光纖激光器發(fā)展及其應用課件

第八章

如何使信號源更強?1第八章

如何使信號源更強?1第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器簡介8.2光纖激光器的結構8.3光纖激光器的實驗8.4光纖激光器的應用第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器簡介2光纖激光器的發(fā)展1.20世紀60年代初，美國光學公司的（斯尼澤）Snitzer首次提出光纖激光器的概念。2.70年代初美國、蘇聯(lián)等國的研究機關開展了一般性研究工作。3.1975年至1985年，由于半導體激光器工藝和光纖制造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國的南安普敦大學和通信研究實驗室、西德的漢堡大學、日本的NTT、美國的斯坦福大學和Bell實驗室，相繼開展了光纖激光器的研究工作，成果累累。光纖激光器的發(fā)展1.20世紀60年代初，美國光學公司的（3光纖激光器的發(fā)展

1985年英國南安普敦大學的研究組取得突出成績。他們用MCVD方法制作成功單模光纖激光器,此后他們先后報道了光纖激光器的調Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。英國通信研究實驗室(BTRL)于1987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置,同時在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領域中也做了大量的基礎工作,在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。世界上還有很多研究機構活躍在這個研究領域,如德國漢堡技術大學,日本的NTT、三菱,美國的貝爾實驗室,斯坦福大學等。

20世紀80年代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為光纖激光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化。光纖激光器的發(fā)展1985年英國南安普敦大學的研究組41988年,E.Snitzer等提出了雙包層光纖,從而使一直被認為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。90年代初，包層泵浦技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了4－5個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。

進入21世紀后,高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進,最高輸出功率記錄在短時間內接連被打破,目前單纖輸出功率(連續(xù))已達到2000W以上。1988年,E.Snitzer等提出了雙包層光5光纖激光器的分類按諧振腔結構分類：F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔DBR光纖激光器、DFB光纖激光器按光纖結構分類：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器按增益介質分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光纖激光器、單晶光纖激光器按摻雜元素分類：摻鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）鐿（Yb3+）、鈥（Ho3+）按輸出波長分類：S-波段（1280~1350nm）、C-波段（1528~1565nm）L-波段（1561~1620nm）按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器光纖激光器的分類按諧振腔結構分類：F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路6光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器近幾年受到廣泛關注，這是因為它具有其它激光器所無法比擬的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在:(1)光纖激光器中，光纖既是激光介質又是光的導波介質，因此泵浦光的耦合效率相當?shù)母撸又饫w激光器能方便地延長增益長度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光-光轉換效率超過60%；(2)光纖的幾何形狀具有很大的表面積/體積比，散熱快，它的工作物質的熱負荷相當小，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達140mW/cm；(3)光纖激光器的體積小，結構簡單，工作物質為柔性介質，可設計得相當小巧靈活，使用方便；(4)作為激光介質的摻雜光纖，摻雜稀土離子和承受摻雜的基質具有相當多的可調參數(shù)和選擇性，光纖激光器可在很寬光譜范圍內(455-3500nm)設計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調諧光纖激光器，調諧范圍己達80nm；光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器近幾年受到廣泛關注，這是因為它具有7(5)光纖激光器還容易實現(xiàn)單模,單頻運轉和超短脈沖；(6)光纖激光器增益高，噪聲小，光纖到光纖的耦合技術非常成熟，連接損耗小且增益與偏振無關；(7)光纖激光器的光束質量好，具有較好的單色性、方向性和溫度穩(wěn)定性；(8)光纖激光器所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此，可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。由于光纖激光器具有上述優(yōu)點，它在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示、激光印刷等領域具有廣闊的應用前景。(5)光纖激光器還容易實現(xiàn)單模,單頻運轉和超短脈沖；8通信:在光通信領域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實現(xiàn)單模、單頻和低噪聲，并被應用于光通信和光傳感系統(tǒng)中，特別是可應用于密集波分復用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外調制的摻鉺光纖激光器在1996年就能提供傳輸距離654km，速率為2.5Gb/s的信號，與DBF半導體激光器性能類同，但后者難以實現(xiàn)波長特定。劉頌豪院士認為，光纖光孤子激光器、光纖放大器和光孤子開關是三項使孤子通信走向實用化的主要技術。光孤子通信傳輸距離可達百萬公里，傳輸速率高達20Gb/s，誤碼率低于10-13，實現(xiàn)了無差錯通信。通信:在光通信領域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺9軍事:美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高到千瓦數(shù)量級。定向能量瞄準項目中的激光集成技術分項目的研究人員正與加州SanJose市的SDL公司合作，開發(fā)高亮度、光照面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前看好的化學激光器。工業(yè)加工:激光波長在1080nm附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統(tǒng)的YAG激光器相媲美。在打標領域，由于光纖激光器具有高的光束質量和定位精度，使其不僅在微米量級對半導體及包裝打標效率極高，而且也常被用于塑料和金屬打標中。激光印刷:雙包層光纖激光器，因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉換效率而大量進入印刷市場，印刷廠利用它可進行校樣的制模。醫(yī)療:功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術提供較大的高能輻射源。軍事:美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率10光纖激光器原理激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理條件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實現(xiàn)的，也可以叫作構成激光器的三要素。1.產(chǎn)生粒子數(shù)反轉在通常的情況下，任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠大于高能態(tài)電子數(shù)，當外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電了又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時進行的。所以，為了獲得粒子反轉，就需要極大的激發(fā)強度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很大的激發(fā)功率也可能損壞材料。光纖激光器原理激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)112．諧振腔激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔結構，它是由兩個反射率很高的相互個行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)半的受激光發(fā)射就是在共振腔個形成的。如果共振腔內的激光材料已達到粒子數(shù)反轉條件，那么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場越來越強。

LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出2．諧振腔激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔122．諧振腔雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下來，其余的自發(fā)躍遷受到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔共振頻率的限制，只有滿足共振條件的那些光被加強、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內形成一個具有特定頻率的足夠強的激發(fā)光場。共振腔還有另一個作用：在共振腔內形成的受激光一部分通過共振腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回來，在共振腔內繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔內的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉條件，就可以獲得連續(xù)的受激光發(fā)射。2．諧振腔雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)133．功率源為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中激光材料的增益達到閾值增益，也就是說要使粒子數(shù)反轉達到一·定的程度，稱為閾值反轉密度。因此激光器的第三個要素就是要有一個功率源，它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉密度。在半導體激光器中這一功率源是以電能形式提供激發(fā)功率的。3．功率源為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共14光纖激光器基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質，使光子得到反饋并在增益介質中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成。激光輸出未轉換的泵浦光線稀土摻雜光纖泵浦光光纖激光器基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的15稀土類摻雜光纖激光器稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+。摻鉺(Er3+)光纖在1.55m波長具有很高的增益，正對應低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應用價值，摻鉺(Er3+)光纖激光器發(fā)展十分迅速。摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相當寬的吸收帶(800—1064nm)以及相當寬的激發(fā)帶(970—1200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。摻銩(Tm3+)光纖激光器的激射波長為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。T．Komukai等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率59％的1.47m摻Tm3+光纖激光器。稀土類摻雜光纖激光器稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位16稀土類摻雜光纖激光器對于通訊應用，目前認為摻Er光纖激光器最適宜，因為它能工作在石英光纖最低損耗波長1.51m處，調諧范圍50nm，可供多路光頻復用。它的泵浦波長可在0.807m、0.980m和1．490m，但目前最易得到的是0.980m的激光二極管，它能提供連續(xù)編出幾百mw，Q開關的15ns脈沖功率100w。理論上有可能獲得1kw。Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54m發(fā)射譜線，與Nd激光器一樣，用0.514m的激光泵浦，便可產(chǎn)生振蕩，其熒光光譜有1.534和1.549m峰，壽命8—12ms。Er激光為三能級激光，因此用塊狀材料實現(xiàn)連續(xù)振蕩比較困難，但用纖維激光器，可實現(xiàn)空運連續(xù)振蕩，閾值30mw左右。插入衍射光柵，也可在1.53—1.55m范圍內實現(xiàn)波長可調性。稀土類摻雜光纖激光器對于通訊應用，目前認為摻Er光纖激光器最17稀土類摻雜光纖激光器其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0m附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學研究上有廣闊的應用前景。稀土類摻雜光纖激光器其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的18激光是由Er3＋能級的4I13/2至4I15/2的躍遷產(chǎn)生，屬三能級系統(tǒng)。器件效率較低，同時存在激光態(tài)吸收的問題，研究工作圍繞如何提高器件的效率展開。

Er3＋光纖光柵激光器的缺點是對泵浦光的吸收效率和斜率效率低、頻率不太穩(wěn)定（跳?，F(xiàn)象）。為解決這些問題，采用Er3＋－Yb3＋共摻的光纖作為增益介質。Yb3＋離子起著吸收泵光（980nm），然后迅速轉移給Er3＋離子，以實現(xiàn)1.5m區(qū)的放大器，對泵光的吸收能力可提高2個數(shù)量級。8.2光纖激光器的結構

——

摻Er光纖激光器激光是由Er3＋能級的4I13/2至4I1192F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋其原理如圖所示：8.2光纖激光器的結構

——

摻Er光纖激光器2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb20摻Yb3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長的抽運源，在970～1200nm波段獲得激光，并可進行寬帶調諧；同時，這種光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅、多聲子躍遷等消激發(fā)過程，能夠獲得很高的能量轉化效率。由于以上優(yōu)點及其廣闊的應用前景，摻Yb3+光纖激光器受到越來越多研究者的關注。8.2光纖激光器的結構

——摻Yb3＋光纖激光器摻Yb3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以21第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器的工作原理8.2光纖激光器的結構8.3光纖激光器的實驗第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器的工作原理228.2光纖激光器的結構泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余泵光

F-P線形腔摻鉺光纖激光器8.2光纖激光器的結構泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余23光在腔內傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)光在腔內傳輸來回一次后的光強為：增益系數(shù)平均損24縱模和橫?！?/p>

在腔內，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波，稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。

與軸線垂直的橫截面內光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內沿圓周方向方位角從0到2光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。

LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。縱模和橫?！?5二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復。其中儲存了能量。摻雜光纖耦合器：4端出射光比1端入射光停滯后/2。二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器摻雜光纖耦合器：4端出射262、光纖圈反射器

普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下單模運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位

/2。光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0：

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的的順時針光場相位差為0，與從1432的逆時針光場的相位差為π。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為0。光從1返回。SMF2、光纖圈反射器SMF273、光纖圈諧振腔光纖圈為非諧振的干涉儀結構。注意分束器的取向。其中沒有能量儲存。透射反射反射透射光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。3、光纖圈諧振腔透射反射反射透射光波既可以通過284、全光纖激光器兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器。激光器要實現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長為：L1L2L摻雜光纖4、全光纖激光器L1L2L摻雜光纖29泵浦環(huán)形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF泵浦環(huán)形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF30光纖激光器發(fā)展及其應用課件31WDMOutputcoupler泵浦PCcontrollerEDFIsolatorOutput環(huán)形腔摻鉺激光器8.2光纖激光器的結構WDMOutputcoupler泵浦PCcontroll32三、可調諧光纖激光器

光纖激光器有較寬的波長調節(jié)范圍，比染料激光器的化學性質更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應用價值顯著。1，反射鏡+光柵形式可調諧輸出諧振腔使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：只要轉動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在附近變化，就能實現(xiàn)調節(jié)波長。三、可調諧光纖激光器只要轉動衍射光柵，使光束相33可調諧激光器

采用這種結構，利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦光，分別激勵摻鉺光纖及摻釹光纖,可調諧的波長范圍分別為25nm和80nm。由于分束器與光學元器件帶來了腔內損耗，導致閾值功率提高。14nm11nm可調諧激光器14nm11nm34五、窄帶輸出的光纖激光器

通過光纖光柵的選模作用：達到窄帶輸出。B是布拉格波長，d是光柵周期，ne是有效折射率。激光線寬0.06nm五、窄帶輸出的光纖激光器激光線寬0.06nm35六、光纖Fox-Smith諧振腔

一般地，1——4段及1——3段的諧振頻率不同。復合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當?shù)膌3、l4以致于在整個熒光線寬內只有一個縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)單縱模運轉。六、光纖Fox-Smith諧振腔36復合腔結構復合腔結構37

一、Littrow結構外腔調諧激光器的實驗研究

調諧范圍：1040nm~1107.6nm，功率：34mW8.2光纖激光器的結構

——可調諧摻Yb光纖激光器一、Littrow結構外腔調諧38輸出功率隨激光波長的變化關系8.2光纖激光器的結構

——可調諧摻Yb光纖激光器輸出功率隨激光波長的變化關系8.2光纖激光器的結構

——39重要參數(shù)斜率效率：

輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量

也就是輸出激光功率隨泵浦功率變化曲線線性部分的斜率，一般用百分數(shù)表示重要參數(shù)斜率效率：

輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量40單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關注，得到了長足發(fā)展。但是，由于泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內，光－光轉換效率較低；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作和開發(fā)應用大都集中在光通信和光傳感領域。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關41

80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了開創(chuàng)性的工作，發(fā)展了一種包層泵浦技術，大大促進了高功率光纖激光器的發(fā)展。在特種光纖生產(chǎn)技術和半導體激光器制造工藝高速發(fā)展的基礎上，包層泵浦技術發(fā)展迅猛，激光器的能量轉換效率高達70%以上、連續(xù)輸出功率高達幾十瓦、乃至幾百瓦。同時，利用纖芯內的超高功率密度所產(chǎn)生的諸如受激布里淵散射、受激喇曼散射和頻率上轉換等非線性效應，大大拓寬了光纖激光器的輸出頻率范圍，并使超短脈沖技術、喇曼光纖激光器和放大器技術的發(fā)展上了一個新的臺階。預計此類大功率、寬波段、高模式質量、結構緊湊、運轉可靠、高性能價格比的雙包層光纖激光器將在光通信（特別是高速長距離和孤子通信）、遙感、航天航空、生命科學、機械精密加工等領域獲得廣泛應用。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了42雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點（1）高功率激光輸出，多個多模半導體激光二極管并行泵浦，可設計出極高功率輸出的光纖激光器；（2）由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時一般無需復雜的冷卻裝置；（3）由于光纖摻稀土元素離子，有一個寬而平坦的吸收光譜區(qū)，因此有很寬的泵浦波長范圍。（4）多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運轉壽命超過l00萬小時)決定了這種激光器具有高可靠‘性；（5）具有極高的光束質量，這是其他高功率激光器無法相比的；（6）電光轉換效率高，插頭效率高達20％以上；（7）結構緊湊、牢固、不需精密的光學平臺，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點（1）高功率激光輸出，多個多模半43雙包層摻雜光纖的結構內包層光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器雙包層摻雜光纖的結構內包層光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光844一、雙包層摻雜光纖的結構光纖芯：由摻稀土元素的SiO2構成，它作為激光振蕩的通道，對相關波長為單模；內包層：內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包層小的軟塑材料構成；保護層：最外層由硬塑材料包圍，構成光纖的保護層。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器一、雙包層摻雜光纖的結構8.2光纖激光器的結構

——雙包45雙包層光纖結構雙包層光纖結構46二、雙包層光纖內包層的作用：

1.包繞纖芯，將激光輻射限制在光纖芯內；

2.多模導管作為泵光的傳輸通道，把多模泵光轉換為單模激光輸出。泵光的能量不能直接耦合到光纖芯內，而是將泵光耦合到內包層，光在內包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結構的光纖不要求泵光是單模激光，而且可對光纖的全長度泵浦，因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源，將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內，大大提高了泵浦效率。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器二、雙包層光纖內包層的作用：8.2光纖激光器的結構

—47雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術1.端面泵浦耦合技術雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術1.端面泵浦耦合技術48雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術1.端面泵浦耦合技術雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術1.端面泵浦耦合技術49雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術2.側面泵浦耦合技術雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術2.側面泵浦耦合技術50光纖激光器發(fā)展及其應用課件51光纖激光器發(fā)展及其應用課件52三、雙包層光纖的研究進展俄羅斯普物所研制的內包層為方形的摻Yb雙包層光纖。美國寶麗來公司研制的內包層為矩形的摻Yb雙包層光纖。美國朗訊公司研制的內包層為星形的摻Yb雙包層光纖。德國研制的內包層為D形的摻Yb和Nd雙包層光纖，中國武漢郵電科學研究院研制了摻Yb雙包層光纖。中國天津46所和南開大學合作研制成功摻Yb雙包層光纖。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器三、雙包層光纖的研究進展8.2光纖激光器的結構

——雙包53圓形內包層的摻Yb3+雙包層光纖。內包層直徑：125μm,數(shù)值孔徑（NA)：0.38；芯徑：5.5μm，NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)：64dB/km；矩形內包層的摻Yb雙包層光纖。內包層尺寸：100μm×70μm；NA：0.38；芯徑：5.5μm；NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)為73dB/km。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器圓形內包層的摻Yb3+雙包層光纖。內包層直徑54雙包層光纖激光器結構雙包層光纖激光器結構55光纖非線性效應激光器：光纖非線性效應激光器：56在雙包層光纖和高功率多模LD的制造工藝的日趨完善的基礎上，高功率光纖激光器發(fā)展極為迅速。美國寶麗來公司的M.Muendel等人在‘97CLEO會議上報道，用916nm、54.4W的激光二極管條泵浦內包層為矩形的雙包層光纖，在1100nm波長上獲得35.5W的激光輸出。美國朗訊公司的D.Inniss等在‘97CLEO會議上，采用一個915nm波長、1cm寬的高功率半導體激光二極管條作泵源，使系統(tǒng)的輸出功率在1065nm波長處為16.4W，在1101nm波長處為20.4W。8.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器在雙包層光纖和高功率多模LD的制造工藝的日趨57

美國朗訊公司S.Kosinki和D.Inniss在‘98CLEO會議上報導，用一種內包層為星形的雙包層單模Yb3+光纖激光器得到20W的激光輸出加州圣何塞光譜二極管實驗室工程師V.Dominic等人在‘99年CLEO會議上報道在一個摻Yb3+的雙包層光纖激光器上，實現(xiàn)了連續(xù)輸出功率大于110W的單模輸出。其光——光轉換效率為58.3%。實驗裝置如圖所示：8.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器美國朗訊公司S.Kosinki和D.Inni58美國IPG公司的摻Yb雙包層高功率激光器的輸出功率水平超過700瓦，幾十瓦幾百瓦的雙包層光纖激光器的商品也已問世。8.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器美國IPG公司的摻Yb雙包層高功率激光器的輸出功率水平超過759國內上海光機所用大于10瓦的915nmLD泵浦內包層為矩形的摻Yb雙包層光纖獲得1060nm、4.9瓦的激光輸出。光-光轉換效率為43.6%。南開大學對高功率光纖激光器進行了研究。8.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器光纖：選用了內包層形狀為D形的摻Yb3+雙包層光纖，幾何尺寸為400μm×340μm，數(shù)值孔徑0.38。摻雜濃度0.65mol%（Yb2O3）。光纖長度20米。國內上海光機所用大于10瓦的915nmLD泵浦內包層為矩形60瓦級全光纖摻Yb雙包層光纖激光器高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)的體器件構成諧振腔，未能實現(xiàn)全光纖化，這不僅極大地限制了光纖激光器的結構緊湊性和工作可靠性，也增加了抽運光的耦合難度，同時不利于光纖激光器與后續(xù)光纖光學系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上述問題，采用光纖Bragg光柵（FBG）作為腔鏡的全光纖高功率激光器。8.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器瓦級全光纖摻Yb雙包層光纖激光器8.2光纖激光61光纖：摻Yb雙包層光纖的內包層形狀為正方形，截面尺寸為125μm×125μm，數(shù)值孔徑約為0.38。單模纖芯的模場半徑為7μm，數(shù)值孔徑為0.11。纖芯中摻雜有較高濃度的Yb離子，對976nm抽運光的吸收損耗約為1.7dB/m。光纖長度為20m。諧振腔：一對中心反射波長為1060nm的FBG作為選頻反饋腔鏡，構成駐波腔，相應的峰值反射率分別為99%和5%。圖3-58.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器光纖：摻Yb雙包層光纖的內包層形狀為正方形，截面尺寸為62泵浦源：為一臺帶有輸出尾纖的LD模塊，中心波長為976nm。在LD模塊與光纖激光器注入端之間專門設計了一個taper型光纖耦合器，以提高抽運光的注入效率。性能指標：閾值功率：300mW輸出功率：1.18W

光光轉換效率：53.1%斜率效率：68％中心波長：1060nm光譜半寬：<0.1nm8.2光纖激光器的結構

——高功率摻Yb光纖激光器泵浦源：為一臺帶有輸出尾纖的LD模塊，中心波63包層泵浦可調諧Yb光纖激光器窄線寬、可調諧、高功率摻Yb3+雙包層光纖激光器有著廣闊的應用前景，研究工作進展很快。英國南安普敦大學采用空氣包層Yb3+雙包層光纖，在Littrow結構中得到的調諧范圍1010nm~1120nm;

法國的AmmarHideur等人在全光纖環(huán)行腔摻Yb3+雙包層光纖激光器得到的調諧范圍1040nm~1100nm，輸出功率大于800mW;8.2光纖激光器的結構

——可調諧摻Yb光纖激光器包層泵浦可調諧Yb光纖激光器8.2光纖激光器的結構

—64●德國M.Auerbach等人采用Littman-Littrow外腔結構(雙光柵結構)，在1040nm~1100nm范圍內獲得了調諧輸出，輸出功率大于200mW；●上海光機所陳柏等人則通過調節(jié)光纖后端面與后腔鏡之間的距離以及后腔鏡角度的方法，獲得了50nm的調諧輸出；

●南開大學采用國產(chǎn)圓形內包層摻Yb3+雙包層光纖為增益光纖分別用Littrow、Littman和雙光柵三種外腔結構實現(xiàn)了寬帶調諧輸出。8.2光纖激光器的結構

——可調諧摻Yb光纖激光器●德國M.Auerbach等人采用Littma65（一）調Q光纖激光器基本結構及特點聲光調QA.非光纖型Q開關電光調Q

機械轉鏡調Q

可飽和吸收體調Q

光纖馬赫-曾特爾干涉儀B.光纖型Q開關光纖邁克爾遜干涉儀基于光纖中的SBS調Q8.2光纖激光器的結構

——調Q光纖激光器（一）調Q光纖激光器基本結構及特點8.2光纖激光器的結構調Q光纖激光器這是通過改變激光共振腔Q值，提高激光器輸出功率和壓縮激光脈沖寬度的技術。

共振腔的Q值（也稱腔的品質因子）是描述激光器共振腔損耗大小的量。光學損耗低的腔，其Q值高。

Q值定義：Q＝２πν腔內存儲的能量／每秒損失的能量

當泵浦源向激光器工作物質輸入的能量（功率）達到振蕩閾值時，激光器便產(chǎn)生激光振蕩。如果泵浦源繼續(xù)泵浦，維持激光器在閾值以上，它就連續(xù)輸出激光。激光振蕩閾值與共振腔的光學損耗（Ｑ值）有關。如果激光器的工作物質在受泵浦的期間，讓共振腔的Ｑ值保持很低，則激光器因振蕩閾值很高而不能發(fā)生激光振蕩，大量的泵浦能量繼續(xù)存在工作物質內。當工作物質已“吸飽”能量時，突然升高Ｑ值，相應地，激光振蕩閾值也突然降低，在閾值之上那部分儲存能量便在短時間內發(fā)射出來，形成功率很高的激光脈沖。用這個方法得到的能量雖然比自由振蕩時得到的激光能量低一個數(shù)量級，但是，自由振蕩激光器輸出的脈沖寬度是毫秒級，而采用Ｑ開關后得到的激光脈沖寬度是幾十納秒量級。使激光器輸出功率增加104倍達到105~106KW。

調Q光纖激光器這是通過改變激光共振腔Q值，提高激光器輸出功率67A.非光纖型：聲光（AOM）調Q特點：開關時間較快，消光比大，脈沖寬度一般十幾到幾十ns，但插入損耗大，穩(wěn)定性較差。8.2光纖激光器的結構

——調Q光纖激光器A.非光纖型：聲光（AOM）調Q特點：開關時間較快，消光A.非光纖型：電光（EOM）調Q特點：開關時間快（幾ns），消光比大（>95％），但插入損耗大，穩(wěn)定性較差，需要幾千伏的高壓，產(chǎn)生的電子干擾大。8.2光纖激光器的結構

——調Q光纖激光器A.非光纖型：電光（EOM）調Q特點：開關時間快（幾ns），A.非光纖型：可飽和吸收體被動調Q特點：在1.53mm得到0.1mJ能量，開關速度慢，插入損耗大8.2光纖激光器的結構

——調Q光纖激光器A.非光纖型：可飽和吸收體被動調Q特點：在1.53mm得到0B.光纖型Q開關：光纖邁克爾遜干涉儀調Q特點：開關速度較慢，能產(chǎn)生ms量級脈沖，要求兩臂光纖光柵完全相同，這樣的兩個光纖光柵比較難制作，消光比不高8.2光纖激光器的結構

——調Q光纖激光器B.光纖型Q開關：光纖邁克爾遜干涉儀調Q特點：開關速度較慢B.光纖型Q開關：光纖馬赫－曾特干涉儀調Q特點：全光纖型主動調Q，可產(chǎn)生ms脈沖，低插入損耗，但開關時間較慢8.2光纖激光器的結構

——調Q光纖激光器B.光纖型Q開關：光纖馬赫－曾特干涉儀調Q特點：全光纖型主動鎖模光纖激光器可作為高速通信系統(tǒng)的光源，有著光明的前途。高速光纖通信要求超短脈沖光源的脈寬為ps，重復頻率1GHz－100GHz，同時輸出波長可調諧，因此研究工作集中在：高重復速率諧波鎖模技術；多波長和可調諧鎖模光纖激光器；鎖模光纖激光穩(wěn)頻技術；輸出脈沖窄化和超連續(xù)譜光纖激光器。8.2光纖激光器的結構

——

鎖模光纖激光器鎖模光纖激光器可作為高速通信系統(tǒng)的光源，有著73鎖模光纖激光器所謂鎖模就是相位鎖定，光纖激光器同時運轉在位于增益帶寬內的大量縱模上，當各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差恒定為一常數(shù)值時，就實現(xiàn)了鎖模。鎖模光纖激光器所謂鎖模就是相位鎖定，光纖激光器同時運轉在位于74如圖所示，腔長為L的普通光纖激光器在未經(jīng)鎖模時，同時運轉在位于增益帶寬范圍內超過閩值的大量縱模上，各個縱模的等頻率間隔為:如圖所示，腔長為L的普通光纖激光器在未經(jīng)鎖模時，同時運轉在位75光纖激光器發(fā)展及其應用課件76光纖激光器發(fā)展及其應用課件77光纖激光器發(fā)展及其應用課件78光纖激光器發(fā)展及其應用課件79日本NTT采用有理數(shù)諧波鎖模技術，重復頻率達到200GHz，采用色散漸減Er光纖放大器進行絕熱孤子壓縮可使脈寬小于100fs，他們還利用重復頻率6.3GHz、脈寬3.5ps的主動鎖模激光器作泵浦，經(jīng)放大后泵浦3km單模色散位移光纖，獲得了寬200nm，強度平坦的超連續(xù)光譜。

S.Li等人報道色散調諧波長技術使主動鎖模激光的調諧范圍達12.1nm。南開大學在鎖模光纖激光器方面作了諸多的研究工作：8.2光纖激光器的結構

——

鎖模光纖激光器日本NTT采用有理數(shù)諧波鎖模技術，重復頻率達到200GHz，80基于Bragg光纖光柵調諧的鎖模光纖激光器

實驗結果:

波長：1558.4nm,脈寬：50ps

調諧范圍：1553.92nm～1561.27nm8.2光纖激光器的結構

——

鎖模光纖激光器基于Bragg光纖光柵調諧的鎖模光纖激光器實驗結果:8.81基于有理數(shù)諧波的鎖模光纖激光器實驗結果：波長：1556.00nm,脈寬：39.23ps8.2光纖激光器的結構

——

鎖模光纖激光器基于有理數(shù)諧波的鎖模光纖激光器實驗結果：波長：1556.0082基于啁啾光柵色散的鎖模光纖激光器實驗結果：波長：1555.12nm,脈寬：60ps,啁啾度：5.28.2光纖激光器的結構

——

鎖模光纖激光器基于啁啾光柵色散的鎖模光纖激光器實驗結果：波長：183實驗結果：波長：1552.24nm，1559.32nm；脈寬：60.0psRFdriver8.2光纖激光器的結構

——

鎖模光纖激光器雙波長主動鎖模光纖激光器實驗結果：波長：1552.24nm，1559.32nm；848.4光纖激光器的應用

高功率摻鐿光纖激光器（HPFL）與目前激光加工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、光泵YAG（LP-YAG）、半導體泵浦YAG激光器相比，表現(xiàn)出突出的優(yōu)點，特別是電光轉換效率高，光束質量好，泵浦源壽命長，使用方便，環(huán)境適應能力強，空氣冷卻等優(yōu)點，使它在激光應用技術領域中呈現(xiàn)出美好的應用前景。8.4光纖激光器的應用85光纖激光器發(fā)展及其應用課件86激光打標

包括半導體芯片/晶元片/集成電路/電子器件，醫(yī)療器件，手機/計算機鍵盤，儀器面板/按鍵，服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護費用；使用不方便。摻鐿光纖激光器：體積小；低功耗；長壽命；低成本，免維護；光束質量好，工作面處功率密度高；光纖傳輸?shù)焦ぷ髅?，使用方便。激光打標CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護87在線打標在線打標88激光雕刻精密電子元器件激光雕刻精密電子元器件89激光雕刻激光雕刻90高功率材料加工高功率材料加工91醫(yī)療器械精密切割心臟支架的切割及其應用醫(yī)療器械精密切割心臟支架的切割及其應用92光纖激光器發(fā)展及其應用課件93光束定向器

照明、捕獲、識別、瞄準、跟蹤激光發(fā)射點火跟瞄鎖定狀態(tài)大氣參數(shù)數(shù)據(jù)破壞機理數(shù)據(jù)自動化指揮微波雷達反空襲、反導大功率光纖激光器光束定向器照明、捕獲、識別、瞄準、跟蹤激光94第八章

如何使信號源更強?95第八章

如何使信號源更強?1第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器簡介8.2光纖激光器的結構8.3光纖激光器的實驗8.4光纖激光器的應用第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器簡介96光纖激光器的發(fā)展1.20世紀60年代初，美國光學公司的（斯尼澤）Snitzer首次提出光纖激光器的概念。2.70年代初美國、蘇聯(lián)等國的研究機關開展了一般性研究工作。3.1975年至1985年，由于半導體激光器工藝和光纖制造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國的南安普敦大學和通信研究實驗室、西德的漢堡大學、日本的NTT、美國的斯坦福大學和Bell實驗室，相繼開展了光纖激光器的研究工作，成果累累。光纖激光器的發(fā)展1.20世紀60年代初，美國光學公司的（97光纖激光器的發(fā)展

1985年英國南安普敦大學的研究組取得突出成績。他們用MCVD方法制作成功單模光纖激光器,此后他們先后報道了光纖激光器的調Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。英國通信研究實驗室(BTRL)于1987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置,同時在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領域中也做了大量的基礎工作,在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。世界上還有很多研究機構活躍在這個研究領域,如德國漢堡技術大學,日本的NTT、三菱,美國的貝爾實驗室,斯坦福大學等。

20世紀80年代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為光纖激光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化。光纖激光器的發(fā)展1985年英國南安普敦大學的研究組981988年,E.Snitzer等提出了雙包層光纖,從而使一直被認為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。90年代初，包層泵浦技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了4－5個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。

進入21世紀后,高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進,最高輸出功率記錄在短時間內接連被打破,目前單纖輸出功率(連續(xù))已達到2000W以上。1988年,E.Snitzer等提出了雙包層光99光纖激光器的分類按諧振腔結構分類：F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔DBR光纖激光器、DFB光纖激光器按光纖結構分類：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器按增益介質分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光纖激光器、單晶光纖激光器按摻雜元素分類：摻鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）鐿（Yb3+）、鈥（Ho3+）按輸出波長分類：S-波段（1280~1350nm）、C-波段（1528~1565nm）L-波段（1561~1620nm）按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器光纖激光器的分類按諧振腔結構分類：F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路100光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器近幾年受到廣泛關注，這是因為它具有其它激光器所無法比擬的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在:(1)光纖激光器中，光纖既是激光介質又是光的導波介質，因此泵浦光的耦合效率相當?shù)母?，加之光纖激光器能方便地延長增益長度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光-光轉換效率超過60%；(2)光纖的幾何形狀具有很大的表面積/體積比，散熱快，它的工作物質的熱負荷相當小，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達140mW/cm；(3)光纖激光器的體積小，結構簡單，工作物質為柔性介質，可設計得相當小巧靈活，使用方便；(4)作為激光介質的摻雜光纖，摻雜稀土離子和承受摻雜的基質具有相當多的可調參數(shù)和選擇性，光纖激光器可在很寬光譜范圍內(455-3500nm)設計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調諧光纖激光器，調諧范圍己達80nm；光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器近幾年受到廣泛關注，這是因為它具有101(5)光纖激光器還容易實現(xiàn)單模,單頻運轉和超短脈沖；(6)光纖激光器增益高，噪聲小，光纖到光纖的耦合技術非常成熟，連接損耗小且增益與偏振無關；(7)光纖激光器的光束質量好，具有較好的單色性、方向性和溫度穩(wěn)定性；(8)光纖激光器所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此，可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。由于光纖激光器具有上述優(yōu)點，它在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示、激光印刷等領域具有廣闊的應用前景。(5)光纖激光器還容易實現(xiàn)單模,單頻運轉和超短脈沖；102通信:在光通信領域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實現(xiàn)單模、單頻和低噪聲，并被應用于光通信和光傳感系統(tǒng)中，特別是可應用于密集波分復用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外調制的摻鉺光纖激光器在1996年就能提供傳輸距離654km，速率為2.5Gb/s的信號，與DBF半導體激光器性能類同，但后者難以實現(xiàn)波長特定。劉頌豪院士認為，光纖光孤子激光器、光纖放大器和光孤子開關是三項使孤子通信走向實用化的主要技術。光孤子通信傳輸距離可達百萬公里，傳輸速率高達20Gb/s，誤碼率低于10-13，實現(xiàn)了無差錯通信。通信:在光通信領域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺103軍事:美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高到千瓦數(shù)量級。定向能量瞄準項目中的激光集成技術分項目的研究人員正與加州SanJose市的SDL公司合作，開發(fā)高亮度、光照面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前看好的化學激光器。工業(yè)加工:激光波長在1080nm附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統(tǒng)的YAG激光器相媲美。在打標領域，由于光纖激光器具有高的光束質量和定位精度，使其不僅在微米量級對半導體及包裝打標效率極高，而且也常被用于塑料和金屬打標中。激光印刷:雙包層光纖激光器，因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉換效率而大量進入印刷市場，印刷廠利用它可進行校樣的制模。醫(yī)療:功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術提供較大的高能輻射源。軍事:美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率104光纖激光器原理激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理條件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實現(xiàn)的，也可以叫作構成激光器的三要素。1.產(chǎn)生粒子數(shù)反轉在通常的情況下，任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠大于高能態(tài)電子數(shù)，當外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電了又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時進行的。所以，為了獲得粒子反轉，就需要極大的激發(fā)強度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很大的激發(fā)功率也可能損壞材料。光纖激光器原理激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)1052．諧振腔激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔結構，它是由兩個反射率很高的相互個行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)半的受激光發(fā)射就是在共振腔個形成的。如果共振腔內的激光材料已達到粒子數(shù)反轉條件，那么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場越來越強。

LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出2．諧振腔激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔1062．諧振腔雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下來，其余的自發(fā)躍遷受到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔共振頻率的限制，只有滿足共振條件的那些光被加強、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內形成一個具有特定頻率的足夠強的激發(fā)光場。共振腔還有另一個作用：在共振腔內形成的受激光一部分通過共振腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回來，在共振腔內繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔內的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉條件，就可以獲得連續(xù)的受激光發(fā)射。2．諧振腔雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)1073．功率源為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中激光材料的增益達到閾值增益，也就是說要使粒子數(shù)反轉達到一·定的程度，稱為閾值反轉密度。因此激光器的第三個要素就是要有一個功率源，它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉密度。在半導體激光器中這一功率源是以電能形式提供激發(fā)功率的。3．功率源為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共108光纖激光器基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質，使光子得到反饋并在增益介質中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成。激光輸出未轉換的泵浦光線稀土摻雜光纖泵浦光光纖激光器基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的109稀土類摻雜光纖激光器稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+。摻鉺(Er3+)光纖在1.55m波長具有很高的增益，正對應低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應用價值，摻鉺(Er3+)光纖激光器發(fā)展十分迅速。摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相當寬的吸收帶(800—1064nm)以及相當寬的激發(fā)帶(970—1200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。摻銩(Tm3+)光纖激光器的激射波長為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。T．Komukai等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率59％的1.47m摻Tm3+光纖激光器。稀土類摻雜光纖激光器稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位110稀土類摻雜光纖激光器對于通訊應用，目前認為摻Er光纖激光器最適宜，因為它能工作在石英光纖最低損耗波長1.51m處，調諧范圍50nm，可供多路光頻復用。它的泵浦波長可在0.807m、0.980m和1．490m，但目前最易得到的是0.980m的激光二極管，它能提供連續(xù)編出幾百mw，Q開關的15ns脈沖功率100w。理論上有可能獲得1kw。Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54m發(fā)射譜線，與Nd激光器一樣，用0.514m的激光泵浦，便可產(chǎn)生振蕩，其熒光光譜有1.534和1.549m峰，壽命8—12ms。Er激光為三能級激光，因此用塊狀材料實現(xiàn)連續(xù)振蕩比較困難，但用纖維激光器，可實現(xiàn)空運連續(xù)振蕩，閾值30mw左右。插入衍射光柵，也可在1.53—1.55m范圍內實現(xiàn)波長可調性。稀土類摻雜光纖激光器對于通訊應用，目前認為摻Er光纖激光器最111稀土類摻雜光纖激光器其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0m附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學研究上有廣闊的應用前景。稀土類摻雜光纖激光器其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的112激光是由Er3＋能級的4I13/2至4I15/2的躍遷產(chǎn)生，屬三能級系統(tǒng)。器件效率較低，同時存在激光態(tài)吸收的問題，研究工作圍繞如何提高器件的效率展開。

Er3＋光纖光柵激光器的缺點是對泵浦光的吸收效率和斜率效率低、頻率不太穩(wěn)定（跳?，F(xiàn)象）。為解決這些問題，采用Er3＋－Yb3＋共摻的光纖作為增益介質。Yb3＋離子起著吸收泵光（980nm），然后迅速轉移給Er3＋離子，以實現(xiàn)1.5m區(qū)的放大器，對泵光的吸收能力可提高2個數(shù)量級。8.2光纖激光器的結構

——

摻Er光纖激光器激光是由Er3＋能級的4I13/2至4I11132F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋其原理如圖所示：8.2光纖激光器的結構

——

摻Er光纖激光器2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb114摻Yb3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長的抽運源，在970～1200nm波段獲得激光，并可進行寬帶調諧；同時，這種光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅、多聲子躍遷等消激發(fā)過程，能夠獲得很高的能量轉化效率。由于以上優(yōu)點及其廣闊的應用前景，摻Yb3+光纖激光器受到越來越多研究者的關注。8.2光纖激光器的結構

——摻Yb3＋光纖激光器摻Yb3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以115第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器的工作原理8.2光纖激光器的結構8.3光纖激光器的實驗第八章如何使信號源更強?8.1光纖激光器的工作原理1168.2光纖激光器的結構泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余泵光

F-P線形腔摻鉺光纖激光器8.2光纖激光器的結構泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余117光在腔內傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)光在腔內傳輸來回一次后的光強為：增益系數(shù)平均損118縱模和橫?！?/p>

在腔內，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波，稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。

與軸線垂直的橫截面內光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內沿圓周方向方位角從0到2光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。

LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。縱模和橫?！?19二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復。其中儲存了能量。摻雜光纖耦合器：4端出射光比1端入射光停滯后/2。二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器摻雜光纖耦合器：4端出射1202、光纖圈反射器

普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下單模運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位

/2。光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0：

1342

的的順時針光場相位差為0，與從1432的逆時針光場的相位差為π。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為0。光從1返回。SMF2、光纖圈反射器SMF1213、光纖圈諧振腔光纖圈為非諧振的干涉儀結構。注意分束器的取向。其中沒有能量儲存。透射反射反射透射光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。3、光纖圈諧振腔透射反射反射透射光波既可以通過1224、全光纖激光器兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器。激光器要實現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長為：L1L2L摻雜光纖4、全光纖激光器L1L2L摻雜光纖123泵浦環(huán)形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF泵浦環(huán)形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF124光纖激光器發(fā)展及其應用課件125WDMOutputcoupler泵浦PCcontrollerEDFIsolatorOutput環(huán)形腔摻鉺激光器8.2光纖激光器的結構WDMOutputcoupler泵浦PCcontroll126三、可調諧光纖激光器

光纖激光器有較寬的波長調節(jié)范圍，比染料激光器的化學性質更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應用價值顯著。1，反射鏡+光柵形式可調諧輸出諧振腔使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：只要轉動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在附近變化，就能實現(xiàn)調節(jié)波長。三、可調諧光纖激光器只要轉動衍射光柵，使光束相127可調諧激光器

采用這種結構，利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦光，分別激勵摻鉺光纖及摻釹光纖,可調諧的波長范圍分別為25nm和80nm。由于分束器與光學元器件帶來了腔內損耗，導致閾值功率提高。14nm11nm可調諧激光器14nm11nm128五、窄帶輸出的光纖激光器

通過光纖光柵的選模作用：達到窄帶輸出。B是布拉格波長，d是光柵周期，ne是有效折射率。激光線寬0.06nm五、窄帶輸出的光纖激光器激光線寬0.06nm129六、光纖Fox-Smith諧振腔

一般地，1——4段及1——3段的諧振頻率不同。復合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當?shù)膌3、l4以致于在整個熒光線寬內只有一個縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)單縱模運轉。六、光纖Fox-Smith諧振腔130復合腔結構復合腔結構131

一、Littrow結構外腔調諧激光器的實驗研究

調諧范圍：1040nm~1107.6nm，功率：34mW8.2光纖激光器的結構

——可調諧摻Yb光纖激光器一、Littrow結構外腔調諧132輸出功率隨激光波長的變化關系8.2光纖激光器的結構

——可調諧摻Yb光纖激光器輸出功率隨激光波長的變化關系8.2光纖激光器的結構

——133重要參數(shù)斜率效率：

輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量

也就是輸出激光功率隨泵浦功率變化曲線線性部分的斜率，一般用百分數(shù)表示重要參數(shù)斜率效率：

輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量134單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關注，得到了長足發(fā)展。但是，由于泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內，光－光轉換效率較低；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作和開發(fā)應用大都集中在光通信和光傳感領域。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關135

80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了開創(chuàng)性的工作，發(fā)展了一種包層泵浦技術，大大促進了高功率光纖激光器的發(fā)展。在特種光纖生產(chǎn)技術和半導體激光器制造工藝高速發(fā)展的基礎上，包層泵浦技術發(fā)展迅猛，激光器的能量轉換效率高達70%以上、連續(xù)輸出功率高達幾十瓦、乃至幾百瓦。同時，利用纖芯內的超高功率密度所產(chǎn)生的諸如受激布里淵散射、受激喇曼散射和頻率上轉換等非線性效應，大大拓寬了光纖激光器的輸出頻率范圍，并使超短脈沖技術、喇曼光纖激光器和放大器技術的發(fā)展上了一個新的臺階。預計此類大功率、寬波段、高模式質量、結構緊湊、運轉可靠、高性能價格比的雙包層光纖激光器將在光通信（特別是高速長距離和孤子通信）、遙感、航天航空、生命科學、機械精密加工等領域獲得廣泛應用。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了136雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點（1）高功率激光輸出，多個多模半導體激光二極管并行泵浦，可設計出極高功率輸出的光纖激光器；（2）由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時一般無需復雜的冷卻裝置；（3）由于光纖摻稀土元素離子，有一個寬而平坦的吸收光譜區(qū)，因此有很寬的泵浦波長范圍。（4）多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運轉壽命超過l00萬小時)決定了這種激光器具有高可靠‘性；（5）具有極高的光束質量，這是其他高功率激光器無法相比的；（6）電光轉換效率高，插頭效率高達20％以上；（7）結構緊湊、牢固、不需精密的光學平臺，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點（1）高功率激光輸出，多個多模半137雙包層摻雜光纖的結構內包層光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器雙包層摻雜光纖的結構內包層光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光8138一、雙包層摻雜光纖的結構光纖芯：由摻稀土元素的SiO2構成，它作為激光振蕩的通道，對相關波長為單模；內包層：內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包層小的軟塑材料構成；保護層：最外層由硬塑材料包圍，構成光纖的保護層。8.2光纖激光器的結構

——雙包層光纖激光器一、雙包層摻