北航17系摻鉺光纖激光器指導書

1、LD 泵浦摻 Er 光纖激光器、實驗目的1. 了解摻 Er3+光纖的光譜特性2. 學習 LD 泵浦光纖的技術和方法3. 掌握使用光譜儀、光功率計測量雙包層光纖激光器重要輸出參數(shù)的測量方法、實驗原理1. 摻 Er3+光纖的光譜特性在稀土元素中， Er 也是較特殊的，它具有窄的吸收和發(fā)射線。即使是在 玻璃中，由于局域電場的作用，各個格位的電子能級各不相同（ Stark 效應）， 與其它稀土離子相比， Er 離子的躍遷帶更窄。當這種現(xiàn)象更有利于得到高效 率放大器時，也限制了可能放大的波長范圍，同時也限制了摻 Er 光纖激光器 的有用的調諧范圍。光譜寬度會因基質的不同而不同。Er在固態(tài)中以三價 離子形

2、式存在。 Er3+的電子結構是 Xe4f 12，其中Xe 表示 Xe的滿殼層構型。 所有的稀土元素都具有部分充滿的4f殼層， 并且其被具圖 1 Er 3+ 的吸收譜（虛線）和熒光譜（實線）有Xe殼層構型的外層電子所屏蔽，因此可以觀測到它們具有相似的物理和化 學性質。對每個離子來說，屏蔽作用也降低了基質電場對其的影響，導致了相 似的光譜性質。圖1和 2分別給出了 Er3+的吸收譜、熒光譜和 Er 3+的簡化的能級圖。圖 1中 的虛線表示 Er 3+的分別在 514.5nm 、 532nm 、 667nm 、 800nm 、 980nm 和1480nm 附近的吸收譜，對應著圖2中的向上躍遷的光子能

3、量。為了方便分析，我們把 980nm 的泵浦條件下的在玻璃基質中的Er3+簡化為三能級系統(tǒng)，三個能級分別為圖 2 的 4I 11/2、 4I 13/2 和 4I15/2 ，他們分別是 6 不得用于商業(yè)用途重、 7 重和 8 重簡并能級201510YG 1050圖2 Er 3+離子能級示意圖2.光纖激光器的基本結構 通常，光纖激光器是由泵浦源、增益介質(即摻雜光纖)和諧振腔構成的。圖 1 所示是典型的光纖激光器結構示意圖。 泵浦源的能量激勵光纖中的摻雜稀土離子躍遷 到高能級，這些離子經(jīng)過無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)的激光上能級，形成粒子數(shù)反轉，再躍 遷到激光下能級產生光子，光子在諧振腔中振蕩放大后形成激光

4、輸出。泵浦源 摻雜光纖 輸出腔鏡 腔鏡圖 3 光纖激光器結構示意圖 線形腔是最常用的一種激光腔，其結構如圖 3 所示。它是在光纖兩端分別放置一塊 高反射率腔鏡形成的。在線形腔光纖激光器中，為了避免因光束發(fā)散引起的損耗通常 要將腔鏡與光纖端面進行高精度耦合， 必須使腔鏡緊貼在光纖端面上并與光纖的軸線 垂直。在這種諧振腔中，只要光纖端面或腔鏡稍有傾斜，損耗就會迅速增大，所以光 纖端面與腔鏡夾角一般不能大于 1 。這就使得諧振腔的調整比較困難， 還需要采取防 震措施。要克服調整的困難，可以將光纖端面拋光后，直接鍍高反射膜形成腔鏡。然 而，這種端面反射鏡對光纖端面的細微缺陷非常敏感，要求具有很高的拋光

5、工藝；而 且由于高功率密度的泵浦光也要透過，所以腔鏡的絕緣鍍層有可能受到泵浦光的損 壞，這就使得激光器的實用性較差。為了避免泵浦光對腔鏡的損壞，可以采取以下方法：a. 用波分復用器(WDM ：Wavelength Division Multiplexer )將泵浦光耦合進腔內。b. 直接在光纖上構造光纖 Bragg 光柵（ FBG）。Bragg光柵對腔內激光相當于高反 射鏡，而對泵浦光則是完全透明的，所以光纖 Bragg 光柵可取代線形腔兩端的高反射 鏡，構成全光纖激光器（見圖 4），同時消除了腔鏡與光纖的耦合損耗。這種激光器也 稱為分布布喇格反射（ DBR：Distributed Bragg

6、 Reflection）光纖激光器。因為 FBG 具 有極窄的反射帶寬，所以光纖光柵激光器可以輸出窄線寬的激光。c. 用光纖環(huán)形鏡取代高反射腔鏡。 環(huán)形鏡是將耦合器的兩個輸出端口連接在一起 形成的，如圖 5 所示，它的作用相當于 Sagnac 干涉儀，可反射激光而透射泵浦光。 光纖環(huán)形鏡的反射率由分束比 f 控制，對于低損耗環(huán)形鏡，低功率范圍內的反射率 R 為： R= 4f （1- f）。當 f =50%時， R=100%。由于環(huán)形鏡對激光和泵浦光具有不同的分 束比 f，從而使得環(huán)形鏡對激光和泵浦光起到不同的作用。圖 5 光纖環(huán)形鏡構成的線形腔4. 環(huán)形腔也是激光器中經(jīng)常用到的一種諧振腔。 環(huán)

7、形腔是行波腔， 可以避免空間燒孔 效應，而且即使沒有反射鏡，只用環(huán)形腔也可以構成簡單的環(huán)形腔激光器（如圖 6 所 示）：WDM 耦合器的兩端連接在一起形成了環(huán)形腔， 環(huán)內串接著摻雜光纖； 環(huán)內插入了隔離器（ ISO：Isolator）以保證激光的單向運轉。另外，如果摻雜光纖為非保偏的 普通光纖，還需要使用偏振控制器（ PC： Polarization Controller）。pumpoutput圖 6 環(huán)形腔光纖激光器結構圖在實際應用中，應根據(jù)對光纖激光器性能的具體要求和技術條件來選擇和設計諧 振腔的結構5. 光纖激光器輸出特性理論 表征光纖激光器輸出特性優(yōu)劣的兩個最重要的參數(shù)為：閾值泵浦功率

8、和斜率效 率。閾值泵浦功率是激光器達到閾值所需要的泵浦功率；斜率效率是激光器達到閾值 以后將泵浦功率轉化為激光功率的轉化效率。我們考慮如圖 3 所示簡單的線形腔光纖激光器的情況。 設前腔鏡與后腔鏡的反射 率分別為 R1 和 R2 ，摻雜光纖長度為 L。當光波在諧振腔內往返一周所獲得的增益等于腔內的總損耗時，就達到了激光器的閾值。閾值條件可以表示為：(1)2G 2R1R2 exp( 2 int L) 1其中 G 為單程增益， int 為腔內的損耗，它包含了耦合損耗和其它一些類型的損耗。單程增益可由下式求得：(2)其中，在光纖縱向坐標 z 處的增益系數(shù) g(z)與粒子數(shù)反轉有關：(3)g(z) s

9、N2 (z) N1(z)其中， s為躍遷輻射截面， N1和 N2 分別為參與受激輻射過程的激光下能級和激光上 能級的粒子數(shù)密度。將 (2)式帶入 (1)式，閾值條件變?yōu)椋篖1LL g(z)dz mir int cav (4)L0其中， mir= ln(R1R2)/2L 是有效的腔鏡損耗， cav 是腔內總損耗。反轉粒子數(shù)密度 N2-N1 由泵浦強度和增益介質的特性所決定，一般情況下，可以 通過求解一組與泵浦過程相關能級的速率方程而獲得。假設：激光下能級的粒子數(shù)密 度 N10 并且激光上能級的粒子數(shù)密度 N2<<Nt， Nt 是腔內總粒子數(shù)密度，因此有：N2tWpNt WsN2N22

10、(5)其中 2是激光上能級的壽命，躍遷幾率 Wp和 Ws與泵浦光功率 Pp和激光功率 Ps 成如下線性關系：WppPp aph pWssPsash s(6)其中， p是摻稀土離子光纖對泵浦光吸收截面， ap 是光纖中泵浦光的模場面積， p 是泵浦光頻率，與此對應 s、 as、 s 分別是摻稀土離子光纖對信號光的輻射截面、模 場面積和頻率。方程 (5)的穩(wěn)態(tài)解為：N2Pp Ppsat Nt1 Ps Pssat(7)其中飽和泵浦功率 Ppsat和飽和信號功率 Pssat 定義為：s a t Ppsataphp2satash sPss2(8)因為泵浦功率和信號功率沿腔長發(fā)生變化， 所以 N2也相應地

11、沿 z軸方向發(fā)生變化。 在 不高于激光器閾值的情況下，由于 Ps /Pssat 1，所以增益飽和可以忽略。利用表示泵浦光功率 Pp(z)沿 z 軸方向變化的關系式：Pp z Pp 0 exp a z可求出 (4)式中的積分，并且由下式給出了激光器達到閾值時需要注入的泵浦功率Pp 0cavLa Pps1 exp aL ssat(10)其中， a= pN1和 s= sNt 分別為在泵浦光波長和信號光波長下的吸收系數(shù)。 這個表達 式清楚地表明了激光器的閾值與腔長的依賴關系。通常以被吸收的泵浦功率Pabs 來表示閾值功率：Pabs Pp (0)1 exp( a L)(11)通過令激光器的閾值泵浦功率

12、Pth=Pabs，并將 (10)式代入 (11)式可得 Pth 的表達式為：Pth cav L a s Ppcav L ah p s 2(12)其中 Ppsat由(8)式給出，該方程表明了激光器的閾值是由與摻雜物質、 激光器腔體有關 的各個參數(shù)決定的。因為泵浦功率一旦超過閾值，飽和增益就保持在閾值增益上，所以由閾值條件也 可以得到輸出功率的表達式。將 (3)式和(7)式代入 (4)式，可得：satPp Pp z sat dz cav L 0 1 Ps PssatcavLs(13)由于腔內激光功率 Ps沿著光纖隨縱坐標 z 而變化，所以 (13)式的積分很難得到解析解。但是，在大多數(shù)實際應用的情

13、況下腔鏡反射率足夠大，使得腔內激光功率Ps可以近似認為是一個常數(shù)。對 (13)式進行積分，得到非常簡潔的 Ps 表達式：PsPssat Pabs Pth 1(14)其中 Pabs為吸收的泵浦功率。當 Ps 在腔內傳播時，每到達一個腔鏡就有一部分功 率由腔鏡輻射出來成為輸出功率。從反射率為 R2 的腔鏡輸出的功率為：Pout1 R2 Ps s Pabs Pth(15)(15)式說明激光輸出功率隨著吸收泵浦功率的增加而線性增長。 其中， s 為斜率效率：1 R2 s h scavL a h p(16)斜率效率表征了：當激光器達到閾值后，將泵浦功率轉化為激光功率的效率。由 于斜率效率與腔內損耗 ca

14、v 成反比，因此在設計諧振腔時，應盡量降低腔內損耗以提 高斜率效率。此處腔內損耗是指對于激光波長下的腔內各類損耗之和。盡管在某些光 纖激光器中可以獲得高達 50%的斜率效率， 但是對一般激光器而言， s 的典型值約為 10%。三、實驗裝置圖 7 實驗裝置圖1.摻 Er3+光纖激光器一套（包括 LD 及泵浦電源，耦合系統(tǒng)，摻 Er3+光纖，輸出尾 纖）；2. Agilent 公司的 86142B 型光譜儀一臺；光功率計一臺四、實驗步驟1. 將各連接器件的尾纖輸出端用酒精和無紡布擦拭干凈；2. 將摻 Er3+光纖激光器的尾纖輸出通過 Y 型耦合器分別連接到光功率計和光譜 儀上；直到有激光輸出為止， 記錄下有激光輸出時的泵浦功率閾值。 再進一步增加泵浦功率， 記錄隨泵浦功率增加，激光器輸出功率的變化情況，計算出斜率效率；同時記錄對應 不同的泵浦功率，激光器輸出中心波長、譜線寬度的變化情況；記錄允許的最高輸出 功率值以及波長的可調諧范圍；并填寫好實驗數(shù)據(jù)記錄表格。僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commerci