非線性光學(xué)——摻鉺光纖激光器介紹

1、摻鉺光纖激光器介紹1 光纖簡(jiǎn)介光纖簡(jiǎn)介 主要光纖產(chǎn)品介紹主要光纖產(chǎn)品介紹 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器內(nèi)內(nèi) 容容21. 1. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介31. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介什么是光纖（什么是光纖（optical fiber)optical fiber)？ 光纖是光纖是光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。光纖是以的簡(jiǎn)稱。光纖是以光脈沖光脈沖的的形式來傳輸信號(hào)，材質(zhì)以形式來傳輸信號(hào)，材質(zhì)以玻璃或有機(jī)玻璃玻璃或有機(jī)玻璃為主的為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。 電 信電 信號(hào)號(hào)光光 發(fā)發(fā)送送 機(jī)機(jī)光光 接接受受 機(jī)機(jī)電 信電 信號(hào)號(hào)光纖光纖4光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖由三部分組成：光纖由三部分組成：芯層（芯層（c

2、orecore）包層（包層（claddingcladding）涂覆層（涂覆層（coatingcoating） 內(nèi)層（內(nèi)層（buffer layer） 外層（外層（top layertop layer） 芯層芯層: SiO2+Ge+F : SiO2+Ge+F 包層包層: SiO2+F: SiO2+F內(nèi)涂覆層內(nèi)涂覆層: :丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂 外涂敷層外涂敷層: :丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂1. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介5光纖分類光纖分類光纖信號(hào)處理光纖信號(hào)處理光纖光纖通通 信用信用光纖光纖非非 通信通信用光纖用光纖單模光纖（單模光纖（SM）多模光纖（多模光纖（MM）特種光纖特種光纖光纖傳感光纖傳感光纖測(cè)

3、量光纖測(cè)量其它光學(xué)系統(tǒng)其它光學(xué)系統(tǒng)1. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介61. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介模式（模式（mode）概念）概念 模式是指光的在模式是指光的在光纖中光纖中的的傳輸方式傳輸方式（電磁場(chǎng)分（電磁場(chǎng)分布形式）。布形式）。 光纖中能夠傳導(dǎo)的模式是由光纖中能夠傳導(dǎo)的模式是由光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)所決所決定的。外界激勵(lì)只能激勵(lì)起光纖中定的。外界激勵(lì)只能激勵(lì)起光纖中允許存在的模式允許存在的模式而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。 模式是光模式是光波動(dòng)方程的解波動(dòng)方程的解。它對(duì)應(yīng)于波動(dòng)方程某。它對(duì)應(yīng)于波動(dòng)方程某一本征值并滿足全部邊界條件。每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于一本征值并滿足全部邊界條件

4、。每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于沿光纖軸向傳播的一種電磁波。沿光纖軸向傳播的一種電磁波。7單模與多模光纖單模與多模光纖階躍型多模單模光纖1. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介8光纖幾何尺寸光纖幾何尺寸 芯徑芯徑 單模光纖：?jiǎn)文９饫w： 10um;10um; 多模光纖：多模光纖： 50um/62.5um50um/62.5um包層直徑包層直徑 普通光纖：普通光纖： 125um涂覆層直徑涂覆層直徑 普通光纖普通光纖 內(nèi)層內(nèi)層 170200um 外層外層 245um1. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介125um245um9光纖工作原理光纖工作原理 光纖利用光在光纖利用光在界面上的全反射原界面上的全反射原理進(jìn)行工作。理進(jìn)行工作。1. 光

5、光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介10多模多模芯層芯層包層包層芯層芯層包層包層G.652G.6551. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介11光纖通信特點(diǎn)光纖通信特點(diǎn)1. 光光 纖纖 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 信號(hào)損耗小，中繼距離長(zhǎng)；信號(hào)損耗小，中繼距離長(zhǎng)； 光纖為絕緣體不受電磁干擾；光纖為絕緣體不受電磁干擾； 玻璃光纖不產(chǎn)生電磁場(chǎng)，保密性高；玻璃光纖不產(chǎn)生電磁場(chǎng)，保密性高； 重量輕，易于施工和運(yùn)輸；重量輕，易于施工和運(yùn)輸；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 光纖制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高；光纖制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高； 光纖連接復(fù)雜；光纖連接復(fù)雜； 配套光器件價(jià)格較高配套光器件價(jià)格較高122. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品132. 主要光纖產(chǎn)

6、品主要光纖產(chǎn)品DCF光纖光纖光纖光纖 普普 通通 光光 纖纖 特特 種種 光光 纖纖單模光纖單模光纖多模光纖多模光纖保偏光纖保偏光纖大芯徑光纖大芯徑光纖光子晶體光纖光子晶體光纖產(chǎn)品分類產(chǎn)品分類142. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品普通單模光纖普通單模光纖(G652A/B)特點(diǎn)：特點(diǎn)：q 光纖中只傳導(dǎo)基模光纖中只傳導(dǎo)基模 ；q 芯徑小，傳輸帶寬高；芯徑小，傳輸帶寬高；q 熔接和耦合困難，對(duì)光源要求高；熔接和耦合困難，對(duì)光源要求高；q 制造工藝簡(jiǎn)單。制造工藝簡(jiǎn)單。單模光纖單模光纖LP00CladdingCore152. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品多模光纖多模光纖(GIMM)的折射率分布（的折射率分布（G

7、651)折射率分布公式折射率分布公式n2(r)=n21-2(r/a)gg1 三角形分布；三角形分布；g2 拋物線型分布；拋物線型分布；g 階躍型分布階躍型分布corecladding16多模光纖多模光纖12CladdingCore2. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品漸變型多模光纖（漸變型多模光纖（GIMMGIMM）特點(diǎn)：特點(diǎn)：q 光纖中傳導(dǎo)多個(gè)模式光纖中傳導(dǎo)多個(gè)模式 ；q 芯徑大，模間色散大；芯徑大，模間色散大；q 易于耦合，對(duì)光源要求低；易于耦合，對(duì)光源要求低；q 制造工藝復(fù)雜。制造工藝復(fù)雜。172. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品各種光纖的用途各種光纖的用途單模光纖：?jiǎn)文９饫w：q普通單模：高速率、長(zhǎng)距

8、離傳輸通信主干網(wǎng)。普通單模：高速率、長(zhǎng)距離傳輸通信主干網(wǎng)。多模光纖：多模光纖：q50um50um多模：局域網(wǎng)通信、音多模：局域網(wǎng)通信、音/ /視頻信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。視頻信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。q62.5um62.5um多模：多模：局域網(wǎng)通信（北美地區(qū)使用較多）。局域網(wǎng)通信（北美地區(qū)使用較多）。182. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡(jiǎn)介特種光纖簡(jiǎn)介保偏光纖特點(diǎn)：保偏光纖特點(diǎn)：q 雙折射率高，保雙折射率高，保偏性能好偏性能好 ；q 衰耗低；衰耗低；q 彎曲穩(wěn)定性好；彎曲穩(wěn)定性好；保偏光纖應(yīng)用：保偏光纖應(yīng)用：q 光纖陀螺光纖陀螺 ；q 偏振敏感器件；偏振敏感器件；q 偏振傳感器；偏振傳感器；熊貓型

9、保偏光纖熊貓型保偏光纖192. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡(jiǎn)介特種光纖簡(jiǎn)介DCFDCF光纖特點(diǎn)：光纖特點(diǎn)：q 負(fù)色散值（反色負(fù)色散值（反色散光纖）散光纖） ；q 高色散斜率；高色散斜率；q 芯徑小，相對(duì)折芯徑小，相對(duì)折射率高；射率高；17DispersionWavelength-130SM fiberDCF fiber1550nm1310nm202. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡(jiǎn)介特種光纖簡(jiǎn)介大芯徑光纖特點(diǎn)：大芯徑光纖特點(diǎn)：q 光纖芯徑大（可達(dá)到光纖芯徑大（可達(dá)到190um190um以上），以上），NANA值大值大 ；q 與光源間的光耦合效率高；與光源間的光耦合效率高；q 允許更高

10、的光源密度；允許更高的光源密度；大芯徑光纖應(yīng)用：大芯徑光纖應(yīng)用：q 工業(yè)局域網(wǎng)工業(yè)局域網(wǎng) ；q 光纖傳感；光纖傳感；q 激光能量傳輸；激光能量傳輸；212. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡(jiǎn)介特種光纖簡(jiǎn)介光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCFPCF）：）：223. 3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器23 19161916年，愛因年，愛因斯坦提出了斯坦提出了“受激受激輻射輻射”的概念，奠的概念，奠定了激光的理論基定了激光的理論基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 19581958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。發(fā)展的

11、基礎(chǔ)。 3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器3.1 激光器簡(jiǎn)介激光器簡(jiǎn)介 這兩次發(fā)明開創(chuàng)了傳統(tǒng)的固體激這兩次發(fā)明開創(chuàng)了傳統(tǒng)的固體激器和氣體激光器的時(shí)代，自此，激光器和氣體激光器的時(shí)代，自此，激光走上了高速發(fā)展的道路。此后，半導(dǎo)走上了高速發(fā)展的道路。此后，半導(dǎo)體激光器、染料激光器、自由電子激體激光器、染料激光器、自由電子激光器都在相應(yīng)學(xué)科的支持下出現(xiàn)。特光器都在相應(yīng)學(xué)科的支持下出現(xiàn)。特別是八十年代，隨著光電子學(xué)和半導(dǎo)別是八十年代，隨著光電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器和孤子激體技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器和孤子激光器相繼出現(xiàn)，將激光引入以光電子光器相繼出現(xiàn)，將激光引入以光電子和微電子為主的信息時(shí)代。

12、和微電子為主的信息時(shí)代。 19621962年，年，HeHeNeNe氣體激光器在美氣體激光器在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。 19601960年，美國(guó)人梅曼年，美國(guó)人梅曼(T. H. Maiman)(T. H. Maiman)發(fā)明了世界上發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。第一臺(tái)紅寶石激光器。 Maiman Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示表示“受激輻射的光放大受激輻射的光放大” Laser

13、19641964年年1010月，物理學(xué)家錢學(xué)森建議稱之為月，物理學(xué)家錢學(xué)森建議稱之為-激光激光工作物質(zhì)工作物質(zhì) ：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵(lì)源：激勵(lì)源：使原子被激發(fā)使原子被激發(fā) 諧振腔：諧振腔：光放大作用光放大作用l 方向性好方向性好：激光器發(fā)出的激光發(fā)射角很小，接近于一毫弧度，只有一激光器發(fā)出的激光發(fā)射角很小，接近于一毫弧度，只有一般探照燈發(fā)射角的一百萬分之一。即使將其發(fā)射到幾千米以外，光束的直徑也不般探照燈發(fā)射角的一百萬分之一。即使將其發(fā)射到幾千米以外，光束的直徑也不過增加幾厘米。因此輸出的能量集中在很小的范圍里。過增加幾厘米。因此輸出的能量集中在很小的范圍里。l 單色性好：?jiǎn)紊院?/p>

14、：激光具有很好的單色性，是普通光源完全達(dá)不到的。在激光激光具有很好的單色性，是普通光源完全達(dá)不到的。在激光出現(xiàn)之前，以同位素出現(xiàn)之前，以同位素8686KrKr燈的單色性最好，譜線寬度為燈的單色性最好，譜線寬度為1010-4-4nmnm的量級(jí)，而最普通的量級(jí)，而最普通的氦氖激光器所輸出的紅色激光的氦氖激光器所輸出的紅色激光(632.8(632.8納米納米) )的譜線寬度達(dá)到的譜線寬度達(dá)到1010-8-8nmnm的數(shù)量級(jí)。的數(shù)量級(jí)?，F(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用可以使譜線寬度縮到更小的范圍?，F(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用可以使譜線寬度縮到更小的范圍。l 相干性好：相干性好：就氦氖激光而言，其相干長(zhǎng)度可達(dá)就氦氖激光而言，其相干長(zhǎng)度

15、可達(dá)400km400km。l 能量密度大能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百萬倍。與太陽光比，一支功激光的亮度是普通光源的上百萬倍。與太陽光比，一支功率僅為率僅為1 1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太陽光強(qiáng)毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太陽光強(qiáng)100100倍；而一臺(tái)巨型脈沖固體激光倍；而一臺(tái)巨型脈沖固體激光器的亮度可比太陽亮度高器的亮度可比太陽亮度高100100億倍。億倍。 固體激光器：固體激光器：把金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中把金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中按工作物質(zhì)分類按工作物質(zhì)分類氣體激光器：氣體激光器：原子氣體、分子氣體和離子氣體原子氣體、分子氣體和離子氣體液體激光器：液體激光器：有機(jī)染料溶液

16、和無機(jī)化合物溶液有機(jī)染料溶液和無機(jī)化合物溶液半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料紅寶石紅寶石激光器激光器氦氖激光器氦氖激光器氬離子激光器氬離子激光器染料激光器染料激光器3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器303.2 摻鉺光纖激光器背景介紹背景介紹摻鉺光纖激光器的可行性在1987年被美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室及英國(guó)南安普頓大學(xué)兩家機(jī)構(gòu)所證實(shí)，成功放大了摻鉺單模光纖中的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器向光纖激光器的轉(zhuǎn)化。目前，通信領(lǐng)域中大量使用了摻鉺光纖激光器，因?yàn)樗行⌒洼p量化，高增益，高效率和容易產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)的特點(diǎn)。3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器313.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法鎖模

17、激光器的典型結(jié)構(gòu)鎖模激光器的典型結(jié)構(gòu)3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器323.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法鎖模原理鎖模原理對(duì)自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器而言，在其增益譜線范圍內(nèi)多個(gè)縱?？偸峭瑫r(shí)振蕩。由于各個(gè)振蕩模皆由不同的自發(fā)輻射噪聲光子經(jīng)增益介質(zhì)放大形成，因此各個(gè)模式的振幅和初始相位無確定的關(guān)系，它們之間互不相干。在時(shí)域上，輸出激光表現(xiàn)為隨時(shí)間的無規(guī)則起伏，在這種情況下激光器工作在多縱模 CW 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。然而利用鎖模技術(shù)對(duì)激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，使不同縱模具有確定的相位關(guān)系，可以產(chǎn)生超短脈沖3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器333.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法可飽和吸收體非線性吸收示意圖可飽和吸收體非

18、線性吸收示意圖3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器343.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器353.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法NPR 技術(shù)鎖模示意圖技術(shù)鎖模示意圖3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器36非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)：光通過偏振相關(guān)隔離器后變成線偏振光，PC1將線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，光纖的非線性效應(yīng)作用在兩個(gè)正交偏振分量上，使光的偏振態(tài)發(fā)生變化。由于非線性相移是強(qiáng)度相關(guān)的，通過調(diào)節(jié)PC2，使得光再一次通過偏振相關(guān)隔離器時(shí)，較大的光強(qiáng)度損耗小，較小的光強(qiáng)損耗大，最后實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器373.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法PART ONEPART TWO980 nm LDWDM濾波器濾波器輸出輸出3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器383.4 濾波器的設(shè)計(jì)濾波器的設(shè)計(jì)3. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器39基于錐形保偏光纖的可調(diào)諧光纖濾波