光纖激光器課件

第五章光纖激光器光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質(zhì)，而該光纖本身又起到導波作用的固體激光器。由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源三個基本部分組成。優(yōu)點：散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低；諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合器、光纖圈等?？色@得寬帶的可調(diào)諧激光輸出，并調(diào)節(jié)激光輸出。光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗窗口。本章主要內(nèi)容：§1摻雜光纖§2光纖激光器的諧振腔§3摻稀土元素的光纖激光器§4超熒光光纖激光器(SFS)§1摻雜光纖一、摻雜元素摻稀土元素——鑭系[Xe6S2]，外層都為為5S25P66S2鑭系元素電子結(jié)構(gòu)的差別只在4f殼層的電子占有數(shù)。1、摻雜濃度最佳在100ppm量級。太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可能被耗盡。太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級上有效粒子數(shù)減少；導致玻璃基質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶效應(yīng)，不利于產(chǎn)生激光。二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er3+、Nd3+的電子能級4I13/24I15/2Er3+Nd3+能級分裂4F5/24F3/24F5/22、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、1350nm波長處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、1536nm波長處得到激光。

摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約10m）。Er3+Nd3+因此有速率方程組：

dN3/dt=(N1-N3)WP-N2S32dN2/dt=N1W12+N3S32–N2W21–N2(A21+S21)N1+N2+N3=

NtNt是工作介質(zhì)內(nèi)的總粒子數(shù)密度。這三個方程為三能級系統(tǒng)的速率方程組?？梢姡灰猈P(1-3)足夠大，就能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，摻稀土光纖就變成激活介質(zhì)，對頻率為(E2-E1)/h的信號具有放大作用。一、F——P腔1，結(jié)構(gòu)M1:對泵浦光高透；對激光高反M2:對激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng)75%）2，光傳輸特性理論——波動光學。假設(shè)：諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折射率弱波導光纖?！?光纖激光器的諧振腔光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關(guān)。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復。其中儲存了能量。摻雜光纖耦合器：4端出射光比1端入射光停滯后/2。2、光纖圈反射器

普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下單模運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位/2。光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0：

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的的順時針光場相位差為0，與從1432的逆時針光場的相位差為π。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為0。光從1返回。SMF3、光纖圈諧振腔光纖圈為非諧振的干涉儀結(jié)構(gòu)。注意分束器的取向。其中沒有能量儲存。透射反射反射透射光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。三、可調(diào)諧光纖激光器

光纖激光器有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的化學性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應(yīng)用價值顯著。1，反射鏡+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M級，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在附近變化，就能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長?？烧{(diào)諧激光器

采用這種結(jié)構(gòu)，利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦光，分別激勵摻鉺光纖及摻釹光纖,可調(diào)諧的波長范圍分別為25nm和80nm。由于分束器與光學元器件帶來了腔內(nèi)損耗，導致閾值功率提高。14nm11nm四、(反射鏡+光纖圈反射器形式)可調(diào)諧輸出激光器光纖圈的功率反射率為：激光反射率大于95%泵浦光反射率為5%通過改變溫度來調(diào)節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達到激光諧振放大。六、光纖Fox-Smith諧振腔

一般地，1——4段及1——3段的諧振頻率不同。復合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當?shù)膌3、l4以致于在整個熒光線寬內(nèi)只有一個縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)?！?.3摻稀土元素的光纖激光器以980nm的半導體光源作為泵浦源；摻Er

3+光纖中Er

3+的受激輻射產(chǎn)生Laser。一、摻Er3+光纖激光器的示例

1、Er3+的三能級系統(tǒng)能級分裂

由合適長度的摻Er3+光纖、980nm大功率半導體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。世界上第一臺摻Er3+光纖激光器由英國南安譜敦大學的L.Reekie教授于1987年實現(xiàn)。斜率效率=輸出功率/吸收功率%=3.3%輸入鏡輸出鏡吸收功率mW4F5/24F3/2Er3+、Nd3+的吸收與輻射GaAs激光二極管的輸出功率mW光纖激光器輸出功率/mW泵浦功率與光纖激光器的輸出功率優(yōu)點：不需要水冷即可工作；不容易飽和。雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器Fig.2輸出功率與摻鉺光纖長度的關(guān)系超過最佳長度將被再吸收Fig.3不同長度光纖的泵浦功率與波長的關(guān)系光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關(guān)系

DPF:因為1535nm處的ASE信號比1550nm處的ASE信號增長快，所以小的反射率也有大的帶寬．DPB:反射率達到50%時，153