光纤激光器.pptx

本章主要内容：本章主要内容：1 掺杂光纤掺杂光纤2 光纤激光器的谐振腔光纤激光器的谐振腔3 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器4 超荧光光纤激光器超荧光光纤激光器(SFS)1 掺杂光纤掺杂光纤一、掺杂元素一、掺杂元素掺稀土元素掺稀土元素镧系镧系Xe6S2，外层都为为，外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的镧系元素电子结构的差别只在差别只在4f壳层的电子占壳层的电子占有数有数。1、掺杂浓度、掺杂浓度 最佳在最佳在100ppm量级。量级。太低：太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。激发态可能被耗尽。太高：太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，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。玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。2、掺杂光纤的基质、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃）石英玻璃 石石英英玻玻璃璃对对稀稀土土元元素素离离子子的的光光谱谱能能级级的的影影响响：产产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。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）重金属氟化物玻璃优点：优点：通光窗口宽，在通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。范围透过率很高。易于成纤。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。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性1、Er 3+、Nd 3+的电子能级的电子能级4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能级分裂能级分裂4F 5/24F 3/24F 5/22、掺稀土光纤的光谱特性、掺稀土光纤的光谱特性掺钕光纤：掺钕光纤：使用使用800nm、900nm、530nm波波长的泵浦光源，将在长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1350nm波长处得到波长处得到激光。激光。掺铒光纤：掺铒光纤：使用使用800nm、900nm、1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1536nm波长波长处得到激光。处得到激光。掺铒光纤存在最佳光纤长掺铒光纤存在最佳光纤长度（约度（约10m）。）。Er3+Nd3+3、掺杂光纤的激光特性、掺杂光纤的激光特性 掺掺铒铒的的三三能能级级系系统统：基基态态E1、亚亚稳稳态态 E2、高高能能级级E3。从从E3 E1，泵浦几率为，泵浦几率为WP，跃迁几率为，跃迁几率为WP。E3 非非辐辐射射E2，几几率率为为S32；E3 自自发发辐辐射射和和非非自自发发辐射辐射E2、E1，几率为，几率为A32、A31、S31。选择工作物质要求：选择工作物质要求：A32、A31和和S31 S32 以及以及S32 WP(3-1)，N2 N1。一般选择一般选择A21较小的工作物质。较小的工作物质。A32因此有因此有速率方程组速率方程组：dN3/dt=(N1-N3)WP-N2 S32 dN2/dt=N1 W12+N3 S32N2 W21 N2(A21+S21)N1+N2+N3=NtNt是工作介质内的总粒子数密度。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。这三个方程为三能级系统的速率方程组。可可见见，只只要要WP(1-3)足足够够大大，就就能能实实现现粒粒子子数数反反转转，掺掺稀稀土土光光纤纤就就变变成成激激活活介介质质，对对频频率率为为(E2-E1)/h的信号具有放大作用的信号具有放大作用。一、一、FP腔腔1，结构，结构M1:对泵浦光高透；对激光高反对泵浦光高透；对激光高反M2:对激光高反（低增益系统对激光高反（低增益系统95%；高增益系统；高增益系统 75%）2，光传输特性，光传输特性 理论理论波动光学。假设：波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸直；谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。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的谐振腔 光在腔内传输来回一次后的光强为：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：要保证激光在腔内振荡，要求：反反射射光光与与入入射射光光发发生生干干涉涉，为为了了在在腔腔内内形形成成稳稳定定振振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件驻波条件)：增益系数增益系数平均损耗系数纵模和横模纵模和横模 在在腔腔内内，轴轴向向驻驻波波场场为为腔腔的的本本征征模模式式光光场场。特特点点：与与轴轴线线垂垂直直的的横横截截面面光光场场稳稳定定均均匀匀分分布布；轴轴线线方方向形成驻波，向形成驻波，称为纵模。称为纵模。节数为节数为q，为纵模序数。，为纵模序数。与与轴轴线线垂垂直直的的横横截截面面内内光光场场稳稳定定分分布布，称称为为横横模模，用用LPml表表示示，为为线线性性偏偏振振模模。m为为方方位位数数，表表示示垂垂直直光光纤纤的的横横截截面面内内沿沿圆圆周周方方向向方方位位角角 从从0到到2 光光场场的的变变化化数数（节节线线数数）。l为为径径向向模模数数，表表示示纤纤芯芯区区域域光光场的半径方向变化数场的半径方向变化数(节线数节线数)。LP01表表示示基基模模，它它的的角角向向径径向向节节线线数数没没有有变变化化，为圆形光斑。为圆形光斑。二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环行谐振腔、光纤环行谐振腔 泵泵浦浦光光由由1端端进进入入，经经耦耦合合器器进进入入环环行行腔腔。激激励励的的激激光光与与泵泵光光无无关关。产产生生的的激激光光由由4端端到到3端端。经经耦耦合合器器分分为为2束束：一一束束从从2端端输输出出；另另一一束束由由4端端返返回回并并被谐振放大；如此反复。被谐振放大；如此反复。其中储存了能量其中储存了能量。掺杂光纤掺杂光纤耦耦合合器器：4端端出出射射光光比比1端端入入射射光光停停滞滞后后/2。2、光纤圈反射器、光纤圈反射器 普普通通单单模模光光纤纤制制成成的的耦耦合合器器的的重重要要特特性性：只只要要在在工工作作波波长长下下单单模模运运行行，在在两两个个输输出出端端与与输输入入端端之之间间存存在在固固定相位差定相位差，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位，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光纤圈的功率反射率R、透射率、透射率T为：为：从从2端的透射功率总和为端的透射功率总和为0：134 2 的的顺时针光的的顺时针光场相位差为场相位差为0，与从，与从1 4 3 2的逆时针光场的相位差为的逆时针光场的相位差为。两光场因为振幅相同、相位相反两光场因为振幅相同、相位相反而抵消，总和为而抵消，总和为0。光从光从1返回返回。SMF3、光纤、光纤圈圈谐振腔谐振腔 光纤圈为光纤圈为非谐振的干涉仪非谐振的干涉仪结构。注意结构。注意分束器的取分束器的取向向。其中没有能量储存其中没有能量储存。透射透射反射反射反射反射透射透射 光光波波既既可可以以通通过过另另一一端端输输出出；又又可可以以再再从从输输入入端反射。端反射。4 4、全光纤激光器、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通通过一条掺杂光纤熔锥而成的过一条掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器全光纤激光器。激光器要实现振荡，激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。要求光纤圈提供正反馈。由此得到谐振腔的有效腔长为：由此得到谐振腔的有效腔长为：L1L2L掺杂光纤掺杂光纤三、可调谐光纤激光器三、可调谐光纤激光器 光光纤纤激激光光器器有有较较宽宽的的波波长长调调节节范范围围，比比染染料料激激光光器器的的化学性质更稳定，不需低温运行化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。，潜在应用价值显著。1，反射镜，反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔光栅形式可调谐输出谐振腔 使使用用闪闪耀耀光光栅栅，若若对对激激光光中中心心的的闪闪耀耀级级次次为为M级级，闪闪耀耀角为角为，光栅常数为，光栅常数为d，则光栅方程为：，则光栅方程为：只只要要转转动动衍衍射射光光栅栅，使使光光束束相相对对于于光光栅栅法法线线的的入入射射角角在在 附附近近变变化化，就就能实现调节波长能实现调节波长。可调谐激光器可调谐激光器 采采用用这这种种结结构构，利利用用氩氩离离子子激激光光器器的的514nm的的光光作作为为泵泵浦浦光光，分分别别激激励励掺掺铒铒光光纤纤及及掺掺钕钕光光纤纤,可可调调谐谐的的波波长长范范围围分分别别为为25nm和和80nm。由由于于分分束束器器与与光光学学元元器器件件带带来来了了腔腔内内损损耗耗，导导致致阈阈值值功功率率提高。提高。14 nm11 nm四、四、(反射镜反射镜+光纤圈反射器形式光纤圈反射器形式)可调谐输出激光器可调谐输出激光器光纤圈的功率反射率为：光纤圈的功率反射率为：激激光光反反射射率率大于大于95%泵泵 浦浦 光光 反反射率为射率为5%通过改变温度来调节光纤圈的反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。射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。五、窄带输出的光纤激光器五、窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用：通过光纤光栅的选模作用：达到窄带达到窄带输出。输出。B是布拉格波长，是布拉格波长，d是光栅周期，是光栅周期，ne是有效折是有效折射率。射率。激光线宽激光线宽0.06 nm六、光纤六、光纤Fox-Smith谐振腔谐振腔 一般地，一般地，14段及段及13段的谐振频率不同。段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：复合腔的纵模频率间隔为：选择适当的选择适当的l3、l4以致于在以致于在整个荧光线宽内只有一个整个荧光线宽内只有一个纵模在振荡。则可以纵模在振荡。则可以实现实现单纵模运转单纵模运转。5.3 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器1.以以 980 nm的的半半导导体体光光源源作作为泵浦源；为泵浦源；2.掺掺Er 3+光光纤纤中中Er 3+的的受受激激辐辐射射 产产 生生 Laser。一、掺一、掺Er 3+光纤激光器的示例光纤激光器的示例1、Er 3+的三能级系统的三能级系统能级分裂能级分裂 由合适长度的掺由合适长度的掺Er 3+光纤、光纤、980nm大功率半导体大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。激光器泵浦源和谐振腔构成。世界上第一台掺世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦光纤激光器由英国南安谱敦大学的大学的L.Reekie教授于教授于1987年实现。年实现。斜率效率斜率效率=输出功率输出功率/吸收功率吸收功率%=3.3%输入镜输入镜输出镜输出镜吸收功率吸收功率 mW二、掺二、掺NdNd3+3+光纤激光器的示例光纤激光器的示例 由合适长度的由合适长度的掺掺Nd 3+光纤、光纤、800nm大功率半导大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔体激光器泵浦源和谐振腔构成。构成。世界上第一台掺世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱光纤激光器由英国南安谱敦大学的敦大学的R.J.Mears教授于教授于1985年实现。年实现。4F 5/24F 3/2Er 3+、Nd 3+的吸收与辐射的吸收与辐射GaAs激光二极管的输出功率激光二极管的输出功率 mW 光光纤纤激激光光器器输输出出功功率率/mW泵浦功率与光纤激光器的输出功率泵浦功率与光纤激光器的输出功率优点：优点：1.不不需需要要水水冷冷即即可可工工作；作；2.不不容容易易饱饱和。和。分类：分类：根根据据泵泵浦浦光光与与超超荧荧光光传传播播方方向向的的异异同同，以以及及光光纤纤两两端端是是否否存存在在反反射射分类。分类。5.4 超荧光光纤激光器超荧光光纤激光器(Superfluorescent Fiber source)单程反向单程反向双程前向双程前向单程前向单程前向双程反向双程反向原理：原理：由由于于泵泵浦浦光光的的激激励励，粒粒子子数数反反转转。如如果果亚亚稳稳态态的的粒粒子子自自发发辐辐射射，产产生生光光子子的的传传输输在在光光纤纤接接收收角角内内，就就能能够够在在光光纤纤内内传传输输，诱诱发发许许多多亚亚稳稳态态的的粒粒子子受受激激辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。如如果果光光纤纤的的增增益益足足够够，就就称称之之为为放放大大的的自自发发辐辐射（射（Amplified Spontaneous Emitting,ASE）。特点：与普通光纤激光器相比，特点：与普通光纤激光器相比，没有谐振腔没有谐振腔。SFS的原理、特点的原理、特点双程前向及双程后向掺铒光纤激光器双程前向及双程后向掺铒光纤激光器Fig.2 输出功率与掺输出功率与掺铒光纤长度的关系铒光纤长度的关系超过最佳长度超过最佳长度将被再吸收将被再吸收Fig.3 不同长度光纤的不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系泵浦功率与波长的关系光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系DPF:因因为为1535nm处处的的ASE信信号号比比1550nm处处的的ASE信信号号增长快，所以小的反射率也有大的带宽增长快，所以小的反射率也有大的带宽DPB:反反射射率率达达到到50%时时，1535nm处处的的ASE信信号号饱饱和和，而而1550nm处的处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。信号继续增强，所以带宽增加。作业作业作图分析题作图分析题1.讨讨论论掺掺稀稀土土（铒铒、钕钕）光光纤纤受受激激辐辐射射的的基基本本原原理。理。2.举例说明举例说明3种谐振腔的原理和应用范例。种谐振腔的原理和应用范例。3.怎怎样样才才能能得得到到波波长长可可调调谐谐激激光光？怎怎样样才才能能得得到到窄谱激光？说明理由。窄谱激光？说明理由。4.举举例例说说明明2种种光光纤纤激激光光器器构构成成和和产产生生激激光光的的原原理。理。