光通信系統(tǒng)光源---光纖激光器

1、13.1 光纖激光器簡介光纖激光器簡介什么是光纖激光器什么是光纖激光器光纖激光器的發(fā)展及分類光纖激光器的發(fā)展及分類3.2 光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)3.3 光纖激光器的特點及應用光纖激光器的特點及應用光纖激光器的簡介光纖激光器的簡介 光纖：光導纖維的簡稱，主要由纖芯、包層和涂敷層構(gòu)成。纖芯由高度透明的介質(zhì)材料制成，是光波的傳輸介質(zhì)；包層是一層折射率稍低于纖芯折射率的介質(zhì)材料，與纖芯構(gòu)成光波導，使大部分的電磁場被束縛在纖芯中傳輸；涂敷層一般由高損耗的柔軟材料制成，保護光纖不受水汽的侵蝕和

2、機械的擦傷，同時增加光纖的柔韌性。 光纖激光器：指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來。在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適當加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。 20世紀世紀60年代初年代初：美國光學公司的：美國光學公司的Snitzer（斯尼澤）（斯尼澤）首次提出光纖激光器的概念。首次提出光纖激光器的概念。 20世紀世紀70年代初年代初：美國、蘇聯(lián)等國的研究機構(gòu)開展：美國、蘇聯(lián)等國的研究機構(gòu)開展初步研究工作。初步研究工作。 1975年至年至1985年年：由于半導體激光器工藝和光纖制：由于半導

3、體激光器工藝和光纖制造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國的造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國的南安普敦大學和通信研究實驗室、西德的漢堡大學、南安普敦大學和通信研究實驗室、西德的漢堡大學、日本的日本的NTT、美國的斯坦福大學和、美國的斯坦福大學和Bell實驗室，相繼實驗室，相繼開展了光纖激光器的研究工作，成果顯著。開展了光纖激光器的研究工作，成果顯著。3.1 光纖激光器的簡介光纖激光器的簡介19851985年英國南安普敦大學的研究組取得突出成績年英國南安普敦大學的研究組取得突出成績： 用用 MCVDMCVD方法制作成功單模光纖激光器方法制作成功單模光纖激光器 光纖激光器的調(diào)光纖

4、激光器的調(diào)Q Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。研究工作。英國通信研究實驗室英國通信研究實驗室(BTRL )(BTRL )： 19871987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置裝置 在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領(lǐng)域中也做了大量的基礎(chǔ)工作在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領(lǐng)域中也做了大量的基礎(chǔ)工作 在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。做了開拓性的工作。 2020世紀世紀8080年代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為年

5、代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為光纖激光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖光纖激光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化?；?。u 1988年年 , E. Snitzer等提出了雙包層光纖等提出了雙包層光纖 ,從而使一直被認從而使一直被認為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。 u 90年代初年代初，包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的，包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了功率水平提高了45個數(shù)量級，是光纖激光器發(fā)展史上的個數(shù)量級，是光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。又一個里程碑。 u

6、進入進入 21世紀后世紀后 ,高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進 ,最高輸出功率記錄在短時間內(nèi)接連被打破最高輸出功率記錄在短時間內(nèi)接連被打破 ,目前單纖輸出功目前單纖輸出功率率 (連續(xù)連續(xù) )已達到已達到 2000W 以上。以上。 近年來，美國近年來，美國IPG PhotonicsIPG Photonics公司異軍突起，展公司異軍突起，展示示S S、C C、L Bands L Bands 的各種光纖放大器，高功率的各種光纖放大器，高功率的的EDFAEDFA，RamanRaman光纖激光器和雙波長光纖激光器和雙波長RamanRaman光光纖激光器，纖激光器，

7、并并推出各種商用摻推出各種商用摻Y(jié)bYb高功率光纖激高功率光纖激光器，最大功率達光器，最大功率達1 1萬瓦；單模輸出功率高達萬瓦；單模輸出功率高達1000W,1000W,光束質(zhì)量非常好。光束質(zhì)量非常好。u按諧振腔結(jié)構(gòu)分類按諧振腔結(jié)構(gòu)分類：F-P 腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及振腔以及“8”字形腔字形腔DBR 光纖激光器、光纖激光器、DFB 光纖激光器光纖激光器u按光纖結(jié)構(gòu)分類按光纖結(jié)構(gòu)分類：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器u按增益介質(zhì)分類按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光

8、纖激光器纖激光器u按摻雜元素分類按摻雜元素分類：摻鉺（：摻鉺（Er3+）、釹（）、釹（Nd3+）、鐠）、鐠（Pr3+）、銩（）、銩（Tm3+）鐿（）鐿（Yb3+）、鈥（）、鈥（Ho3+）u按輸出波長分類按輸出波長分類：S-波段（波段（12801350nm）、）、C-波段波段（15281565nm）L-波段（波段（15611620nm）u按輸出激光分類按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器：脈沖激光器、連續(xù)激光器 3.1 光纖激光器簡介光纖激光器簡介什么是光纖激光器光纖激光器的發(fā)展及分類3.2 光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)3.3 光纖激

9、光器的特點及應用光纖激光器的特點及應用 激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理條件，在一激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理條件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實現(xiàn)的，也可以般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實現(xiàn)的，也可以叫作構(gòu)成激光器的叫作構(gòu)成激光器的三要素三要素。1. 1. 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠大于高能態(tài)電任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠大于高能態(tài)電子數(shù)。子數(shù)。 當外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電當外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電子又很快回到低能態(tài)，這種向

10、上和子壽命很短，處于高能態(tài)電子又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時進行的。向下的躍遷幾乎是同時進行的。 為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就需要極大的激發(fā)強度，能夠一下子為了獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就需要極大的激發(fā)強度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強度把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很大的激發(fā)功率也可能損壞材料。大的激發(fā)功率也可能損壞材料。3.2 光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)光纖激光器的基本結(jié)構(gòu) 激光器諧振腔一般為激光器諧振腔一般為F-P干涉共振腔結(jié)構(gòu)，

11、它是由兩個干涉共振腔結(jié)構(gòu)，它是由兩個反射率很高的相互平行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)生反射率很高的相互平行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)生的受激光發(fā)射就是在共振腔里形成的。的受激光發(fā)射就是在共振腔里形成的。 如果共振腔內(nèi)的激光材料已達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那如果共振腔內(nèi)的激光材料已達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出受激輻射，由受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行出受激輻射，由受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生受激躍遷的光于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生受激躍遷的光場

12、越來越強。場越來越強。 LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出 雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下來，其余的自發(fā)躍遷受共振腔的光子才能在共振腔中保留下來，其余的自發(fā)躍遷受到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔共振頻共振頻率的限制率的限制，只有滿足共振條件的那些光被加強、其余的光被，只有滿足共振條件的那些光被加強、其余的

13、光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內(nèi)形成一個具有抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內(nèi)形成一個具有特特定頻率定頻率的足夠強的激發(fā)光場。的足夠強的激發(fā)光場。 另一個作用：在共振腔內(nèi)形成的受激光一部分通過共振另一個作用：在共振腔內(nèi)形成的受激光一部分通過共振腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回來，在共振腔內(nèi)繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔來，在共振腔內(nèi)繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔內(nèi)的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，就可以獲得連續(xù)的內(nèi)的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，就可以獲得連續(xù)的受激光發(fā)射。受激光發(fā)射。 為了

14、使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中激光材料的增益達到閾值增益，也就是說要使粒子激光材料的增益達到閾值增益，也就是說要使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定的程度，稱為閾值反轉(zhuǎn)密度。定的程度，稱為閾值反轉(zhuǎn)密度。 因此激光器的第三個要素就是要有一個功率源，因此激光器的第三個要素就是要有一個功率源，它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉(zhuǎn)密度。在它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉(zhuǎn)密度。在半導體激光器中這一功率源是以電能形式提供激發(fā)半導體激光器中這一功率源是以電能形式提供激發(fā)功率的。功率的。光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介光纖激光器和其他激光器一樣，由

15、能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光質(zhì)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成。學諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成。激光輸出激光輸出 未轉(zhuǎn)換的泵浦光未轉(zhuǎn)換的泵浦光稀土摻雜光纖稀土摻雜光纖泵浦光泵浦光稀土元素包括稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+、 Nd3+ 、Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。u 摻鉺摻鉺(Er3+)光纖在光纖在1.55 m波長具有很高的增益，正對應低波長具有很高的

16、增益，正對應低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應用價值，摻鉺損耗第三通信窗口，由于其潛在的應用價值，摻鉺(Er3+)光光纖激光器發(fā)展十分迅速。纖激光器發(fā)展十分迅速。u 摻鐿摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長光纖激光器是波長1.0-1.2 m的通用源，的通用源，Yb3+具有相當寬的吸收帶具有相當寬的吸收帶(8001064nm)以及相當寬的激發(fā)帶以及相當寬的激發(fā)帶(9701200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。沒有受激態(tài)吸收。u 摻銩摻銩(Tm3+)光纖激光器的激射波長為光纖激光器的激射波長為1.4 m波段，也是重波段，也是重要的光纖通

17、信光源。要的光纖通信光源。TKomukai等人獲得了輸出功率等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率、斜率效率59的的1.47 m摻摻Tm3+光纖激光器。光纖激光器。摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)1. 三能級系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)鉺離子（鉺離子（Er3+）能級結(jié)構(gòu)）能級結(jié)構(gòu)4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)2. 四能級系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)釹離子（釹離子（Nd3+）能級結(jié)構(gòu)）能級結(jié)構(gòu)4G7/24F5/24F3/24I15/24I13/24I11/24I9/2800nm泵浦920nm1060nm1350nm激發(fā)態(tài)吸收 1330nm無輻射躍遷下能級高能態(tài)亞穩(wěn)

18、態(tài)激發(fā)態(tài)吸收是指處于上能級的粒子吸收泵浦能量向更高能級躍遷的過程，是一種能量的無效損耗，降低泵浦效率。3.上轉(zhuǎn)換能級的結(jié)構(gòu) 可見光波段激光的產(chǎn)生源于上轉(zhuǎn)換過程。頻率上轉(zhuǎn)換是指來自同一（或不同）泵浦激光器的多個光子被摻雜離子同時吸收，該離子躍遷到能極差大于單個泵浦光子能量的能級上，使得激光器的工作頻率高于泵浦光頻率的過程。1060nm泵浦1060nm泵浦1480nm1G43F23H43H53F43H61060nm泵浦銩離子（銩離子（Tm3+）上轉(zhuǎn)換能級圖）上轉(zhuǎn)換能級圖對于通訊應用，目前認為摻對于通訊應用，目前認為摻Er光纖激光器最適宜，因為它光纖激光器最適宜，因為它能工作在石英光纖最低損耗波長能

19、工作在石英光纖最低損耗波長1.51 m處，調(diào)諧范圍處，調(diào)諧范圍50nm，可供多路光頻復用。它的泵浦波長可在，可供多路光頻復用。它的泵浦波長可在0.807 m、0.980 m和和1.490 m，但目前最易得到的是，但目前最易得到的是0.980 m的激光的激光二極管，它能提供連續(xù)輸出幾百二極管，它能提供連續(xù)輸出幾百mw，Q開關(guān)開關(guān)15ns脈沖功率脈沖功率100w。理論上有可能獲得。理論上有可能獲得1kw。 世界上第一臺摻世界上第一臺摻Er 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學的光纖激光器由英國南安譜敦大學的L. Reekie教授于教授于1987年實現(xiàn)。年實現(xiàn)。其他的摻雜光纖激光器，如其他的摻雜光纖激光

20、器，如2.1 m工作的摻鈥工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在光纖激光器，由于水分子在2.0 m附近有很強的中紅附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學研究上有廣波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學研究上有廣闊的應用前景。闊的應用前景。世界上第一臺摻世界上第一臺摻Nd 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學的光纖激光器由英國南安譜敦大學的R.J. Mears教授于教授于1985年實現(xiàn)。年實現(xiàn)。光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)1.線形腔泵浦光摻雜光纖M1M2輸出激光 A）腔鏡在光纖端面耦合。要求：1

21、）腔鏡緊密地貼近光纖端面 ，從而避免散射損耗。2）高精度地調(diào)整光纖或腔鏡的相對位置，因為只要光纖端面或腔鏡稍有傾斜，損耗就會迅速增大，給調(diào)整帶來困難。 B）將腔鏡直接鍍在拋光后的光纖端面上。缺陷：面反射鏡要求光纖端面拋光性能好，沒有細微缺陷；高功率密度的泵浦光透過端面腔鏡，會對腔鏡的絕緣鍍層損壞，降低激光器的性能。M1全反M2部分反射為了避免泵浦光對腔鏡的損壞： 1）用波分復用耦合器直接將泵浦光耦合進入腔內(nèi)； 2）用光纖Bragg光柵(FBG)代替腔鏡，將FBG直接刻在腔內(nèi)的光纖上或?qū)⒖毯玫腇BG熔結(jié)在腔內(nèi)光纖上。光纖Bragg光柵可取代F-P腔兩端的高反射鏡，構(gòu)成全光纖激光器，同時消除了腔鏡

22、與光纖的耦合損耗。 下圖分別為分布Bragg反射（DBR）和分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)光纖激光器 。 EDFFBGFBG1FBG2DBR光纖激光器DFB光纖激光器2. 環(huán)形腔 環(huán)形腔的優(yōu)點在于可以不使用反射鏡構(gòu)成全光纖腔，最簡單的設(shè)計是將WDM耦合器的兩個端口連接起來形成一個連著摻雜光纖的環(huán)腔，如下圖所示。光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的核心部分是光纖定向耦合器。耦合器的兩個臂（1,2點）連接在一起，構(gòu)成了光在其中傳輸?shù)难h(huán)行程。耦合器起到了“介質(zhì)鏡”的反饋作用，并形成了一環(huán)形諧振腔。簡單的光纖環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)簡單的光纖環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu) PCISODoped fiberWDMoutputpump環(huán)形腔光纖激光器結(jié)構(gòu)圖環(huán)

23、形腔光纖激光器結(jié)構(gòu)圖 波分復用（WDM）耦合器的兩端連接在一起形成了環(huán)形腔，環(huán)內(nèi)串接著摻雜光纖；插入了隔離器（ISO:Isolator）以保證激光的單向運轉(zhuǎn)。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 （ P C ：Polarization Controller）。980/1550 nmWDMEDFpump laseroutputISO環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)圖環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)圖filtercouplerPC波長選擇器件3.其它腔型結(jié)構(gòu) 光纖圈反射器（光纖環(huán)形鏡），結(jié)構(gòu)如下圖所示，包含一個定向耦合器和該耦合器兩輸出端口連接在一起形

24、成的一個光纖圈。 工作原理：假設(shè)耦合器耦合系數(shù)為0.5，若光波從端口1進入耦合器，耦合器將一半光功率耦合到端口3，將另一半耦合到端口4，即有一半輸入光沿光纖圈順時針方向傳播，另一半沿逆時針傳播。當它們再次在輸入端相遇時經(jīng)歷了相同的相移，干涉相長的結(jié)果使其完全反射回腔內(nèi)。實際中有部分光從2端口輸出。 光纖圈諧振腔，與環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)類似，基于定向耦合器。不同的是進入光纖圈的光波可以通過另一端輸出，還可以再次通過輸入端輸出，成為向后傳播的光波，這兩種波分別為透射波和反射波。這個裝置本質(zhì)上來說是一個干涉儀。兩個光纖圈串聯(lián)的激光器結(jié)構(gòu)光纖光纖Fox-Smith諧振腔諧振腔 一般地，一般地，14段及段及1

25、3段的諧振頻率不同。段的諧振頻率不同。復合腔的縱模頻率間隔為：復合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當?shù)倪x擇適當?shù)膌3、l4以致于在以致于在整個熒光線寬內(nèi)只有一個整個熒光線寬內(nèi)只有一個縱模在振蕩。則可以縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)單縱模運轉(zhuǎn)。)(2243llnf復合腔結(jié)構(gòu)泵浦環(huán)形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF 980/1550nm WDM EDF Isolator Output 10% FBG IMG Coupler(10：90) 980nmLD 90% 可調(diào)諧光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有光纖激光器有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍較寬的波長調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的，比染料激光器的化

26、學性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行化學性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應用價值顯著。，潛在應用價值顯著。1、反射鏡、反射鏡+光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃級，閃耀角為耀角為 ，光柵常數(shù)為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：，則光柵方程為：dMddMdcos2sin2 只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的使光束相對于光柵法線的入射角在入射角在 附近變化，就附近變化，就能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長 。 可調(diào)諧激光器可調(diào)諧激光器 采用這種結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)，利用氬離子激光器的利用氬離子激光器

27、的514nm的光作為泵浦的光作為泵浦光，分別激勵光，分別激勵摻鉺摻鉺光光纖及纖及摻釹摻釹光纖光纖,可調(diào)可調(diào)諧的波長范圍分別為諧的波長范圍分別為25nm和和80nm。 由于分束器與光由于分束器與光學元器件帶來了腔內(nèi)學元器件帶來了腔內(nèi)損耗，損耗，導致閾值功率導致閾值功率提高。提高。14 nm11 nm窄帶輸出的光纖激光器窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用：通過光纖光柵的選模作用： 達到窄帶達到窄帶輸出。輸出。 B是布拉格波長，是布拉格波長， d是光柵周期，是光柵周期，ne是有效折是有效折射率。射率。dneB2激光線寬激光線寬0.06 nm LD 976 nm DM Yb-doped DC

28、F Polished at 8 Grating Output beam Lens Coupling system Littrow結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器 調(diào)諧范圍：1040nm1107.6nm ，功率：34mW102010301040105010601070108010901100111011200246810121416Output Power (dBm)Wavelength (nm)輸出功率隨激光波長的變化關(guān)系斜率效率：斜率效率： 輸出激光功率的變化量輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量泵浦功率的變化量 也就是輸出激光功率隨泵浦功率變化曲線也就是輸出激光功率隨泵浦功率變化曲線

29、線性部分的斜率，一般用百分數(shù)表示線性部分的斜率，一般用百分數(shù)表示 窄帶輸出的光纖激光器窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用：通過光纖光柵的選模作用： 達到窄帶達到窄帶輸出。輸出。 B是布拉格波長，是布拉格波長， d是光柵周期，是光柵周期，ne是有效折是有效折射率。射率。dneB2激光線寬激光線寬0.06 nm 單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關(guān)單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關(guān)注，得到了長足發(fā)展。但是，由于泵浦光較難有效地耦注，得到了長足發(fā)展。但是，由于泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內(nèi)，光光轉(zhuǎn)換效率合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內(nèi)，光光轉(zhuǎn)換效率較低

30、；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模較低；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平。所以一式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作和開發(fā)應用大都集中在光通信和光傳感領(lǐng)域。和開發(fā)應用大都集中在光通信和光傳感領(lǐng)域。 （1）高功率激光輸出，多個多模半導體激光二極管并行泵浦，可設(shè)計出極高功率輸出的光纖激光器。 （ 2）由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時一般無需復雜的冷卻裝置。 （3）由于光纖摻稀土元素離子，有一個寬而平坦的吸收光譜

31、區(qū)，因此有很寬的泵浦波長范圍。 （4）多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運轉(zhuǎn)壽命超過l00萬小時)決定了這種激光器具有高可靠性。 （5）具有極高的光束質(zhì)量，這是其他高功率激光器無法相比的。 （6）電光轉(zhuǎn)換效率高，插頭效率高達20以上。 （7）結(jié)構(gòu)緊湊、牢固、不需精密的光學平臺，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。雙包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu)光纖芯光纖芯外包層外包層保護層保護層激光輸出激光輸出泵浦光泵浦光雙包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu) 光纖芯：由摻稀土元素的由摻稀土元素的SiO2構(gòu)成，它作為激光振蕩的構(gòu)成，它作為激光振蕩的通道，對相關(guān)波長為單模；通道，對相關(guān)波長為單模； 內(nèi)包層：內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、：內(nèi)包層

32、由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純折射率比纖芯小的純SiO2構(gòu)成，它是泵光通道，對泵光構(gòu)成，它是泵光通道，對泵光波長是多模的；波長是多模的； 外包層：外包層由折射率比內(nèi)包層小的軟塑材料構(gòu)成；外包層由折射率比內(nèi)包層小的軟塑材料構(gòu)成； 保護層：最外層由硬塑材料包圍，構(gòu)成光纖的保護層。最外層由硬塑材料包圍，構(gòu)成光纖的保護層。端面泵浦耦合技術(shù)端面泵浦耦合技術(shù)端面泵浦耦合技術(shù)端面泵浦耦合技術(shù)側(cè)面泵浦耦合技術(shù)側(cè)面泵浦耦合技術(shù) 圓形內(nèi)包層的摻內(nèi)包層的摻Y(jié)b3+雙包層光纖。內(nèi)包層直徑：雙包層光纖。內(nèi)包層直徑：125m, 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA)：0.38；芯徑：；芯徑：5.5m，NA：0.

33、11；在；在976nm出的吸收系數(shù)：出的吸收系數(shù)：64dB/km； 矩形內(nèi)包層的摻內(nèi)包層的摻Y(jié)b雙包層光纖。內(nèi)包層尺寸：雙包層光纖。內(nèi)包層尺寸：100m70m；NA：0.38；芯徑：；芯徑：5.5m；NA：0.11；在；在976nm出的吸收系數(shù)為出的吸收系數(shù)為73dB/km。美國IPG公司的摻Y(jié)b雙包層高功率激光器的輸出功率水平超過700瓦，幾百瓦幾千瓦的雙包層光纖激光器的商品也已問世。 瓦級全光纖摻Y(jié)b雙包層光纖激光器 高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)的體器件構(gòu)成諧振腔，未能實現(xiàn)全光纖化，這不僅的體器件構(gòu)成諧振腔，未能實現(xiàn)全光纖化，這不僅極大地

34、限制了光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊性和工作可靠極大地限制了光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊性和工作可靠性，也增加了抽運光的耦合難度，同時不利于光纖性，也增加了抽運光的耦合難度，同時不利于光纖激光器與后續(xù)光纖光學系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上激光器與后續(xù)光纖光學系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上述問題，采用光纖述問題，采用光纖Bragg光柵（光柵（FBG）作為腔鏡的全）作為腔鏡的全光纖高功率激光器。光纖高功率激光器。 光纖：光纖：摻Y(jié)b雙包層光纖的內(nèi)包層形狀為正方形，截面尺寸為125m125m，數(shù)值孔徑約為0.38。單模纖芯的模場半徑為7m，數(shù)值孔徑為0.11。纖芯中摻雜有較高濃度的Yb離子，對976nm抽運光的吸收損耗約為1.7

35、dB/m。光纖長度為20m。 諧振腔：諧振腔：一對中心反射波長為1060nm的FBG作為選頻反饋腔鏡，構(gòu)成駐波腔，相應的峰值反射率分別為99%和5%。圖3-5 泵浦源：為一臺帶有輸出尾纖的為一臺帶有輸出尾纖的LD模塊，中心模塊，中心波長為波長為976nm。在。在LD模塊與光纖激光器注入端之間模塊與光纖激光器注入端之間專門設(shè)計了一個專門設(shè)計了一個taper型光纖耦合器，以提高抽運光型光纖耦合器，以提高抽運光的注入效率。的注入效率。 性能指標： 閾值功率：閾值功率： 300mW 輸出功率輸出功率 ：1.18W 光光轉(zhuǎn)換效率：光光轉(zhuǎn)換效率：53.1% 斜率效率：斜率效率：68 中心波長：中心波長：

36、1060nm 光譜半寬光譜半寬 ： 95），但插 入損 耗大，穩(wěn)定性較差，需要幾千伏的高壓，產(chǎn)生 的電子干擾大。980nm抽運隔離器輸入耦合器摻鉺光纖透鏡偏振器電光調(diào)制器75%輸出鏡A.非光纖型：可飽和吸收體被動調(diào)Q特點：在1.53mm得到0.1mJ能量，開關(guān)速度慢，插入損耗大SESAMdichroicfilterf=4.5mmf=18mmdichroicmirrorLMA fiber(60cm)pump(=2W at 980nm)outputB. 光纖型Q開關(guān)：光纖邁克爾遜干涉儀調(diào)Q特點：開關(guān)速度較慢，能產(chǎn)生ms量級脈沖，要求兩臂光纖 光柵完全相同，這樣的兩個光纖光柵比較難制作， 消光比不高

37、12B.光纖型Q開關(guān)：光纖馬赫曾特干涉儀調(diào)Q特點：全光纖型主動調(diào)Q，可產(chǎn)生ms脈沖，低插入損耗 ， 但開關(guān)時間較慢EDF980/1550nm WDM980nm LDRefPZToutputIsolator3dB3dB3dB FBGPZT Controller 鎖模光纖激光器可作為高速通信系統(tǒng)的光源，鎖模光纖激光器可作為高速通信系統(tǒng)的光源，有著光明的前途。有著光明的前途。 高速光纖通信要求超短脈沖光源的脈寬為高速光纖通信要求超短脈沖光源的脈寬為ps，重復頻率重復頻率1GHz100GHz，同時輸出波長可調(diào)諧，同時輸出波長可調(diào)諧，因此研究工作集中在：高重復頻率鎖模技術(shù)；多因此研究工作集中在：高重復頻

38、率鎖模技術(shù)；多波長和可調(diào)諧鎖模光纖激光器；鎖模光纖激光穩(wěn)波長和可調(diào)諧鎖模光纖激光器；鎖模光纖激光穩(wěn)頻技術(shù)；輸出脈沖窄化和超連續(xù)譜光纖激光器。頻技術(shù)；輸出脈沖窄化和超連續(xù)譜光纖激光器。所謂鎖模就是相位鎖定，光纖激光器同時所謂鎖模就是相位鎖定，光纖激光器同時運轉(zhuǎn)在位于增益帶寬內(nèi)的大量縱模上，當運轉(zhuǎn)在位于增益帶寬內(nèi)的大量縱模上，當各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差恒各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差恒定為一常數(shù)值時，就實現(xiàn)了鎖模。定為一常數(shù)值時，就實現(xiàn)了鎖模。如圖所示，腔長為如圖所示，腔長為L的普通光纖激光器在未的普通光纖激光器在未經(jīng)鎖模時，同時運轉(zhuǎn)在位于增益帶寬范圍內(nèi)經(jīng)鎖模時，同時運轉(zhuǎn)在位于增益帶

39、寬范圍內(nèi)超過閾值的大量縱模上，各個縱模的等頻率超過閾值的大量縱模上，各個縱模的等頻率間隔為間隔為:基于Bragg光纖光柵調(diào)諧的鎖模光纖激光器 實驗結(jié)果實驗結(jié)果: 波長：1558.4nm, 脈寬：50ps 調(diào)諧范圍：1553.92nm1561.27nm基于啁啾光柵色散的鎖模光纖激光器 實驗結(jié)果： 波長：1555.12nm, 脈寬：60ps, 啁啾度： 5.2實驗結(jié)果： 波長：1552.24nm，1559.32nm； 脈寬：60.0psRF driver雙波長主動鎖模光纖激光器 3.1 光纖激光器簡介光纖激光器簡介什么是光纖激光器什么是光纖激光器光纖激光器的發(fā)展及分類光纖激光器的發(fā)展及分類3.2

40、光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)3.3 光纖激光器的特點及應用光纖激光器的特點及應用 1.光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性。光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性。 2.成本低。成本低。硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并使用相對廉價的半硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并使用相對廉價的半導體激光二極管作為泵浦源，降低了成本。導體激光二極管作為泵浦源，降低了成本。 3.轉(zhuǎn)換效率高。轉(zhuǎn)換效率高。光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導波介質(zhì)，因此泵光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導波介質(zhì)，因此

41、泵浦光的耦合效率非常高；纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加上光浦光的耦合效率非常高；纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加上光纖激光器能方便地延長增益長度，使泵浦光充分吸收，轉(zhuǎn)換效率較高纖激光器能方便地延長增益長度，使泵浦光充分吸收，轉(zhuǎn)換效率較高。 4.輸出波長多，調(diào)諧方便。輸出波長多，調(diào)諧方便。作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，稀土離子擁作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，稀土離子擁有極為豐富的能級結(jié)構(gòu)，能級躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可有極為豐富的能級結(jié)構(gòu)，能級躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級很多。由于稀土離子能級寬加上玻璃光纖的熒實現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級很多。由于稀土離子能級寬加

42、上玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍寬。范圍寬。 5.溫度穩(wěn)定性好。溫度穩(wěn)定性好?；|(zhì)材料是基質(zhì)材料是SiOSiO2 2，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而且光，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而且光纖結(jié)構(gòu)具有較高的面積體積比，所以其散熱效果很好。纖結(jié)構(gòu)具有較高的面積體積比，所以其散熱效果很好。 6.結(jié)構(gòu)簡單，小型化。結(jié)構(gòu)簡單，小型化。由于光纖激光器的圓柱形幾何尺寸，容易耦合由于光纖激光器的圓柱形幾何尺寸，容易耦合到系統(tǒng)中，采用光纖光柵、耦合器等光纖元件極大地簡化了激光器的設(shè)到系統(tǒng)中，采用光纖光柵、耦合器等光

43、纖元件極大地簡化了激光器的設(shè)計和制作，加上光纖極好的柔韌性，可設(shè)計得小巧靈活。計和制作，加上光纖極好的柔韌性，可設(shè)計得小巧靈活。 7.諧振腔內(nèi)無光學鏡片，腔鏡可直接制作在光纖截面上，或采用光纖諧振腔內(nèi)無光學鏡片，腔鏡可直接制作在光纖截面上，或采用光纖耦合器方式構(gòu)成諧振腔，具有耦合器方式構(gòu)成諧振腔，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點的優(yōu)點。 8.兼容性好。兼容性好。與常規(guī)傳輸光纖在材料和幾何尺寸上具有自然的通融性與常規(guī)傳輸光纖在材料和幾何尺寸上具有自然的通融性和兼容性，因此易于進行光纖集成，耦合損耗低，使用方便。和兼容性，因此易于進行光纖集成，耦合損耗低，使用方便。 9.可在惡劣的環(huán)境條件下工作可在惡劣的環(huán)境條件下工作，如高沖擊、高震動、高溫度等如高沖擊、高震動、高溫度等。注：缺點有：線寬窄，噪聲高，相對一般半導體激光器價格高。注：缺點有：線寬窄，噪聲高，相對一般半導體激光器價格高。 光纖激光器有著波導式結(jié)構(gòu)，可容強泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾光纖激光器有著波導式結(jié)構(gòu)，可容強泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點