.1 概述319

10.2 掺铒离子氟化锆光纤放大器320

10.3 掺铒氟化锆光纤激光器在2.7μm波长处的连续输出326

10.4 掺钕离子氟化锆光纤激光器328

10.5 掺铥氟化锆光纤激光器在2.3μm处的脉冲发射334

10.6 掺钬氟化锆光纤激光器在2.08μm和1.38μm处的激光输出336

10.7 小结339