影响光纤激光器呢光束性能的研究

西安邮电学院

科研训练论文毕设题目：影响光纤激光器光束性能因素的研究

院系：电子工程学院光电子技术系

专业：光信息科学与技术

班级： 0702

姓名：冯盼

指导教师：朱海燕

影响光纤激光器光束性能因素的研究

作者：冯盼（西安邮电学院,电子工程学院,光信息科学与技术,0702班）

指导教师：朱海燕（电子工程学院）

摘要：由于光纤激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑、无需外部水冷等优点而得到人们地广泛应用，是目前发展最快、市场前景最好的一类激光器。因而光纤激光器输出功率和光束质量对于人们来说很是重要,但是光纤激光器内部器件中光纤与光纤的耦合，光纤弯曲导致的损耗，光纤中的模式传输特性等，都影响着输出光束的质量,所以研究影响光纤激光器的性能因素，在激光技术中具有重要意义。本文主要介绍了各个影响光纤激光器光束性能的因素。

关键词：光纤激光器；光束性能；光纤耦合；光纤传输损耗；光纤模式传输特性Research of the Impact on Optical Fiber Laser Beam Performance

Writor：Pan Feng（0702 class，Optical Information Science and Technology，Electronic engineering, Xi’an University Posts&Telecommunications）

Direct teacher（hai-yan zhu，Electronic engineering）

Abstract：Because the laser has a small size, lightweight, compact structure and no external cold water , The fibre is widely used in various flieds and is the best type of laser and the fastest growing markets for the future.So the research of t he lasers’ output power and beam quality is very important to people.But an internal component of fibre and wastage of fiber coupling and fibre in the transmission properties are affecting the quality of the beam and it is significance in laser technology to study the impact of laser beam performance . This article mainly introduce impact on optical fiber laser beam performance.

Key words：Fibre laser，Beam performance，fiber coupling，Fibre transport cost，Fibre properties of transport mode

0 引言

光纤激光器诞生于20世纪60年代初，它是伴随着光纤通信技术，光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而孙萌发展起来的新型器件。由于其在高速率，密集波分复用通信系统，高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景，所以备受世界各国科研工作者的青睐，现已成为国际学术界的热门研究对象。

光纤激光器与其他类型激光器相比较，其优点有以下几点：⑴泵浦功率低，增益高，输出光束质量好；⑵与其他光纤器件兼容，可实现全光纤传输系统；⑶使用光纤作为基体，其结构具有比较高的比表面积，因而散热好；⑷体积小，携带方便；⑸光纤激光器可以作为光孤子源，实现光孤子通信。

因而，光纤激光器应用范围非常广泛，如光纤通信，工业加工，军事国防，医疗器械，大型基础建设等。随着对光纤激光器研究的不断深入，其应用的范围不断地扩展，实用化的步伐不断加快。所以，研究影响光纤激光器的性能因素，在激光技术中具有重要意义。在光纤激光器中，内部器件中光纤与光纤的耦合，光纤弯曲导致的损耗，光纤中的模式传输特性等，都影响着输出光束的质量。

1 影响光纤激光器光束性能的各个因素

1.1 光纤耦合对光束性能的影响

光纤激光器作为波导激光器的一种,将不可避免地产生谐振腔反馈耦合损耗[1],这将影响激光输

出效率。反馈耦合损耗产生的原因主要有两个方面: 1) 由于到达腔镜光束的波前和腔镜的曲率不匹配, 当光场被反馈到光纤端面时, 不能全部进入光纤; 2) 一部分进入光纤中的光场能量没有耦合到光纤基模中, 对基模来说就是损耗。为了使光纤激光器的反馈耦合损耗最小, 选择合适的腔镜是非常必要的。

(1)光纤激光器反馈耦合损耗

双包层光纤激光器中通常使用的腔镜结构可以分为两类, 第一类为平面反射镜[2]、球面反射镜[3],其结构如图1（a）。第二类为透镜和平面反射镜组成的复合腔镜, 其结构如图1( b) 。在结构1 中, 曲率为R 的球面反射镜被放置在离光纤端面z 的位置处。在结构2 中,焦距为f的透镜被放置在离光纤端面f处,平面反射镜放置在透镜后z处。以上均假设透镜和反射镜足够大以致可以忽略衍射损耗。

图1腔镜结构

根据定义, LP01模的模式反馈耦合效率c2可定义为经过腔镜反馈后进入波导中并重新耦合为LP01模的能量占总能量的比例。因此, 反馈耦合损耗C01可以表示为：

(1)

式(1)中, c 为光纤端面出射场E(r)和被腔镜反射后返回到光纤中的返回场E′(r)的交叠积分。E′(r) 可以由式(2) 表示为[4]：

（2）

拉盖尔 斯光束的q 参量可以表示为[4]（3）

设纤芯折射率为n, 以下对图1 和图2 中两种腔镜结构所产生的反馈耦合损耗分别进行讨论：

①腔镜结构1

拉盖尔-高斯光束在光纤端面和腔镜间往返一次的ABCD矩阵可以表示为

（4）通过M 可以计算返回场的q 参量q=（A q0+B）/(C q 0+D) (5)

则返回场拉盖尔 斯光束的特征参量ω，ρ，β可以表示为

（6）

拉盖尔 斯光束在光纤端面和腔镜间往返一次的相移为[5]

(7)

式中b1 和b2 分别为从光纤端面出射后以及通过腔镜变换后的瑞利长度, z′为通过腔镜变换后腰斑距离腔镜的位置, 可以求得