光纖激光器簡(jiǎn)介課件

光纖激光器

（FiberLaser）

報(bào)告人：孔德歡

學(xué)號(hào)：2光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器

（FiberLaser）光纖激光器簡(jiǎn)介什么是光纖激光器光纖激光器的發(fā)展及分類(lèi)光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)光纖激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器的簡(jiǎn)介光纖：光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，主要由纖芯、包層和涂敷層構(gòu)成。纖芯由高度透明的介質(zhì)材料制成，是光波的傳輸介質(zhì)；包層是一層折射率稍低于纖芯折射率的介質(zhì)材料，與纖芯構(gòu)成光波導(dǎo)，使大部分的電磁場(chǎng)被束縛在纖芯中傳輸；涂敷層一般由高損耗的柔軟材料制成，保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械的擦傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性。

光纖激光器：指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)。在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器的發(fā)展

激光器問(wèn)世不久，美國(guó)光學(xué)公司（Americanopticalcorporation）的Snitzer和Koester分別于1963年和1964年首先提出光纖激光器和放大器的構(gòu)思。1966年高錕和Hockham

提出了光纖通信的基本概念。1970年后光纖通信經(jīng)歷研究開(kāi)發(fā)階段（1966-1976），實(shí)用化階段（1977-1986）。1986年以后迅速進(jìn)入大規(guī)模光纖通信建設(shè)階段。隨著光通信的迅猛發(fā)展，光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，為光纖激光器和放大器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。英國(guó)的南安普敦大學(xué)和通訊研究實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)漢堡技術(shù)大學(xué)、美國(guó)的PolaroidCorporation、Bell實(shí)驗(yàn)室，日本的NTT、Hoya均在光纖激光器研究中取得許多重要成果。近年來(lái)，美國(guó)IPGPhotonics公司異軍突起，展示S、C、LBands的各種光纖放大器，高功率的EDFA，Raman光纖激光器和雙波長(zhǎng)Raman光纖激光器，并推出各種商用摻Y(jié)b高功率光纖激光器，最大功率達(dá)1萬(wàn)瓦；單模輸出功率高達(dá)1000W,光束質(zhì)量非常好。光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器的分類(lèi)分類(lèi)依據(jù)光纖激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)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光纖激光器光纖結(jié)構(gòu)單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器增益介質(zhì)稀土類(lèi)摻雜光纖激光器、非線(xiàn)性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器、塑料光纖激光器工作機(jī)制上轉(zhuǎn)換光纖激光器、下轉(zhuǎn)換光纖激光器摻雜元素釹（Nd）、鉺（Er）、鐿（Yb）、銩（Tm）、鐠（Pr）鈥（Ho）等15種輸出波長(zhǎng)S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段（1565-1620nm）輸出激光脈沖激光器、連續(xù)激光器光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)

激光產(chǎn)生的條件：形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提供光反饋，滿(mǎn)足激光振蕩的閾值條件。

激光器一般由三部分組成：激光工作物質(zhì)（摻雜光纖）、泵浦源（半導(dǎo)體激光二極管）、光學(xué)諧振腔（線(xiàn)形腔、環(huán)形腔等）。泵浦光摻雜光纖腔鏡腔鏡輸出激光光纖激光器簡(jiǎn)介摻雜離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)1.三能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)鉺離子（Er3+）能級(jí)結(jié)構(gòu)4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無(wú)輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)光纖激光器簡(jiǎn)介2.四能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)釹離子（Nd3+）能級(jí)結(jié)構(gòu)4G7/24F5/24F3/24I15/24I13/24I11/24I9/2800nm泵浦920nm1060nm1350nm激發(fā)態(tài)吸收1330nm無(wú)輻射躍遷下能級(jí)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)吸收是指處于上能級(jí)的粒子吸收泵浦能量向更高能級(jí)躍遷的過(guò)程，是一種能量的無(wú)效損耗，降低泵浦效率。光纖激光器簡(jiǎn)介3.上轉(zhuǎn)換能級(jí)的結(jié)構(gòu)

可見(jiàn)光波段激光的產(chǎn)生源于上轉(zhuǎn)換過(guò)程。頻率上轉(zhuǎn)換是指來(lái)自同一（或不同）泵浦激光器的多個(gè)光子被摻雜離子同時(shí)吸收，該離子躍遷到能極差大于單個(gè)泵浦光子能量的能級(jí)上，使得激光器的工作頻率高于泵浦光頻率的過(guò)程。1060nm泵浦1060nm泵浦480nm1G43F23H43H53F43H61060nm泵浦銩離子（Tm3+）上轉(zhuǎn)換能級(jí)圖光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)1.線(xiàn)形腔泵浦光摻雜光纖M1M2輸出激光A）腔鏡在光纖端面耦合。要求：1）腔鏡緊密地貼近光纖端面

，從而避免散射損耗。2）高精度地調(diào)整光纖或腔鏡的相對(duì)位置，因?yàn)橹灰饫w端面或腔鏡稍有傾斜，損耗就會(huì)迅速增大，給調(diào)整帶來(lái)困難。B）將腔鏡直接鍍?cè)趻伖夂蟮墓饫w端面上。缺陷：面反射鏡要求光纖端面拋光性能好，沒(méi)有細(xì)微缺陷；高功率密度的泵浦光透過(guò)端面腔鏡，會(huì)對(duì)腔鏡的絕緣鍍層損壞，降低激光器的性能。M1全反M2部分反射光纖激光器簡(jiǎn)介為了避免泵浦光對(duì)腔鏡的損壞：1）用波分復(fù)用耦合器直接將泵浦光耦合進(jìn)入腔內(nèi)；2）用光纖Bragg光柵(FBG)代替腔鏡，將FBG直接刻在腔內(nèi)的光纖上或?qū)⒖毯玫腇BG熔結(jié)在腔內(nèi)光纖上。光纖Bragg光柵可取代F-P腔兩端的高反射鏡，構(gòu)成全光纖激光器，同時(shí)消除了腔鏡與光纖的耦合損耗。下圖分別為分布Bragg反射（DBR）和分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)光纖激光器

。

EDFFBGFBG1FBG2DBR光纖激光器DFB光纖激光器光纖激光器簡(jiǎn)介2.環(huán)形腔環(huán)形腔的優(yōu)點(diǎn)在于可以不使用反射鏡構(gòu)成全光纖腔，最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)是將WDM耦合器的兩個(gè)端口連接起來(lái)形成一個(gè)連著摻雜光纖的環(huán)腔，如下圖所示。光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的核心部分是光纖定向耦合器。耦合器的兩個(gè)臂（1,2點(diǎn)）連接在一起，構(gòu)成了光在其中傳輸?shù)难h(huán)行程。耦合器起到了“介質(zhì)鏡”的反饋?zhàn)饔茫⑿纬闪艘画h(huán)形諧振腔。簡(jiǎn)單的光纖環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)光纖激光器簡(jiǎn)介

PCISODopedfiberWDMoutputpump環(huán)形腔光纖激光器結(jié)構(gòu)圖波分復(fù)用（WDM）耦合器的兩端連接在一起形成了環(huán)形腔，環(huán)內(nèi)串接著摻雜光纖；插入了隔離器（ISO:Isolator）以保證激光的單向運(yùn)轉(zhuǎn)。如果摻雜光纖為非保偏的普通光纖，還需要使用偏振控制器（PC：PolarizationController）。光纖激光器簡(jiǎn)介980/1550nmWDMEDFpumplaseroutputISO環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)圖filtercouplerPC波長(zhǎng)選擇器件光纖激光器簡(jiǎn)介3.其它腔型結(jié)構(gòu)

光纖圈反射器（光纖環(huán)形鏡），結(jié)構(gòu)如下圖所示，包含一個(gè)定向耦合器和該耦合器兩輸出端口連接在一起形成的一個(gè)光纖圈。

工作原理：假設(shè)耦合器耦合系數(shù)為0.5，若光波從端口1進(jìn)入耦合器，耦合器將一半光功率耦合到端口3，將另一半耦合到端口4，即有一半輸入光沿光纖圈順時(shí)針?lè)较騻鞑?，另一半沿逆時(shí)針傳播。當(dāng)它們?cè)俅卧谳斎攵讼嘤鰰r(shí)經(jīng)歷了相同的相移，干涉相長(zhǎng)的結(jié)果使其完全反射回腔內(nèi)。實(shí)際中有部分光從2端口輸出。光纖激光器簡(jiǎn)介

光纖圈諧振腔，與環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)類(lèi)似，基于定向耦合器。不同的是進(jìn)入光纖圈的光波可以通過(guò)另一端輸出，還可以再次通過(guò)輸入端輸出，成為向后傳播的光波，這兩種波分別為透射波和反射波。這個(gè)裝置本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一個(gè)干涉儀。兩個(gè)光纖圈串聯(lián)的激光器結(jié)構(gòu)

光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)還有“8”字形腔、Fox-Smith諧振腔及一些輸出可調(diào)諧振腔等。光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器的特點(diǎn)1.光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性。2.成本低。硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并使用相對(duì)廉價(jià)的半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，降低了成本。3.轉(zhuǎn)換效率高。光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，因此泵浦光的耦合效率非常高；纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加上光纖激光器能方便地延長(zhǎng)增益長(zhǎng)度，使泵浦光充分吸收，轉(zhuǎn)換效率較高。4.輸出波長(zhǎng)多，調(diào)諧方便。作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，稀土離子擁有極為豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，能級(jí)躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實(shí)現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級(jí)很多。由于稀土離子能級(jí)寬加上玻璃光纖的熒光譜相當(dāng)寬，插入適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍寬。光纖激光器簡(jiǎn)介5.溫度穩(wěn)定性好?；|(zhì)材料是SiO2，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而且光纖結(jié)構(gòu)具有較高的面積－體積比，所以其散熱效果很好。6.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型化。由于光纖激光器的圓柱形幾何尺寸，容易耦合到系統(tǒng)中，采用光纖光柵、耦合器等光纖元件極大地簡(jiǎn)化了激光器的設(shè)計(jì)和制作，加上光纖極好的柔韌性，可設(shè)計(jì)得小巧靈活。7.諧振腔內(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，腔鏡可直接制作在光纖截面上，或采用光纖耦合器方式構(gòu)成諧振腔，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。8.兼容性好。與常規(guī)傳輸光纖在材料和幾何尺寸上具有自然的通融性和兼容性，因此易于進(jìn)行光纖集成，耦合損耗低，使用方便。9.可在惡劣的環(huán)境條件下工作，如高沖擊、高震動(dòng)、高溫度等。注：缺點(diǎn)有：線(xiàn)寬窄，噪聲高，相對(duì)一般半導(dǎo)體激光器價(jià)格高。光纖激光器簡(jiǎn)介光纖激光器應(yīng)用

光纖激光器有著波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，可容強(qiáng)泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線(xiàn)寬窄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，在通信、傳感、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、激光印制等領(lǐng)域有著廣闊的前景。

在通信方面，光纖激光器提供的1.30μm和1.55μm波段的激光是通信的兩個(gè)低損耗窗口。光纖激光器不僅能產(chǎn)生連續(xù)激光輸出，而且能實(shí)現(xiàn)ps-fs超短光脈沖的產(chǎn)生，在DWDM系統(tǒng)有巨大的潛在應(yīng)用。光纖激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度