光纖光學(xué)有源器件Fiberlaser

1、1光纖激光器光纖激光器2Laser： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation高亮度高亮度方向性方向性相干性相干性激激 光光341960， Theodore Maiman世界上第一臺激光器5678激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用信息信息加工加工醫(yī)療醫(yī)療照明照明測距測距9激光的原理激光的原理激光產(chǎn)生的條件A. （1）泵源（能量注入） （2）增益介質(zhì)（吸收泵浦能量并完成光能量放大） （3）諧振腔（提供光反饋和模式選擇）B. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 閾值條件:增益=損耗C. 相位平衡條件:激光器必須工作在諧振腔的工作模式上。 光腔的駐波條件:在腔內(nèi)形成駐

2、波。10Fqqqndcqqndqdq2222LndcF2為激光器縱模間隔。激光器縱模11并非所有頻率都能振蕩，只有落在增益曲線線寬(即閾值條件)范圍內(nèi)的縱模才能形成實際振蕩(如圖)。激光振蕩模式12激光器橫模 在激光器內(nèi)，除有沿著腔軸分布的縱模以外，還存在保持穩(wěn)定不變分布的光場橫向分布，這種來回反射中可保持住的橫向光場分布稱為橫模，它用整數(shù)m，n來表征。13激光器的輸出由許多獨立頻率分量模式組成。模式：能在腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式。 模式用 表示，m,n,q可分別取 等整數(shù)，一組m,n,q對應(yīng)一種模式。 m,n：垂直腔軸平面內(nèi)的光場振幅穩(wěn)定分布情況，稱橫模階數(shù)，直角坐標(biāo)系中，m和n的數(shù)值

3、分別是該模式在x軸和y軸上的節(jié)點數(shù)。 q：光腔軸向形成的駐波節(jié)點數(shù)目，稱縱模階數(shù)。 三者共同決定該模式的振蕩頻率。mnqTEM, 2, 1 , 0激光器輸出模式（總結(jié)）14激光器輸出模式15激光譜線展寬 前面討論的能級是理想無寬度的、從而粒子輻射是單色的，即輻射的全部能量集中于單一頻率；但事實上，輻射并非單色，而是分布在中心頻率附近一個有限的頻率范圍內(nèi)。 16均勻展寬激光譜線展寬 引起均勻展寬的機理對于每一粒子而言都是相同的。 任一粒子對譜線展寬的貢獻(xiàn)都是一樣的，不可能把線型函數(shù)某一特定頻率與某些特定粒子相聯(lián)系起來。 每個發(fā)光粒子都以洛侖茲線型發(fā)射。均勻展寬包括：自然展寬，碰撞展寬和熱振動展寬

4、等。摻鉺光纖屬于均勻展寬增益介質(zhì)，均勻展寬線寬約11nm。17非均勻展寬 非均勻展寬的特點是粒子體系中粒子的發(fā)光只對譜線內(nèi)與其中心頻率相對應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，可以區(qū)分為線型函數(shù)的某一頻率范圍是由哪些粒子發(fā)光所引起的。非均勻展寬主要包括多普勒展寬與殘余應(yīng)力展寬。18光纖激光器光纖激光器Active fiber191961年，美國光學(xué)公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領(lǐng)域進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作1963年和1964年，分別發(fā)表了多組分玻璃光纖中的光放大結(jié)果，提出了光纖激光器和光纖放大器的構(gòu)思。光纖激光器發(fā)展簡史在19751985這十年中，光纖激光器發(fā)展很小低損耗的硅單模光纖和半導(dǎo)體激光器都已商品化并得

5、到了廣泛的應(yīng)用，完善了基于硅光纖的定向耦合器的制作。這些都為光纖激光器的研制鋪平了道路。1988年， E.Snitzer提出了包層泵浦技術(shù)，為大功率光纖激光器的制作提供了依據(jù)20光纖激光器的優(yōu)勢體積小、結(jié)構(gòu)簡單緊湊散熱性能好無需光路調(diào)整損耗低，閾值低多波長、可調(diào)諧實現(xiàn)任意維度加工、無損接入勝任惡劣的工作環(huán)境低功率消耗（光-光轉(zhuǎn)換）2122光纖激光器按增益介質(zhì)分類光纖激光器稀土摻雜光纖激光器非線性光纖激光器 發(fā)光機制是非線性效應(yīng)，主要是受激拉曼散射和受激布里淵散射。目前，受激拉曼散射是實現(xiàn)高功率激光輸出的一個有效手段。布里淵效應(yīng)多用于單頻及多波長激光輸出。 激光產(chǎn)生機制是受激輻射。按光纖纖芯所摻

6、稀土元素的不同，可分為摻Er3+光纖激光器、摻Y(jié)b3+光纖激光器以及Er3+/Yb3+共摻光纖激光器等。不同的摻雜光纖的發(fā)射波長不同，例如摻Er3 +的發(fā)射波長為1.55m，摻Y(jié)b3+的發(fā)射波長為1.06m。23稀土元素包括15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Er3+、 Nd3+、 Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。 摻鉺(Er3+)光纖在1.55 m波長具有很高的增益，正對應(yīng)低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應(yīng)用價值，摻鉺光纖激光器發(fā)展十分迅速。 摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長1.01.2 m的通用源，Yb3+具有相當(dāng)寬的吸收帶(8001064 nm

7、)以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶(9701200 nm)，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。 摻銩(Tm3+)光纖激光器激射波長為1.4 m，也是重要的光纖通信光源。 其他摻雜光纖激光器，如在2.1 m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0 m附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學(xué)研究上有廣闊的應(yīng)用前景。摻雜光纖激光器24 按激光輸出的時域特性，光纖激光器又可分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。脈沖光纖激光器主要采用鎖模技術(shù)與調(diào)Q技術(shù)實現(xiàn)，鎖模技術(shù)可分為主動鎖模和被動鎖模兩種，調(diào)Q分為主動調(diào)Q和被動調(diào)Q兩種。 按頻域特性，光

8、纖激光器可分為單波長、單縱模、多縱模以及多波長光纖激光器。按激光諧振腔腔型，光纖激光器主要有環(huán)形腔結(jié)構(gòu)和線形腔結(jié)構(gòu)兩類。在線形腔光纖激光器中，又以F-P腔為主要研究對象。光纖激光器的分類25光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)線性腔諧振腔L耦合光學(xué)系統(tǒng)工作物質(zhì)(增益光纖)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)LD泵浦源Lcn2FSR 諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)鏡。 26分布Bragg反射（DBR）光纖激光器上圖所示為典型的DBR光纖激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖。DBR光纖激光器使用兩個較高反射率的光纖光柵(FBG1、 FBG2)作為反射鏡置于摻雜光纖(即激光增益介質(zhì))的兩端，構(gòu)成線形激光諧振腔來增強模式選擇，可以把光纖光柵熔接到摻

9、雜光纖上，也可以直接把光纖光柵寫到摻雜光纖上。DBR光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖27分布反饋式（DFB）光纖激光器DFB（Distributed FeedBack Laser）光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如圖所示。DFB光纖激光器是利用直接在稀土摻雜光纖寫入的光柵來構(gòu)成諧振腔的。有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體，只用一個光柵來實現(xiàn)光反饋和波長選擇，因而制作簡單，頻率穩(wěn)定性較好，邊模抑制比高。DFB光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖28光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)環(huán)形腔980/1550 nmWDMEDFpump laseroutputISO窄帶濾波器型環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)圖filtercouplerPC29光纖激光器輸出特性（連續(xù)光輸出）

10、激光輸出的波長、線寬 輸出功率 泵浦功率閾值 斜率效率30激光輸出波長、線寬31各類光纖激光器技術(shù) 單頻（縱模）光纖激光器 脈沖光纖激光器調(diào)Q光纖激光器鎖模光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器多波長光纖激光器雙包層大功率光纖激光器32 單頻光纖激光器概述 單頻光纖激光器實現(xiàn)方法 單頻光纖激光器的應(yīng)用33222qLn), 3 , 1 , 0(q 從而： qnLcq2 n：腔內(nèi)折射率，q：縱模階數(shù)，由于 ，故q一般很大。 ：q階縱模振蕩頻率。相鄰兩縱模間的頻率間隔：LqnLcq2(a)展寬的激光器躍遷線型 (c)激光器輸出的縱模 激光器諧振腔中并非所有頻率都能產(chǎn)生振蕩，只有滿足相長干涉條件的光波才能在腔內(nèi)的

11、來回反射中形成穩(wěn)定分布和獲得最大強度： 單頻光纖激光器概述 （b）腔體的振蕩模式34單頻光纖激光器概述nLc2腔長L腔內(nèi)濾波器帶寬小于激光器縱模間隔設(shè)法增大相鄰兩振蕩縱模之間的頻率間隔應(yīng)用窄帶濾波器或設(shè)法壓縮激光器的增益線寬35 假設(shè)摻鉺光纖激光器腔長：1cm；光纖光柵1為寬帶高反射腔鏡；光纖光柵2作為窄帶波長選擇器件以及輸出耦合器，其反射中心波長=1550.00 nm,問：其3dB反射帶寬為多少可以保證激光器單縱模輸出？（折射率n可取1.5）練 習(xí)136假設(shè)摻鉺光纖激光器腔長：1cm；光纖光柵1為寬帶高反射腔鏡；光纖光柵2作為窄帶波長選擇器件以及輸出耦合器，其反射中心波長=1550.00 n

12、m,問：其3dB反射帶寬為多少可以保證激光器單縱模輸出？（折射率n可取1.5）單縱模條件：增益帶寬縱模間隔f =C/2L=C/2nL=1010=10Ghz; f/f= /; =*f/f *v/f;*f=C; 2*v/C0.08nm37 假設(shè)摻鉺光纖激光器, 光纖光柵1為寬帶高反射腔鏡；光纖光柵2作為窄帶波長選擇器件以及輸出耦合器，3dB反射帶寬為5nm, 其反射中心波長=1224.00 nm,問：其腔長小于多少可以保證激光器單縱模輸出？0.1mm練 習(xí)238單頻光纖激光器實現(xiàn)方法短腔法增大縱模間隔分布Bragg反射光纖光柵激光器(DBR)分布反饋(DFB)光纖光柵激光器39復(fù)合腔法增大縱模間隔

13、復(fù)合諧振腔必須同時滿足以上兩個子腔的諧振頻率：Fox一Smith諧振腔單頻光纖激光器實現(xiàn)方法40單頻光纖激光器實現(xiàn)方法窄帶濾波器41布里淵增益獲得極窄增益線寬單頻光纖激光器實現(xiàn)方法42 光譜儀（分辨率0.01 nm） 掃描式F-P干涉儀（分辨率MHz） 拍頻法（更窄線寬測量方法）激光線寬測量方法43各類光纖激光器技術(shù) 單頻（縱模）光纖激光器 脈沖光纖激光器調(diào)Q光纖激光器鎖模光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器多波長光纖激光器雙包層大功率光纖激光器44思考： 準(zhǔn)分子激光器 單脈沖能量5mJ，重復(fù)頻率200Hz，脈寬8ns，求平均功率和峰值功率W平均=E/T=E*fW峰值功率=E/T45調(diào)Q光纖激光器調(diào)Q技

14、術(shù)又叫Q開關(guān)技術(shù)，是將一般輸出的連續(xù) 激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光 源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。46分類：電光調(diào)Q、主動聲光調(diào)Q、主動染料調(diào)Q、被動調(diào)Q光纖激光器特點：一般與調(diào)制周期相關(guān)，脈寬較大，ns量級47 激光器鎖模原理 鎖模激光器輸出特性 鎖模光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)48 激光器輸出一般是多縱模振蕩模式，縱模之間的振幅與相位彼此獨立；如果能使得各個獨立模式在時間上同步、振蕩相位一致，則總光場是各個模式光場的相干疊加，輸出為一超短脈沖(fs,ps)。這種把激光中各個縱模的相位關(guān)系鎖定、形成脈沖序列的方法稱為鎖模。鎖模技術(shù)鎖模方式主動鎖模被動鎖模主被動聯(lián)合鎖模通過外界

15、信號周期性調(diào)制激光器諧振腔參量（如在腔內(nèi)插入一個電光調(diào)制器），實現(xiàn)激光縱模間相位鎖定的鎖模技術(shù)。將主被動鎖模的特點相結(jié)合的一種會和鎖模方式。利用非線性元件對光強的依賴性，實現(xiàn)各縱模間的相位鎖定，進(jìn)而產(chǎn)生光脈沖的鎖模方式。49多縱模激光器輸出特性 由于各縱模之間相位彼此相互獨立并呈無規(guī)則變化，所以各縱模之間相干項在時間平均下為零，平均輸出光強是縱模之和，不會出現(xiàn)相干加強或相干減弱時域脈沖波輸出，而是呈現(xiàn)出存在幅度和相位噪聲的連續(xù)光輸出。若共有（2n+1）個縱模，則激光的電場強度可表示為:總的光強為:50鎖模激光器輸出特性 可見，多個縱模相干疊加后，使能量聚集在一個峰值較高的波包中，形成鎖模脈沖，

16、脈沖峰值功率比未鎖模時提高了(2n+1)倍。激光總的電場強度表示為: 若使 ，即使相鄰縱模間的位相差均保持為某一常數(shù)a（通常稱此為相位鎖定或鎖模），則第q個縱?？梢员硎緸椋嚎偟墓鈴姙?51非鎖模與鎖模激光輸出對比三個縱模隨機振蕩的情形三個縱模鎖模振蕩的情形52鎖模激光器工作特性 鎖模脈沖的時間間隔為t =2L/c。由于2L/c恰好是一個光脈沖在腔內(nèi)往返一次所需的時間，所以鎖模的結(jié)果可以理解為只有一個光脈沖在腔內(nèi)往返傳播。而激光器的輸出則是時間間隔為t = 2L/c的規(guī)則脈沖序列。（重復(fù)周期，重復(fù)頻率） E(t)的振幅極大值A(chǔ)(t)max=(2n+1)E0，這說明在振幅出現(xiàn)極值的時刻各振蕩縱模的

17、振幅同時到達(dá)極大值。（峰值功率）Pm=N2P0 鎖模后所得脈沖的寬度為t=(2n+1) q-1=1/，式中：q為器件的縱模間隔； 為器件的振蕩線寬。所以激光的帶寬越寬，則所獲得的脈沖寬度越窄。（脈沖寬度）53鎖模激光器工作特性頻域（光譜）時域（脈沖）輸出經(jīng)PD探測，輸入頻譜分析儀上得到頻譜54主動鎖模光纖激光器的典型結(jié)構(gòu)示意圖主動鎖模光纖激光器55主動鎖模建立過程（時域）通過調(diào)制腔損耗（Q值）實現(xiàn)主動鎖模示意圖 在激光器腔內(nèi)插入強度調(diào)制器，對腔損耗進(jìn)行調(diào)制。由于激光器在損耗最低時發(fā)射較強的光，激光在腔內(nèi)往復(fù)傳播，當(dāng)調(diào)制頻率等于相鄰兩縱模之間的角頻率間隔或者是它的整數(shù)倍時，初始產(chǎn)生的細(xì)微的強度差

18、別不斷被增強，導(dǎo)致最終產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模脈沖序列。56主動鎖模建立過程（頻域） 從頻域上看，在激光器腔內(nèi)加入主動強度調(diào)制器，對腔內(nèi)光場進(jìn)行調(diào)制，則輸出電場強度可表示為： 上式中M為調(diào)制系數(shù)，m為調(diào)制頻率。該式表明角頻率為0的縱模經(jīng)過損耗調(diào)制后，除了原有的頻率為0的模式外，還在附近激發(fā)了兩個邊頻振蕩，其頻率分別為 和 ，它們與頻率為0的模有相同的初始相位。0-m 0+ m 00+ m 0-m 57 如果使調(diào)制頻率m等于縱模間隔，則兩個邊頻正好對應(yīng)鄰近的兩個縱模。同樣這兩個邊頻經(jīng)過調(diào)制器后又會進(jìn)一步產(chǎn)生以它們?yōu)橹行牡牧硗鈨蓪咁l，如此繼續(xù)下去，就可以將增益帶寬之內(nèi)的所有縱模都耦合激發(fā)起來。因此，鎖模過

19、程就是由模式競爭中獲勝的優(yōu)勢模通過調(diào)制器的作用，將其能量耦合到其它縱模上去。因所有縱模都是由優(yōu)勢模給予激發(fā)的，所以它們彼此間都保持著相位的同步，并經(jīng)相干疊加，形成鎖模脈沖。主動鎖模建立過程（頻域）58諧波鎖模59主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的波形輸出脈沖的光譜60被動鎖模技術(shù)（染料鎖模） 利用非線性元件對光強的依賴性，來產(chǎn)生光脈沖的鎖模方式。激光介質(zhì)染料盒全反鏡輸出鏡激光1、線性放大：泵浦剛開始，工作物質(zhì)對產(chǎn)生的諸多光脈沖進(jìn)行線性放大。2、非線性吸收：染料被漂白，強脈沖被迅速放大，弱脈沖被吸收。3、非線性放大：工作物質(zhì)對留下的強脈沖進(jìn)行非線性放大，使脈寬被壓縮。61tPtPtPtPtP線性放大

20、非線性 吸收 非線性 吸收 非線性 放大 62被動鎖模技術(shù)63被動鎖模光纖激光器64被動鎖模光纖激光器65被動鎖模光纖激光器66被動鎖模光纖激光器67各類光纖激光器技術(shù) 單頻（縱模）光纖激光器 脈沖光纖激光器調(diào)Q光纖激光器鎖模光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器多波長光纖激光器雙包層大功率光纖激光器68可調(diào)諧激光器tunable laser 是指在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器波長可調(diào)諧光纖激光器69實現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)才有很低的損耗第一種是通過某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對應(yīng)的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)（如磁場、溫度等）使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應(yīng)實現(xiàn)波