認(rèn)識光纖激光器PPT演示課件(PPT 31頁)

1、認(rèn)識光纖激光器1第1頁，共31頁。激光的性質(zhì)方向性 光束發(fā)散角很小。單色性 單一波長。相干性 在不同的空間點(diǎn)上，在不同 的時刻的光波場的某些特性 的相關(guān)性。亮度高 很高的功率密度。激光器的 輸出功率并不一定很高，但 由于光束很細(xì)，脈沖很窄，所 以功率密度非常大。太陽表面 的亮度比蠟燭大30萬倍，比白 熾燈大幾百倍。而普通的激光 器的輸出亮度，比太陽表面的 亮度大10億倍。以上四種特性本質(zhì)上可歸結(jié)為一種特性，即激光具有很高的光子簡并度。美國休斯公司實(shí)驗(yàn)室的梅曼(Maiman)于1960年制作出了第一臺紅寶石固體激光器2第2頁，共31頁。激光的應(yīng)用信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲，光放大，光計(jì)算

2、，光隔離器檢測技術(shù)方面的應(yīng)用：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光幅照，眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)測量科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場測量，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過程軍事方面的應(yīng)用：激光武器，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)技術(shù)3第3頁，共31頁。激光的應(yīng)用4第4頁，共31頁。激光器的工作原理激光器必須具備可以產(chǎn)生受激輻射的物理?xiàng)l件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實(shí)現(xiàn)的，也可以叫作構(gòu)成激光器的三要素。工作物質(zhì) 激光器的核心，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn) 生受激輻射放大。泵浦源 為工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反

3、轉(zhuǎn)提供能量， 維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，工作物質(zhì)不同，泵 浦方式也不同。諧振腔 為激光振蕩的建立提供正反饋，其參數(shù) 影響激光的輸出質(zhì)量。受激輻射示意圖E2E1E0hvE2E1E0hvE2E1E0hvhvhv激光器的原理圖5第5頁，共31頁。光纖激光器簡介激光器按工作物質(zhì)分類可分為：氣體激光器、液體激光器、固體（晶體和玻璃）激光器、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等。 光纖激光器是用光纖作為工作物質(zhì)的激光器，目前研究與使用最廣泛的光纖激光器是用摻雜稀土元素的光纖作為工作物質(zhì)的摻稀土光纖激光器，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)。（1）玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢 。（2）散熱快、損耗低，所以

4、轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低。（3）光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。（4）可獲得寬帶的可調(diào)諧激光輸出。（5）光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗窗口。 光纖激光器因上述優(yōu)勢在通信、工業(yè)加工、軍事、醫(yī)療和光信息處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。6第6頁，共31頁。光纖激光器主要內(nèi)容工作物質(zhì)摻雜光纖，雙包層光纖泵浦源泵浦耦合技術(shù)諧振腔結(jié)構(gòu)線形腔，環(huán)形腔光纖激光器調(diào)Q和鎖模7第7頁，共31頁。工作物質(zhì)摻雜光纖4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能級分裂光纖中Er3+和Nd3+電子能級圖8第8頁，共31頁。摻雜光纖的光譜特性Er3+Nd3+摻釹光纖：使用800

5、nm、900nm、 530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm 、 1350nm波長處得到激光，其中1350nm波長正好對應(yīng)于從亞穩(wěn)態(tài)到更高能級的吸收躍遷，實(shí)現(xiàn)激光輸出比較難。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，其中1536nm波長對應(yīng)低損耗第三通信窗口頻率，因此摻鉺光纖激光器發(fā)展十分迅速。其他的稀土元素?fù)诫s技術(shù)也比較成熟，有鐠（Pr3+）、鐿（Yb3+）、銩（Tm3+）等，此外共摻技術(shù)也得到了發(fā)展。9第9頁，共31頁。雙包層光纖內(nèi)包層光纖芯外包層保護(hù)層激光輸 出泵浦光單包層與雙

6、包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu)光纖芯泵浦光激光輸 出保護(hù)層光纖芯：由摻稀土元素的SiO2構(gòu)成，它作為激光振蕩的通道，對 相關(guān)波長為單模；內(nèi)包層：內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率 比纖芯小的純SiO2構(gòu)成，它是泵光通道，對泵光波長 是多模的；外包層：外包層由折射率比內(nèi)包層小的軟塑材料構(gòu)成；保護(hù)層：最外層由硬塑材料包圍，構(gòu)成光纖的保護(hù)層。10第10頁，共31頁。雙包層光纖和泵浦源光纖激光器的泵浦源多是采用激光二極管（LD）。常規(guī)單包層光纖激光器因需要將泵浦光耦合進(jìn)入直徑低于10um的單模纖芯，耦合效率低，限制了其輸出功率，因而發(fā)展緩慢。雙包層光纖的出現(xiàn)解決了耦合效率低的問題。泵浦光在多模內(nèi)包層中

7、傳輸，可以采用多模LD陣列作為泵浦源。內(nèi)包層的形狀對纖芯吸收泵浦光的比率有很大的影響，圓形內(nèi)包層與纖芯的同心結(jié)構(gòu)減少了螺旋光的吸收比率，因此改變這種通信結(jié)構(gòu)可提高泵浦光吸收率。不同內(nèi)包層對泵浦光吸收效果比較11第11頁，共31頁。泵浦耦合技術(shù) 泵浦耦合技術(shù)是獲得高功率光纖激光器的核心技術(shù)之一，其目的是要把幾十瓦甚至數(shù)百瓦的LD泵浦光功率耦合入直徑只有數(shù)百微米的雙包層光纖內(nèi)包層，以獲得高的泵浦功率。 泵浦耦合技術(shù)大體上可分為端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種。 在端面泵浦方式中，有兩類情況：透鏡組耦合法，直接熔接法。透鏡組端面泵浦耦合端面直接熔接耦合優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：耦合占用了端面，無法同其他光

8、纖級聯(lián)，降低了靈活性；透鏡組與光纖是分立的，穩(wěn)定性低不易集成優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單緊湊、實(shí)現(xiàn)了激光器的全光纖化缺點(diǎn)：尾纖與光纖尺寸不同，熔接對準(zhǔn)困難，附加損耗大兩種方法都只有兩個端面用于泵浦，限制了最大功率。12第12頁，共31頁。泵浦耦合技術(shù)側(cè)面泵浦耦合技術(shù)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；泵浦光在光纖中分布更趨均勻；不占用光纖兩端，方便信號光輸入輸出；只需通過增加LD數(shù)量便可提高輸出功率。1. 熔錐側(cè)面泵浦耦合2. V形槽側(cè)面耦合13第13頁，共31頁。泵浦耦合技術(shù)3. 角度磨拋側(cè)面耦合4. 嵌入反射鏡側(cè)面耦合其他泵浦方式：平面波導(dǎo)盤狀耦合14第14頁，共31頁。各種泵浦耦合方式技術(shù)參數(shù)對比泵浦耦合技術(shù)15第15頁

9、，共31頁。諧振腔泵光摻雜光纖激光輸出剩余泵光線型諧振腔光纖激光器F-P諧振腔泵浦光必須透過腔鏡進(jìn)入光纖，高泵浦功率會損害腔鏡的膜，限制了泵浦功率。此外，腔鏡的輸出譜線寬度與摻雜光纖的增益線寬有差距，有必要進(jìn)行改進(jìn)。利用光纖光柵（FBG1、FBG2）作為反射鏡，置于摻雜光纖的兩端，可以增強(qiáng)模式選擇。光纖光柵可以是熔接到摻雜光纖上，也可以直接寫到摻雜光纖上。DBR光纖激光器16第16頁，共31頁。環(huán)形諧振腔環(huán)形諧振腔光纖激光器線形腔中激光在摻雜光纖中振蕩形成駐波，駐波的存在會產(chǎn)生燒孔效應(yīng)，導(dǎo)致多模振蕩，影響激光的相干性。而環(huán)形腔中激光運(yùn)行在行波狀態(tài)，不會產(chǎn)生燒孔效應(yīng)。此外，環(huán)形腔具有封閉式波導(dǎo)結(jié)

10、構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，具有很高的使用價(jià)值。摻雜光纖耦合器耦合器激光輸出隔離器泵浦光17第17頁，共31頁。其他腔型結(jié)構(gòu)光纖圈反射器（光纖環(huán)形鏡）包含一個定向耦合器和由該耦合器兩輸出端口連接在一起形成的一個光纖圈。工作原理：耦合器耦合系數(shù)為0.5，光波從端口1進(jìn)入耦合器，耦合器將一半的功率耦合到端口3，另一半耦合到端口4，即在光纖圈順時針方向和逆時針方向傳播的輸入光各一半?？邕^耦合器的光波比直通的光波相位滯后/2。在端口2處的透射功率是任意相位的順時針場和相位為-的逆時針場的疊加，正好相互抵消，透射輸出為零，所有輸入光沿端口1返回。18第18頁，共31頁。其他腔型結(jié)構(gòu)端口1和3對應(yīng)的臂組成

11、一個諧振腔，端口1和4對應(yīng)的臂組成另一個諧振腔，兩個腔耦合在一起構(gòu)成復(fù)合諧振腔。兩個諧振腔頻率不同，復(fù)合諧振腔必須同時滿足兩個子諧振腔的頻率。復(fù)合諧振腔的頻率間隔為只要適當(dāng)選擇L3和L4的值，使它們的差值足夠小，就可以使復(fù)合腔的縱模間隔足夠大，一直在整個增益譜線內(nèi)只有一個縱模在振蕩，該激光器就可以實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。但該腔對溫度波動和振動都很敏感，因?yàn)閮烧叨紩绊憙蓚€子腔是否同時達(dá)到諧振點(diǎn)。Fox-Smith諧振腔19第19頁，共31頁。調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)也叫Q開關(guān)技術(shù)，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術(shù)。將這種高峰值功率的窄脈沖叫做巨脈沖。激光技術(shù)中，用Q值來描述一個共振腔的品質(zhì)，稱其為共

12、振腔的品質(zhì)因子。共振腔的品質(zhì)因子Q定義為 激光器在毫秒量級的脈沖光泵浦下，激光的輸出時由一些強(qiáng)度不等，寬度為微秒量級的小尖峰組成，這種現(xiàn)象成為馳豫振蕩。隨著泵浦光源的作用，激光器達(dá)到其振蕩閾值產(chǎn)生激光振蕩，腔內(nèi)光子數(shù)密度上升，輸出激光。隨著激光的發(fā)射，上能階粒子數(shù)被大量消耗，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度下降，到低于閾值時，激光發(fā)射停止。增加泵浦能量只能增加尖峰個數(shù)，無法提高脈沖峰值功率。在脈沖形成的過程中，激光器的閾值始終保持不變，是產(chǎn)生弛豫振蕩最根本的原因。20第20頁，共31頁。調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q值隨時間按一定程序變化的技術(shù)。在泵浦開始時使腔處在低Q 值狀態(tài)，即提高振蕩閾值，使振

13、蕩不能生成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累，當(dāng)積累到最大值（飽和值）時，突然使腔的損耗減小，Q值突增，激光振蕩迅速 建立起來，在極短的時間內(nèi)上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，在腔的輸出端以單一脈沖形式將能量釋放出來，于是就獲得峰值功率很高的巨脈沖激光輸出。 現(xiàn)在調(diào)Q技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)峰值功率在兆瓦級(106w)以上，脈寬為納秒級(10-9s)的激光脈沖。Q時間光子數(shù)密度粒子反轉(zhuǎn)數(shù)諧振腔損耗泵浦速率21第21頁，共31頁。調(diào)Q光纖激光器聲光調(diào)Q光纖激光器電光調(diào)Q光纖激光器22第22頁，共31頁。調(diào)Q光纖激光器馬赫-曾特（M-Z）干涉儀光纖調(diào)Q激光器PZT為壓電陶瓷，在PZT上加正弦電壓，

14、PZT產(chǎn)生周期性形變，與其固定在一起的光纖的光程隨之發(fā)生周期性變化，在第二個耦合器出形成干涉，便可以視作腔的損耗周期性變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)Q。23第23頁，共31頁。鎖模技術(shù)超短脈沖（納秒以下的光脈沖ps-fs）技術(shù)是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光電子學(xué)，以及激光光譜學(xué)等學(xué)科對微觀世界進(jìn)行研究和揭示新的超快過程的重要手段。在光纖通信中也需要超短脈沖光源。超短脈沖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖摸(CPM)，以及90年代出現(xiàn)的加成脈沖鎖模(APM)或耦合腔鎖模(CCM)、自鎖模等階段。其中，90年代自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列。一般多縱模

15、自由振蕩激光器的輸出特性（1）各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，是完全獨(dú)立、隨機(jī)的。（2）頻譜由于激光器中存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間的頻率間隔不是嚴(yán)格相等的。因此，各縱模間是不干涉的。（3）輸出光強(qiáng)度由于各縱模間的非干涉迭加，而呈現(xiàn)出隨機(jī)的無規(guī)則起伏，平均光強(qiáng)度為各縱模光強(qiáng)度之和。24第24頁，共31頁。鎖模原理鎖模定義： 各振蕩縱模初相位鎖定，即 常數(shù)；各振蕩縱模頻率間隔相等，并固定為 =c/2nL。將各縱模的初相位鎖定，故鎖模也可以叫做鎖相。三個不同頻率光波的疊加： i=1,2,3，設(shè)三個振動頻率分別為1 、2 、3 的三個光波沿同一方向傳播，鎖模前和鎖模后的對比如下圖。25第25頁

16、，共31頁。a.調(diào)制信號b.腔內(nèi)損耗c.調(diào)制器透過率d.腔內(nèi)未調(diào)制信號e.腔內(nèi)調(diào)制后信號f.鎖模輸出信號一個頻率為c的光波，經(jīng)過外加頻率為（1/2）m的調(diào)制信號調(diào)制后，其頻譜包括了三個頻率，即c ，上邊頻(c + m)，下邊頻(c m) ，而且這三個頻率的光波的相位均相同。主動鎖模26第26頁，共31頁。由調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是與0相鄰的兩個縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個縱模開始振蕩，它們具有確定的振幅和與0相同的相位關(guān)系。而后 ，1和-1通過增益介質(zhì)被放大，并通過調(diào)制器得到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻2= 1+ c/2L和-2= -1- c/2L 及3= 2+ c/2L和-3 = -2-

17、 c/2L等等。此過程繼續(xù)進(jìn)行，直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止，如圖所示。假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為0 ，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場表達(dá)式為當(dāng)該光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個邊頻分量0m 。當(dāng)損耗變化的頻率m和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時， E(t)=E0cos0t27第27頁，共31頁。被動鎖模在激光諧振腔中插入可飽和吸收體來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗當(dāng)滿足鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。可飽和吸收體的吸收特性可飽和吸收體：吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，強(qiáng)信號的透過率高于弱信號的透過率，即高強(qiáng)度的脈沖信號可以使吸收體飽和。圖示出了激光通過可飽和吸收體透過率T隨激光強(qiáng)度 I 的變化情況。強(qiáng)、弱信號大致以染料的飽和光強(qiáng) Is來劃分。大于Is的光信號為強(qiáng)信號，否則為弱信號。使用較多的可飽和吸收體有半導(dǎo)體可