光纤激光器课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光纤激光器,*,第五章 光纤激光器,光纤激光器是以,掺杂光纤,本身为,工作物质，而该光纤本身,又起到,导波作用,的固体激光器。由,工作物质、谐振腔、泵浦源,三个基本部分组成。,优点：,散热性能好、转换效率高、激光阈值低；,谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。,可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。,光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。,光纤激光器,本章主要内容：,1 掺杂光纤,2 光纤激光器的谐振腔,3 掺稀土元素的光纤激光器,4 超荧光光纤激光器(SFS),光纤激光器,1,掺杂光纤,一、掺杂元素,掺稀土元素镧系Xe6S,2,，外层都为为,5S,2,5P,6,6S,2,镧系元素电子结构的,差别只在4f壳层的电子占有数,。,1、掺杂浓度,最佳在100ppm量级。,太低：,掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。,太高：,稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。,光纤激光器,2、掺杂光纤的基质,（1）石英玻璃,石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。,（2）重金属氟化物玻璃,优点：,通光窗口宽，在,300-8000 nm,范围透过率很高。,易于成纤。,易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。,光纤激光器,二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性,1、Er,3+,、Nd,3+,的电子能级,4,I,13/2,4,I,15/2,Er,3+,Nd,3+,能级分裂,光纤激光器,4,F,5/2,4,F,3/2,4,F,5/2,光纤激光器,2、掺稀土光纤的光谱特性,掺钕光纤：,使用800nm、900nm、 530nm波长的泵浦光源，将在,900nm、1060nm 、 1350nm,波长处得到激光。,掺铒光纤：,使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在,900nm、1060nm、 1536nm,波长处得到激光。,掺铒光纤存在最佳光纤长度（约10m）。,Er,3+,Nd,3+,光纤激光器,3、掺杂光纤的激光特性,掺铒的三能级系统：,基态,E,1,、,亚稳态,E,2,、,高能级,E,3,。从,E,3,E,1,，,泵浦几率为,W,P,，,跃迁几率为,W,P,。,E,3,非辐射,E,2,，,几率为,S,32,；,E,3,自发辐射和非自发辐射,E,2,、,E,1,，,几率为,A,32,、,A,31,、,S,31,。,选择工作物质要求：,A,32,、,A,31,和,S,31,S,32,以及,S,32,W,P(3-1),，,N,2,N,1,。,一般选择,A,21,较小的工作物质。,A,32,光纤激光器,因此有,速率方程组,：,dN,3,/dt=(N,1,-N,3,) W,P,-N,2,S,32,dN,2,/dt=N,1,W,12,+N,3,S,32,N,2,W,21,N,2,(A,21,+S,21,),N,1,+N,2,+N,3,=,N,t,N,t,是,工作介质内的总粒子数密度。,这三个方程为三能级系统的速率方程组。,可见，只要,W,P(1-3),足够大，就能实现粒子数反转，掺稀土光纤就变成激活介质，,对频率为,(E,2,-E,1,)/h,的信号具有放大作用,。,光纤激光器,一、FP腔,1，结构,M,1,: 对泵浦光高透；对激光高反,M,2,: 对激光高反（低增益系统,95%；高增益系统 75%,）,2，光传输特性,理论波动光学。假设：,谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。,2 光纤激光器的谐振腔,光纤激光器,光在腔内传输来回一次后的光强为：,要保证激光在腔内振荡，要求：,反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)：,增益系数,平均损耗系数,光纤激光器,纵模和横模,在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；,轴线方向形成驻波， 称为纵模。,节数为q，为纵模序数。,与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模,，用LP,ml,表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角,从0到2,光场的变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数(节线数)。,LP,01,表示基模，它的角向径向,节线数,没有变化，为圆形光斑。,光纤激光器,二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器,1、光纤环行谐振腔,泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔。激励的激光与泵光无关。产生的激光由4端到3端。经耦合器分为2束：一束从2端输出；另一束由4端返回并被谐振放大；如此反复。,其中储存了能量,。,掺杂光纤,耦合器： 4端出射光比1端入射光停滞后,/2。,光纤激光器,2、光纤圈反射器,普通单模光纤,制成的耦合器的重要特性：只要在工作波长下,单模,运行，在两个输出端与输入端之间,存在固定相位差,，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位,/2。,光纤圈的功率反射率R、透射率T为：,从2端的透射功率总和为0,：,1,3,4,2,的的顺时针光,场相位差为0，与从1,4,3,2的逆时针光场的相位差为,。,两光场因为振幅相同、相位相反,而抵消，总和为0 。,光从1返回,。,SMF,光纤激光器,3、光纤,圈,谐振腔,光纤圈为,非谐振的干涉仪,结构。注意,分束器的取向,。,其中没有能量储存,。,透射,反射,反射,透射,光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射。,光纤激光器,4、全光纤激光器,两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，,通过一条掺杂光纤熔锥而成的,全光纤激光器,。,激光器要实现振荡，,要求光纤圈提供正反馈。,由此得到谐振腔的有效腔长为：,L,1,L,2,L,掺杂光纤,光纤激光器,三、可调谐光纤激光器,光纤激光器有,较宽的波长调节范围,，比染料激光器的,化学性质更稳定，不需低温运行,，潜在应用价值显著。,1，反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔,使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪耀角为,，光栅常数为d，则光栅方程为：,只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的入射角在,附近变化，就能实现调节波长。,光纤激光器,可调谐激光器,采用这种结构，利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦光，分别激励,掺铒,光纤及,掺钕,光纤,可调谐的波长范围分别为,25nm,和,80nm,。,由于分束器与光学元器件带来了腔内损耗，,导致阈值功率提高。,14 nm,11 nm,光纤激光器,四、(反射镜+光纤圈反射器形式)可调谐输出激光器,光纤圈的功率反射率为：,激光反射率大于95%,泵浦光反射率为5%,通过改变温度来调节光纤圈的反射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。,光纤激光器,五、窄带输出的光纤激光器,通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带输出。,B,是布拉格波长， d是光栅周期，n,e,是有效折射率。,激光线宽0.06 nm,光纤激光器,六、光纤Fox-Smith谐振腔,一般地，14段及13段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：,选择适当的,l,3,、,l,4,以致于在,整个荧光线宽内只有一个,纵模在振荡。则可以,实现,单纵模运转,。,光纤激光器,5.3,掺稀土元素的光纤激光器,以,980 nm,的半导体光源作为泵浦源；,掺,Er,3+,光纤中,Er,3+,的,受激辐射产生,Laser,。,一、掺Er,3+,光纤激光器的示例1、Er,3+,的三能级系统,能级分裂,光纤激光器,由合适长度的掺Er,3+,光纤、980nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。,世界上第一台掺Er,3+,光纤激光器由英国南安谱敦大学的L. Reekie教授于1987年实现。,斜率效率,=输出功率/吸收功率% =3.3%,输入镜,输出镜,吸收功率 mW,光纤激光器,二、掺Nd,3+,光纤激光器的示例,由合适长度的,掺Nd,3+,光纤、800nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔,构成。,世界上第一台掺Nd,3+,光纤激光器由英国南安谱敦大学的R.J. Mears教授于1985年实现。,光纤激光器,4,F,5/2,4,F,3/2,Er,3+,、Nd,3+,的吸收与辐射,光纤激光器,GaAs激光二极管的输出功率 mW,光纤激光器输出功率/mW,泵浦功率与光纤激光器的输出功率,优点：,不需要水冷即可工作；,不容易饱和。,光纤激光器,分类：,根据,泵浦光与超荧光传播方向,的异同，以及,光纤两端是否存在反射,分类。,5.4 超荧光光纤激光器(Superfluorescent Fiber source),单程反向,双程前向,单程前向,双程反向,光纤激光器,原理：,由于泵浦光的激励，,粒子数反转,。如果亚稳态的粒子自发辐射，,产生光子的传输在光纤接收角内，就能够在光纤内传输，,诱发许多亚稳态的粒子受激辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。,如果光纤的增益足够，就称之为放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。,特点：与普通光纤激光器相比，,没有谐振腔,。,SFS的原理、特点,光纤激光器,双程前向及双程后向掺铒光纤激光器,光纤激光器,Fig.2 输出功率与掺铒光纤长度的关系,超过最佳长度将被再吸收,Fig.3 不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系,光纤激光器,光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系,DPF: 因为1535nm处的ASE信号比1550nm处的ASE信号增长快，所以小的反射率也有大的带宽,DPB: 反射率达到50%时，1535nm处的ASE信号饱和，而1550nm处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。,光纤激光器,光纤激光器,光纤激光器,作业作图分析题,讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理。,举例说明,3,种谐振腔的原理和应用范例。,怎样才能得到波长可调谐激光？怎样才能得到窄谱激光？说明理由。,举例说明,2,种光纤激光器构成和产生激光的原理。,光纤激光器,