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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Q 42

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