掺Tm³⁺光纤激光器在医学、超快光学、眼睛安全、近距离遥感和远程探测系统等方面具有非常良好的应用前景,已经成为人眼安全波长领域光纤激光器的研究热点。目前对掺Tm³⁺光纤激光器的研究大多采用实验研究的方法,难以深入分析其结构与工作参数对激光器性能的影响,且掺铥光纤价格昂贵。因此,建立数学模型并仿真计算掺Tm³⁺光纤激光器性能及各种参数的影响对获得高性能掺Tm³⁺光纤激光器意义重大。本文用速率方程分析了掺Tm³⁺光纤激光器的性能并建立了数学模型,在MATLAB仿真环境下进行了大量模拟仿真,主要工作和创新点如下:1.研究了铥元素的能级结构特点,对其光谱特性进行了分析,在此基础上提出了掺Tm³⁺光纤激光器的三种泵浦方案:³F₄→³H₆、³H₅→³H₆、³H₄→³H₆,并就三种泵浦方案的泵浦过程进行了分析。研究发现³H₄能级在其泵浦波长处的吸收截面远大于³H₅和³F₄能级,³F₄→³H₆泵浦方案属于二能级系统,难以实现粒子数反转,而³H₅能级存在激发态吸收,理论得出³H₄→³H₆的泵浦方案较优的有益结论。2.研究了光纤激光器泵浦方式,并对影响掺Tm³⁺光纤激光器性能的因素进行了简单分析。发现前、后向的单端泵浦方式容易造成泵浦端光功率密度过大而损坏光纤,双向泵浦则能更充分的利用泵浦光。3.采用速率方程的方法对掺Tm³⁺光纤激光器的三种泵浦方案进行了理论分析,并建立了掺Tm³⁺光纤激光器各泵浦方案的数学模型,对模型中的各参数进行了讨论。4.模拟仿真了掺Tm³⁺光纤激光器,详细研究和分析了Tm³⁺的掺杂浓度、光纤长度、输出耦合反射率等参数对激光器的激光输出功率、功率阈值和斜率的影响关系。优化设计了获得高性能掺Tm³⁺光纤激光器时,Tm³⁺的掺杂浓度、光纤长度和输出耦合镜反射率的最佳值。得出提高Tm³⁺的掺杂浓度和降低输出耦合的反射率都能有效缩短激光器的光纤长度的有益结论。