拉曼光纖激光器的應用與發(fā)展

1、論文拉曼光纖激光器的應用與發(fā)展班級：姓名：學號：目錄一 引言4二 光纖的基礎理論42.1光纖基本概念：42.2 光纖組成結構42.3光纖器件的分類52.4 光纖材料組成及分類以及性能52.5纖傳輸系統(tǒng)的組成及光纖的傳輸過程52.6 光纖傳輸原理及分類62.7光纖的制備方法與工藝流程7三 拉曼光纖激光器簡介83.1 拉曼光纖激光器的概念和組成83.2 拉曼光纖激光器分類103.3拉曼光纖激光器工作原理10五 拉曼光纖激光器的發(fā)展與應用14六 小結15七 參考文獻:16拉曼光纖激光器的應用與發(fā)展 杜春雪 摘要：近年來, 光纖激光器作為目前最為活躍的激光光源器件，它是激光技術的前沿課題。本文討論了光

2、纖激光器的基本概念，組成結構，器件的分類，以及其光纖材料組成及其性能，光纖傳輸系統(tǒng)組成及光纖的傳輸過程。光纖是一種采用玻璃作為波導,以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術。光纖傳輸原理及分類：光纖傳輸原理：光纖使用光脈沖沿光線路傳輸信息，以替代使用電脈沖沿電纜傳輸信息。光纖的制備方法與工藝流程：（1）預制棒和尾管的入庫（2）拋光流程（3） 拉絲過程 本文我將重點講解拉曼光纖激光器的應用與發(fā)展，拉曼光纖激光器是一種新型的激光器件，結構簡潔，輸出光束質量好，波長轉換能力強，常溫下比較穩(wěn)定，是拉曼光纖放大器和摻餌光纖放大器的理想泵浦源和信號源，隨著DWDM系統(tǒng)的廣泛商用，將會得到更加廣泛的研究和重

3、視。簡略了解拉曼光纖激光器的概念，組成及其分類，拉曼光纖激光器工作原理，重點討論拉曼光纖激光器的發(fā)展與應用，以及發(fā)表個人一些觀點。關鍵字：光纖；拉曼激光器；自發(fā)拉曼散射；受激拉曼效應；一 引言近年來，隨著社會信息傳輸量的急劇增加，人們對拉曼光纖放大器的研究越來越重視，因為它可放大摻鉺光纖放大器所不能放大的波段。由于拉曼光纖放大器基于受激拉曼散射效應，一般具有較高的泵浦閾值，需要較大功率的泵浦源。目前較為適用的泵浦方法有兩種¨：采用多個半導體耦合復用和利用級聯(lián)拉曼光纖激光器作為泵浦源。與前者相比，后者具有能量利用率高、結構簡單、成本低等優(yōu)點。以1060nm激光作為泵浦源，級聯(lián)拉曼激光器

4、可以在光通信所需的131 m和155 m甚至任意波長實現(xiàn)激光輸出。因此，級聯(lián)拉曼激光器引起了各國研究者的極大興趣，在最近幾年內取得了很大的進展 。目前國內對拉曼光纖激光器的研究并不多，見諸報端的只有南開大學一家 J。主要是因為實現(xiàn)級聯(lián)輸出所需的光纖布拉格光柵其工作波長比較特殊而難于加工，國內目前還未有相應的光柵產(chǎn)品，文獻5中所用的光柵也是進口的。本文采用國產(chǎn)鍍膜鏡來作為諧振腔鏡，實現(xiàn)了一級拉曼激光輸出，驗證了其可行性。二 光纖的基礎理論2.1光纖基本概念：光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。前香港中文大學校長高錕和George A. Hoc

5、kham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。在日常生活中，由于光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞。2.2 光纖組成結構光纖裸纖一般分為三層： 中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為50或62.5m)，中 間為低折射率硅玻璃包層(直徑一般為125m)，最外是加強用的樹脂涂層。 - 光纖是傳光的纖維波導或光導

6、纖維的簡稱。其典型結構是多層同軸圓柱體自內向外為纖芯、包層和涂覆層。 - 核心部分是纖芯和包層，其中纖芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要傳輸通道,包層的折射率略小于纖芯，使光的傳輸性能相對穩(wěn)定。纖芯粗細、纖芯材料和包層材料的折射率，對光纖的特性起決定性影響。涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護光纖不受水汽的侵蝕相機械的擦傷， 同時又增加光纖的柔韌性,起著延長光纖壽命的作用。2.3光纖器件的分類光纖的種類很多，根據(jù)用途不同，所需要的功能和性能也有所差異。但對于有線電視和通信用的光纖，其設計和制造的原則基本相同，諸如：損耗小；有一定帶寬且色散?。唤泳€容易；易于成統(tǒng)；可靠性高；制造比較簡

7、單；價廉等。光纖的分類主要是從工作波長、折射率分布、傳輸模式、原材料和制造方法上作一歸納的，茲將各種分類舉例如下。（1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85m、1.3m、1.55m）。（2）折射率分布：階躍（SI）型光纖、近階躍型光纖、漸變（GI）型光纖、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。（4）原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復合材料光纖（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。（5）制造方法：預塑有汽相軸向沉積（VAD）、化

8、學汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等。2.4 光纖材料組成及分類以及性能按光纖的組成材料可分為：石英玻璃光纖（主要材料為SiO2）、復合光纖（主要材料為SiO2、Na2O和CaO等氧化物）、硅酸鹽光纖、氟化物光纖、塑包光纖、全塑光纖、液芯光纖、測光光纖、尾光光纖、工業(yè)光纖等。光通信中主要用石英光纖，以后所說的光纖也主要是指石英光纖。 2.5纖傳輸系統(tǒng)的組成及光纖的傳輸過程 光纖是一種采用玻璃作為波導,以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術。 光纖傳輸系統(tǒng)主要由三部分組成：光源(又稱光發(fā)送機)，傳輸介質、檢測器(又稱光接收機)。計算機網(wǎng)絡之間的光纖傳輸中，

9、光源和檢測器的工作一般都是用光纖收發(fā)器完成的，光纖收發(fā)器簡單的來說就是實現(xiàn)雙絞線與光纖連接的設備，其作用是將雙絞線所傳輸?shù)男盘栟D換成能夠通過光纖傳輸?shù)男盘?光信號)。當然也是雙向的，同樣能將光纖傳輸?shù)男盘栟D換能夠在雙絞線中傳輸?shù)男盘枺瑢崿F(xiàn)網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)傳輸。光纖傳輸系統(tǒng)按傳輸信號可分為數(shù)字傳輸系統(tǒng)和模擬傳輸系統(tǒng)。模擬傳輸系統(tǒng)是把光強行模擬調制，將輸入信號變?yōu)閭鬏斝盘柕恼穹?頻率或相位)的連續(xù)變化。數(shù)字傳輸系統(tǒng)是把輸入的信號變換成“1”，“O”脈沖信號，并以其作為傳輸信號，在接受端再還原成原來的信號。光纖傳輸過程：由發(fā)光二極管LED或注入型激光二極管ILD發(fā)出光信號沿光媒體傳播，在另一端則有PIN

10、或APD光電二極管作為檢波器接收信號。對光載波的調制為移幅鍵控法，又稱亮度調制（Intensity Modulation）。典型的做法是在給定的頻率下，以光的出現(xiàn)和消失來表示兩個二進制數(shù)字。發(fā)光二極管LED和注入型激光二極管ILD的信號都可以用這種方法調制，PIN和ILD檢波器直接響應亮度調制。2.6 光纖傳輸原理及分類 光纖傳輸原理：光纖使用光脈沖沿光線路傳輸信息，以替代使用電脈沖沿電纜傳輸信息。在系統(tǒng)的一端是發(fā)射機，是信息到光纖線路的起始點。發(fā)射機接收到的已編碼電子脈沖信息來自于銅線電纜，然后將信息處理并轉換成等效的編碼光脈沖。使用發(fā)光二極管或注入式激光器產(chǎn)生光脈沖，同時采用透鏡，將光脈沖

11、集中到光纖介質，使光脈沖沿線路在光纖介質中傳輸。隨著光纖傳輸信號的不同所需要的設備有所不同?？砂床煌姆绞竭M行分類：按照傳輸模式來劃分：光線只沿光纖的內芯進行傳輸，只傳輸主模我們稱之為單模光纖(SingleMode)。有多個模式在光纖中傳輸，我們稱這種光纖為多模光纖(Multi-Mode)。按照纖芯直徑來劃分：緩變型多模光纖、緩變增強型多模光纖和緩變型單模 光纖按照光纖芯的折射率分布來劃分：階躍型光纖(Step index fiber)，簡稱SIF；梯度型光纖(Graded index fiber)，簡稱GIF；環(huán)形光纖（river fiber)；W 型光纖。2.7光纖的制備方法與工藝流程1）

12、光纖制造方法主要有：管內CVD（化學汽相沉積）法，棒內CVD法，PCVD（等離子體化學汽相沉積）法和VAD（軸向汽相沉積）法。2）工藝流程： 1預制棒和尾管的入庫（貼上編碼，例如預制棒編SD091204001尾管編碼：F100828018）2 拋光流程 將預制棒與尾管分別固定在機器上，盡量使其切面對齊，經(jīng)過高溫持續(xù)加熱1小時，融化焊接，然后磨平焊接口，最后冷卻足夠（2小時以上）取下。3. 拉絲過程（1）裸光纖 光纖外徑波動越小越好，光纖直徑波動可導致光纖產(chǎn)生后散射功率損耗和光纖接續(xù)損耗。（2）光纖涂覆 裸光纖高速進入模具被拉入涂料液中，由于光纖本身是帶有熱量的,因此在模具頂部的涂料粘性就低于涂

13、料罐里的涂料粘度。良好的穩(wěn)定涂覆狀態(tài)應包括以下幾個方面：a在涂覆層中無氣泡或雜質；b良好的涂層同心度；c小的涂層直徑變化。三 拉曼光纖激光器簡介3.1 拉曼光纖激光器的概念和組成拉曼光放大技術為長距離傳輸提供了一種新的獲取功率預算的手段，成為關注焦點。對于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只14XXnm泵浦激光器通過偏振復用獲得拉曼泵源.方法二是采用拉曼光纖激光器(RFL)來產(chǎn)生特定波長的大功率激光，目前該技術已得到相當程度的發(fā)展并形成了商用產(chǎn)品(如美國IPG、法國Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模塊).隨著光纖耦合技術的成熟，利用光纖作為增益介質的拉曼光纖激光器得到了迅速的發(fā)展，通過

14、在光纖兩端寫入具有適當反射率的光纖Bragg光柵，組成諧振腔對光纖內的斯托科斯光進行反饋，形成激光震蕩就會產(chǎn)生相應的激光。 采用光柵對組成諧振腔，同時利用比較長的高非線性光纖作為增益介質，其輸出波長取決于泵浦源波長和增益介質的拉曼頻移，典型的拉曼光纖激光器采用雙包層摻Yb作為泵浦源，長距的拉曼增強光纖作為增益介質，五對光纖光柵組成諧振腔。只要提供足夠高的泵浦購驢，通過逐級的拉曼頻移，最終會得到1455nm的光源輸出，可以使用可協(xié)調反射率的輸出外，也可以構建多波長高頻率拉曼光纖激光器，并應用與C+L波段的拉曼放大器中。3.2 拉曼光纖激光器分類（1）線形腔拉曼光纖激光器 若從線形腔拉曼光纖激光器

15、的輸出波長來劃分，可以分為單波長和多波長拉曼光纖激光器兩大類。不同線形拉曼光纖激光器的結構基本相似，都采用布拉格光柵作為其諧振腔的反射鏡。（2）環(huán)行腔拉曼光纖激光器環(huán)行腔結構在激光技術中具有重要的地位和作用，也是構建拉曼光纖激光器的另一種重要方式。OFC2001中的一篇論文報道了一種雙波長的環(huán)行拉曼光纖激光器(2lRFL)9 3.3拉曼光纖激光器工作原理3.3.1 自發(fā)拉曼散射拉曼散射源于光子和介質分子的非彈性碰撞過程，當入射光子和分子發(fā)生碰撞時，可以是彈性碰撞，也可以是非彈性碰撞，在非彈性碰撞過程中，光子和分子之間有能量交換，光子能夠轉移一部分能量給分子或者從分子中吸收一部分能量，其量子描述

16、為：入射光束的一個光子被一個介質分散射成為另一個不同頻率的光子，同時完成分子振動態(tài)之間的躍遷。3.3.2 受激拉曼散射當入射光是一束能量足夠強的激光時，生成的斯托克斯光的強度逐漸成比例的增長，當明顯的受刺激特性，這種現(xiàn)象就是受激拉曼散射（SRS），他是介質在強光場作用下的一種非線性效應。受激拉曼過程可描述如下：早受激拉曼散射中，入射光子主要是被受激聲子散射，所謂受激聲子是指最初的一個入射光子與熱振動聲子碰撞，產(chǎn)生了一個斯托克斯光子和一個受激光聲子，光聲子再與入射光子碰撞，是一個循環(huán)往復的過程。受激拉曼散射的本質就是入射光和斯托斯克斯光之間的相互耦合引起的能量轉移。3.3.3 光纖中的受激拉曼散

17、射在低損耗光纖中由于高強度的激光場與介質的相互作用限制在非常小的纖心內，使功率密度非常大，作用維持距離長，能量耦合非常充分，盡管受激拉曼散射的閾值比較高，仍然可以在光纖觀察受到及拉曼產(chǎn)生，并且與其介質相比具有相對較低的閾值和更高的增益。拉曼增益系數(shù)表達式應為：依照表達式，可以計算出光纖的拉曼增益系數(shù)：由非線性光學原理可知，拉曼增益系數(shù)圖譜能夠拉曼響應函數(shù)求傅氏變換得到，其中一個廣為使用的近似響應函數(shù)可以表示為：四 拉曼光纖激光器的特點采用標準單模石英光纖作為拉曼增益介質，國產(chǎn)鍍膜鏡作為諧振腔鏡，在1064nm光纖激光器的泵浦作用下，在波長1123nm獲得了一級拉曼激光輸出。本文對光纖拉曼激光器

18、進行理論分析，實現(xiàn)和優(yōu)化設計。主要研究和結果如下：(1)分析并且實現(xiàn)了自制1342nm波長，單模尾纖輸出的半導體泵浦固體激光器，并進行了優(yōu)化，以作為RFL的起始波長使用；(2)對REL的理論模型進行了較全面的理論分析，在數(shù)學模型上，采用四階龍格-塔庫法進行了理論計算。(3)對RFL的各種優(yōu)化方式，包括選擇優(yōu)化的反射率和采用泵浦光反向泵浦，進行了理論的討論和實驗實現(xiàn)。(4)與其它激光器相比,拉曼光纖激光器的光譜性純，調制時產(chǎn)生的畸變較小，而且用于光纖通信中時與光耦合損失?。?）拉曼光纖激光器具有波導式的結構，所以基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，可制作出高精度，低損耗的光纖。（6）具有最佳的模

19、式質量，不隨時間和周圍溫度的變化而質量降低，能夠批量生產(chǎn)，價格上也較為合理。（7）拉曼光纖激光器適合很多領域的應用，如：工業(yè)，醫(yī)學領域，體積小，性能可靠，而且在聚集為小光斑時，傳輸很高的功率密度和亮度。五 拉曼光纖激光器的發(fā)展與應用光纖激光器是在EDFA技術基礎上發(fā)展起來的技術。早在1961年，美國光學公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領域進行了開創(chuàng)性的工作，但由于相關條件的限制，其實驗進展相對緩慢。而80年代英國Southhampton大學的S.B.Poole等用MCVD法制成了低損耗的摻鉺光纖，從而為光纖激光器帶來了新的前景。近期，隨著光纖通信系統(tǒng)的廣泛應用和發(fā)展，超快速光電子學、非

20、線性光學、光傳感等各種領域應用的研究已得到日益重視。其中，以光纖作基質的拉曼光纖激光器，在降低閾值、振蕩波長范圍、波長可調諧性能等方面，已明顯取得進步，是目前光通信領域的新興技術，它可以用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)，使之支持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復用系統(tǒng)和未來相干光通信的基礎。目前拉曼光纖激光器技術是研究的熱點技術之一。 隨著光通信網(wǎng)絡及相關領域技術的飛速發(fā)展，拉曼光纖激光器技術正在不斷向廣度和深度方面推進；技術的進步，特別是以光纖光柵、濾波器、光纖技術等為基礎的新型光纖器件等的陸續(xù)面市，將為拉曼光纖激光器的設計提供新的對策和思路。盡管目前多數(shù)類型的拉曼光纖激光器仍處于實驗室研制階段，但已

21、經(jīng)在實驗室中充分顯示其優(yōu)越性。必將在未來光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領域中發(fā)揮重要作用。在未來幾年中，激光市場產(chǎn)業(yè)整體將以每年近10%的速度增長。隨著半導體激光器產(chǎn)生技術和光纖制造工藝的進步，以光纖作為增益介質的拉曼光纖激光器，在降低閾值，波長可協(xié)調性以及溫度控制方面，以取得明顯進步。作為目前光纖通信領域的新型技術，可以應用于現(xiàn)有的各種光纖通信系統(tǒng)，支持更高的傳輸速度，特別是作為大容量密集波分復用系統(tǒng)穩(wěn)定的泵浦源與信號源，已經(jīng)得到了廣泛的應用與發(fā)展。我相信隨著時代的發(fā)展與進步，我們會在拉曼光纖激光器上取得更大的進步，會有更多的領域得到應用。堅信它的前景是客觀的

22、。六 小結 在目前，國外已有較成熟的產(chǎn)品,是拉曼光纖激光器因其具有優(yōu)質的光束質量，高功率和穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)點逐漸成為研究熱點，收到了廣泛關注。隨著半導體激光器產(chǎn)生技術和光纖制造工藝的進步，以光纖作為增益介質的拉曼光纖激光器，在降低閾值，波長可協(xié)調性以及溫度控制方面，以取得明顯進步。作為目前光纖通信領域的新型技術，在Internet和其他新型數(shù)據(jù)業(yè)務不斷對通信容量和系統(tǒng)擴展提出苛刻要求的今天，它可以應用于現(xiàn)有的各種光纖通信系統(tǒng)，支持更高的傳輸速度，特別是作為大容量密集波分復用系統(tǒng)穩(wěn)定的泵浦源與信號源，已經(jīng)得到了廣泛的應用與發(fā)展。 當務之急，一方面著力開展光纖激光器的應用，尋找最適用的應用領域和

23、市場；一方面著手加快國內光纖激光器的研發(fā)，已有研發(fā)基礎的單位應加快與企業(yè)合作，根據(jù)市場需要推出國內首批產(chǎn)品。關于光纖激光器的研發(fā)，應從應用過程中加深對器件的了解和認識，根據(jù)使用反饋，不斷改進和完善器件的結構和性能。在發(fā)展拉曼光纖激光器產(chǎn)品的過程中可能推動高功率半導體二極管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為促進拉曼光纖激光器的進一步發(fā)展，有必要深入研究新型光纖材料和新型的器件結構，以滿足應用不斷提出的新要求。它已經(jīng)引起激光科技人員和企業(yè)工程技術人員的極大關注，展現(xiàn)出了一個美好的應用前景。它有非常廣闊的潛在市場，正在形成一個新型高新技術產(chǎn)業(yè)。 七 參考文獻:【1】 孟憲林，張懷金，祝俐，呂孟凱等，摻釹釩酸釔單晶光譜與激光特性。人工晶體學報，1999年10月【2】 李健，何京良，侯偉，陳毓川，許祖彥等，Nd3+摻雜濃度對大功率全固態(tài)Nd:YV04激光器輸出特性影響的研究。中國激光，2000,27（4）【3】【4】 毛玉紅，陳曉波，張光寅等，ZBLAN-Pr非晶中Pr離子光譜參量的測量和計算。量子電子學，1993,10【5】 J.W.Haus,M.Hayduk,W.Kaechele et al.A mode-locked fiber laster with a chirped grating mirror J.Opt.Comm.2000,174【6】 范琦