光纤激光器PPT讲稿.ppt

光纤激光器光纤激光器第1页，共86页，编辑于2022年，星期五第八章第八章 如何使信号源更强如何使信号源更强?8.1光纤激光器简介光纤激光器简介8.2光纤激光器的结构光纤激光器的结构8.3光纤激光器的实验光纤激光器的实验第2页，共86页，编辑于2022年，星期五1.20世纪世纪60年代初，美国光学公司的（斯尼泽）年代初，美国光学公司的（斯尼泽）Snitzer首次提出光纤激光器的概念。首次提出光纤激光器的概念。2.70年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。究工作。3.1975年至年至1985年，由于半导体激光器工艺和光纤制造年，由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的南安普工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的NTT、美国的斯坦福大学和、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了光纤实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。激光器的研究工作，成果累累。光纤激光器的发展光纤激光器的发展第3页，共86页，编辑于2022年，星期五 19851985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他们用年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他们用 MCVDMCVD方法制作成功单模光纤激光器方法制作成功单模光纤激光器 ,此后他们先后报道了光纤激光此后他们先后报道了光纤激光器的调器的调Q Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作。英国、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作。英国通信研究实验室通信研究实验室(BTRL)(BTRL)于于 19871987年展示了用各种定向耦合器制年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置作的精巧的光纤激光器装置,同时在增益和激发态吸收等研究领同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作域中也做了大量的基础工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活跃在这个研究领域机构活跃在这个研究领域 ,如德国汉堡技术大学如德国汉堡技术大学 ,日本的日本的 NTTNTT、三菱三菱 ,美国的美国的 贝尔实验室贝尔实验室 ,斯坦福大学等。斯坦福大学等。20 20世纪世纪8080年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。光纤激光器的发展光纤激光器的发展第4页，共86页，编辑于2022年，星期五 1988年年,E.Snitzer等提出了双包层光纤等提出了双包层光纤,从从而使一直被认为只能是小功率器件的光纤而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破。激光器可以向高功率方向突破。90年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功率水平提高了光纤激光器的功率水平提高了45个数量级，个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。进入进入 21世纪后世纪后,高功率双包层光纤激光器的高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进发展突飞猛进,最高输出功率记录在短时间内最高输出功率记录在短时间内接连被打破接连被打破,目前单纤输出功率目前单纤输出功率(连续连续)已达到已达到 2000W 以上。以上。第5页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤激光器的分类光纤激光器的分类 按谐振腔结构分类：按谐振腔结构分类：F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及及“8”字形腔字形腔DBR光纤激光器、光纤激光器、DFB光纤激光器光纤激光器按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器纤激光器、单晶光纤激光器按掺杂元素分类：掺铒（按掺杂元素分类：掺铒（Er3+）、钕（）、钕（Nd3+）、镨（）、镨（Pr3+）、）、铥（铥（Tm3+）镱（）镱（Yb3+）、钬（）、钬（Ho3+）按输出波长分类：按输出波长分类：S-波段（波段（12801350nm）、）、C-波段波段（15281565nm）L-波段（波段（15611620nm）按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器第6页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤激光器的优点光纤激光器的优点光纤激光器近几年受到广泛关注，这是因为它具有其它激光器光纤激光器近几年受到广泛关注，这是因为它具有其它激光器所无法比拟的优点，主要表现在所无法比拟的优点，主要表现在:(1)光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质，因此泵浦光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质，因此泵浦光的耦合效率相当的高，加之光纤激光器能方便地延长增益长度，光的耦合效率相当的高，加之光纤激光器能方便地延长增益长度，以便使泵浦光充分吸收，而使总的光以便使泵浦光充分吸收，而使总的光-光转换效率超过光转换效率超过60%；(2)光纤的几何形状具有很大的表面积光纤的几何形状具有很大的表面积/体积比，散热快，它的工作体积比，散热快，它的工作物质的热负荷相当小，能产生高亮度和高峰值功率，己达物质的热负荷相当小，能产生高亮度和高峰值功率，己达140mW/cm；(3)光纤激光器的体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，光纤激光器的体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，可设计得相当小巧灵活，使用方便；可设计得相当小巧灵活，使用方便；(4)作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当多的可调参数和选择性，光纤激光器可在很基质具有相当多的可调参数和选择性，光纤激光器可在很宽光谱范围内宽光谱范围内(455-3500nm)设计运行，加之玻璃光纤的荧光设计运行，加之玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范围己达，调谐范围己达80nm；第7页，共86页，编辑于2022年，星期五(5)光纤激光器还容易实现单模光纤激光器还容易实现单模,单频运转和超短脉冲；单频运转和超短脉冲；(6)光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非常成熟，连接损耗小且增益与偏振无关；常成熟，连接损耗小且增益与偏振无关；(7)光纤激光器的光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温光纤激光器的光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温度稳定性；度稳定性；(8)光纤激光器所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，光纤激光器所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此，可以制作出高精度，低损耗的光纤，大大降低激光因此，可以制作出高精度，低损耗的光纤，大大降低激光器的成本。器的成本。由于光纤激光器具有上述优点，它在通信、军事、工业加工、医由于光纤激光器具有上述优点，它在通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示、激光印刷等领域具有广阔的应用前疗、光信息处理、全色显示、激光印刷等领域具有广阔的应用前景。景。第8页，共86页，编辑于2022年，星期五通信通信:在光通信领域，采用布喇格光栅作为腔反馈和模在光通信领域，采用布喇格光栅作为腔反馈和模式选择的掺铒光纤激光器比较容易实现单模、单频和式选择的掺铒光纤激光器比较容易实现单模、单频和低噪声，并被应用于光通信和光传感系统中，特别是低噪声，并被应用于光通信和光传感系统中，特别是可应用于密集波分复用可应用于密集波分复用(DWDM)通信和光孤子通信中。通信和光孤子通信中。如外调制的掺铒光纤激光器在如外调制的掺铒光纤激光器在1996年就能提供传输距离年就能提供传输距离654km，速率为，速率为2.5Gb/s的信号，与的信号，与DBF半导体激光器半导体激光器性能类同，但后者难以实现波长特定。刘颂豪院士性能类同，但后者难以实现波长特定。刘颂豪院士认为，光纤光孤子激光器、光纤放大器和光孤子开认为，光纤光孤子激光器、光纤放大器和光孤子开关是三项使孤子通信走向实用化的主要技术。光孤关是三项使孤子通信走向实用化的主要技术。光孤子通信传输距离可达百万公里，传输速率高达子通信传输距离可达百万公里，传输速率高达20Gb/s，误码率低于，误码率低于10-13，实现了无差错通信。，实现了无差错通信。第9页，共86页，编辑于2022年，星期五军事军事:美国空军实验室的科学家们正在努力将光纤激光器的输出功率美国空军实验室的科学家们正在努力将光纤激光器的输出功率提高到千瓦数量级。定向能量瞄准项目中的激光集成技术分项目的提高到千瓦数量级。定向能量瞄准项目中的激光集成技术分项目的研究人员正与加州研究人员正与加州SanJose市的市的SDL公司合作，开发高亮度、光公司合作，开发高亮度、光照面积小的系统。该系统能作为激光防御武器替代目前看好的化照面积小的系统。该系统能作为激光防御武器替代目前看好的化学激光器。学激光器。工业加工工业加工:激光波长在激光波长在1080nm附近的掺镱光纤激光器，其极高附近的掺镱光纤激光器，其极高的效率和功率密度在材料加工方面可与传统的的效率和功率密度在材料加工方面可与传统的YAG激光器相媲激光器相媲美。在打标领域，由于光纤激光器具有高的光束质量和定位精度，美。在打标领域，由于光纤激光器具有高的光束质量和定位精度，使其不仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被使其不仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被用于塑料和金属打标中。激光印刷用于塑料和金属打标中。激光印刷:双包层光纤激光器，因其拥双包层光纤激光器，因其拥有极高的热稳定性和转换效率而大量进入印刷市场，印刷厂利用有极高的热稳定性和转换效率而大量进入印刷市场，印刷厂利用它可进行校样的制模。它可进行校样的制模。医疗医疗:功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了十功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了十分重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源。分重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源。第10页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤激光器原理光纤激光器原理激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的以叫作构成激光器的三要素三要素。1.1.产生粒子数反转产生粒子数反转在通常的情况下，任何材料处于平衡态时部是低能态电子数在通常的情况下，任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电子数，当外来光子将低能态电子激发到高能态后，远大于高能态电子数，当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电子寿命很短，处于高能态电了又很快回到低能态，由于高能态的电子寿命很短，处于高能态电了又很快回到低能态，这种向上和向下的跃迁几乎是同时进行的。所以，为了获得粒子这种向上和向下的跃迁几乎是同时进行的。所以，为了获得粒子反转，就需要极大的激发强度，能够一下子把低能态电子大部分反转，就需要极大的激发强度，能够一下子把低能态电子大部分激发到高能态上去。具有这样大激发强度的光源是很难得到的，激发到高能态上去。具有这样大激发强度的光源是很难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很大的激发功率也可能损坏因而也限制了激光器的使用；同时，很大的激发功率也可能损坏材料。材料。第11页，共86页，编辑于2022年，星期五2谐振腔谐振腔激光器共振腔一般为激光器共振腔一般为F-P干涉共振腔结构，它是由两个反干涉共振腔结构，它是由两个反射率很高的相互个行的端面组成的腔体，激光材料产半的受激射率很高的相互个行的端面组成的腔体，激光材料产半的受激光发射就是在共振腔个形成的。光发射就是在共振腔个形成的。如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出净共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出净受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃迁的光场共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃迁的光场越来越强。越来越强。LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi激光输出激光输出第12页，共86页，编辑于2022年，星期五虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，但虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于共振自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受到抑制；腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔共振频率共振频率的限制，的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。所以共振只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有特定频率特定频率的足够强的激的足够强的激发光场。发光场。共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回来，在振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所以，只要在共振腔内的激光材料始共振腔内继续激发出受激辐射。所以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的受激光发射。终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的受激光发射。2谐振腔谐振腔第13页，共86页，编辑于2022年，星期五3功率源功率源为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中激光材料为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子数反转达到一的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子数反转达到一定的定的程度，称为阈值反转密度。程度，称为阈值反转密度。因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源，因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源，它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。在半它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。在半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发功率导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发功率的。的。第14页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤激光器基本原理光纤激光器基本原理光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。的泵浦源三部分组成。激光输出激光输出未转换的泵浦光线未转换的泵浦光线稀土掺杂光纤稀土掺杂光纤泵浦光泵浦光第15页，共86页，编辑于2022年，星期五稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器稀土元素包括稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+。掺铒掺铒(Er3+)光纤在光纤在1.55 m波长具有很高的增益，正对应低损波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤光纤激光器发展十分迅速。激光器发展十分迅速。掺镱掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长光纤激光器是波长1.0-1.2 m的通用源，的通用源，Yb3+具具有相当宽的吸收带有相当宽的吸收带(8001064nm)以及相当宽的激发带以及相当宽的激发带(9701200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。有受激态吸收。掺铥掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为光纤激光器的激射波长为1.4 m波段，也是重要的波段，也是重要的光纤通信光源。光纤通信光源。TKomukai等人获得了输出功率等人获得了输出功率100mw、斜、斜率效率率效率59的的1.47 m掺掺Tm3+光纤激光器。光纤激光器。第16页，共86页，编辑于2022年，星期五对于通讯应用，目前认为掺对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它能工光纤激光器最适宜，因为它能工作在石英光纤最低损耗波长作在石英光纤最低损耗波长1.51 m处，调谐范围处，调谐范围50nm，可供多，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在路光频复用。它的泵浦波长可在0.807 m、0.980 m和和1490 m，但目前最易得到的是，但目前最易得到的是0.980 m的激光二极管，它能提供的激光二极管，它能提供连续编出几百连续编出几百mw，Q开关的开关的15ns脉冲功率脉冲功率100w。理论上有可能。理论上有可能获得获得1kw。Er3+(4F13/24I15/2)有有1.54 m发射谱线，与发射谱线，与Nd激光器一样，用激光器一样，用0.514 m的激光泵浦，便可产生振荡，其荧光光谱有的激光泵浦，便可产生振荡，其荧光光谱有1.534和和1.549 m峰，寿命峰，寿命812ms。Er激光为三能级激光，因此用块激光为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难，但用纤维激光器，可实现空运状材料实现连续振荡比较困难，但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值连续振荡，阈值30mw左右。插入衍射光栅，也可在左右。插入衍射光栅，也可在1.531.55 m范围内实现波长可调性。范围内实现波长可调性。稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器第17页，共86页，编辑于2022年，星期五其他的掺杂光纤激光器，如其他的掺杂光纤激光器，如2.1 m工作的掺钬工作的掺钬(Ho3+)光纤激光纤激光器，由于水分子在光器，由于水分子在2.0 m附近有很强的中红外吸收峰，对附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器第18页，共86页，编辑于2022年，星期五 激光是由Er3能级的4I13/2至4I15/2的跃迁产生，属三能级系统。器件效率较低，同时存在激光态吸收的问题，研究工作围绕如何提高器件的效率展开。Er3光纤光栅激光器的缺点是对泵浦光的吸收效率和斜率效率低、频率不太稳定（跳模现象）。为解决这些问题，采用Er3 Yb3共掺的光纤作为增益介质。Yb3离子起着吸收泵光（980nm），然后迅速转移给Er3离子，以实现1.5 m区的放大器，对泵光的吸收能力可提高2个数量级。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构 掺掺Er光纤激光器光纤激光器第19页，共86页，编辑于2022年，星期五2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3Er3其原理如图所示：8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构 掺掺Er光纤激光器光纤激光器第20页，共86页，编辑于2022年，星期五掺掺Yb3+光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源，在波长的抽运源，在9701200nm波段获得激光，并可进行宽波段获得激光，并可进行宽带调谐；同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度带调谐；同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、多声子跃迁等消激发过程，能够获得很高的能量转淬灭、多声子跃迁等消激发过程，能够获得很高的能量转化效率。由于以上优点及其广阔的应用前景，掺化效率。由于以上优点及其广阔的应用前景，掺Yb3+光纤光纤激光器受到越来越多研究者的关注。激光器受到越来越多研究者的关注。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构掺掺Yb3光纤激光器光纤激光器第21页，共86页，编辑于2022年，星期五第八章第八章 如何使信号源更强如何使信号源更强?8.1光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理8.2光纤激光器的结构光纤激光器的结构8.3光纤激光器的实验光纤激光器的实验第22页，共86页，编辑于2022年，星期五8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构泵光掺Er3石英光纤激光输出剩余泵光 F-P 线形腔掺铒光纤激光器第23页，共86页，编辑于2022年，星期五 光在腔内传输来回一次后的光强为：光在腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：要保证激光在腔内振荡，要求：反反射射光光与与入入射射光光发发生生干干涉涉，为为了了在在腔腔内内形形成成稳稳定定振振荡荡，要要求求干涉加强。则腔长与波长满足干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件驻波条件)：增益系数平均损耗系数第24页，共86页，编辑于2022年，星期五纵模和横模纵模和横模在在腔腔内内，轴轴向向驻驻波波场场为为腔腔的的本本征征模模式式光光场场。特特点点：与与轴轴线线垂垂直直的的横横截截面面光光场场稳稳定定均均匀匀分分布布；轴轴线线方方向向形形成成驻驻波波，称称为纵模。为纵模。节数为节数为q，为纵模序数。，为纵模序数。与与轴轴线线垂垂直直的的横横截截面面内内光光场场稳稳定定分分布布，称称为为横横模模，用用LPml表表示示，为为线线性性偏偏振振模模。m为为方方位位数数，表表示示垂垂直直光光纤纤的的横横截截面面内内沿沿圆圆周周方方向向方方位位角角 从从0到到2 光光场场的的变变化化数数（节节线线数数）。l为为径径向向模模数数，表表示示纤纤芯芯区区域域光光场场的的半半径径方方向向变变化化数数(节线数节线数)。LP01表表示示基基模模，它它的的角角向向径径向向节节线线数数没没有有变变化化，为为圆圆形光斑。形光斑。第25页，共86页，编辑于2022年，星期五二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环行谐振腔、光纤环行谐振腔泵泵浦浦光光由由1端端进进入入，经经耦耦合合器器进进入入环环行行腔腔。激激励励的的激激光光与与泵泵光光无无关关。产产生生的的激激光光由由4端端到到3端端。经经耦耦合合器器分分为为2束束：一一束束从从2端端输输出出；另另一一束束由由4端端返返回回并并被被谐谐振振放放大大；如如此此反反复。复。其中储存了能量其中储存了能量。掺杂光纤耦耦合合器器：4端端出出射射光光比比1端入射光停滞后端入射光停滞后/2。第26页，共86页，编辑于2022年，星期五2、光纤圈反射器、光纤圈反射器普普通通单单模模光光纤纤制制成成的的耦耦合合器器的的重重要要特特性性：只只要要在在工工作作波波长长下下单单模模运运行行，在在两两个个输输出出端端与与输输入入端端之之间间存存在在固固定定相相位位差差，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位交叉耦合的光波比输入光波滞后相位/2。光纤圈的功率反射率光纤圈的功率反射率R、透射率、透射率T为：为：从从2端的透射功率总和为端的透射功率总和为0：1342的的顺时针光的的顺时针光场相位差为场相位差为0，与从，与从1432的逆时针光场的相位差为的逆时针光场的相位差为。两光场因为振幅相同、相位相反两光场因为振幅相同、相位相反而抵消，总和为而抵消，总和为0。光从光从1返回返回。SMF第27页，共86页，编辑于2022年，星期五3、光纤、光纤圈圈谐振腔谐振腔光纤圈为光纤圈为非谐振的干涉仪非谐振的干涉仪结构。注意结构。注意分束器的取向分束器的取向。其中没有能量储存其中没有能量储存。透射透射反射反射反射反射透射透射 光光波波既既可可以以通通过过另另一一端端输输出出；又又可可以以再再从从输输入入端端反反射。射。第28页，共86页，编辑于2022年，星期五4 4、全光纤激光器、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通过一条通过一条掺杂光纤熔锥而成的掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器全光纤激光器。激光器要实现振荡，激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。要求光纤圈提供正反馈。由此得由此得到谐振腔的有效腔长为：到谐振腔的有效腔长为：L1L2L掺杂光纤第29页，共86页，编辑于2022年，星期五泵浦环形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF第30页，共86页，编辑于2022年，星期五第31页，共86页，编辑于2022年，星期五WDMOutput coupler泵浦PC controllerEDF IsolatorOutput 环形 腔掺铒激光器8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构第32页，共86页，编辑于2022年，星期五三、可调谐光纤激光器三、可调谐光纤激光器 光光纤纤激激光光器器有有较较宽宽的的波波长长调调节节范范围围，比比染染料料激激光光器器的的化化学学性质更稳定，不需低温运行性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。，潜在应用价值显著。1，反射镜，反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔光栅形式可调谐输出谐振腔 使使用用闪闪耀耀光光栅栅，若若对对激激光光中中心心的的闪闪耀耀级级次次为为M级级，闪闪耀耀角角为为，光栅常数为，光栅常数为d，则光栅方程为：，则光栅方程为：只只要要转转动动衍衍射射光光栅栅，使使光光束束相相对对于于光光栅栅法法线线的的入入射射角角在在 附附近近变变化化，就就能能实实现调节波长现调节波长。第33页，共86页，编辑于2022年，星期五可调谐激光器可调谐激光器采采用用这这种种结结构构，利利用用 氩氩 离离 子子 激激 光光 器器 的的514nm的的光光作作为为泵泵浦浦光光，分分别别激激励励掺掺铒铒光光纤纤及及掺掺钕钕光光纤纤,可可调调谐谐的的 波波 长长 范范 围围 分分 别别 为为25nm和和80nm。由由于于分分束束器器与与光光学学元元器器件件带带来来了了腔腔内内损损耗，耗，导致阈值功率提高。导致阈值功率提高。14 nm11 nm第34页，共86页，编辑于2022年，星期五五、窄带输出的光纤激光器五、窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用：通过光纤光栅的选模作用：达到窄带输出。达到窄带输出。B是布拉格波长，是布拉格波长，d是光栅周期，是光栅周期，ne是有效折射率。是有效折射率。激光线宽激光线宽0.06 nm第35页，共86页，编辑于2022年，星期五六、光纤六、光纤Fox-Smith谐振腔谐振腔 一般地，一般地，14段及段及13段的谐振频率不同。复合段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：腔的纵模频率间隔为：选择适当的选择适当的l3、l4以致于在以致于在整个荧光线宽内只有一个整个荧光线宽内只有一个纵模在振荡。则可以纵模在振荡。则可以实现实现单纵模运转单纵模运转。第36页，共86页，编辑于2022年，星期五复合腔结构复合腔结构第37页，共86页，编辑于2022年，星期五 一、一、Littrow结构外腔调谐激光器的实验研究结构外腔调谐激光器的实验研究 调谐范围：1040nm1107.6nm，功率：34mW8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构可调谐可调谐掺Yb光纤激光器第38页，共86页，编辑于2022年，星期五输出功率随激光波长的变化关系8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构可调谐可调谐掺Yb光纤激光器第39页，共86页，编辑于2022年，星期五重要参数重要参数斜率效率：斜率效率：输出激光功率的变化量输出激光功率的变化量/泵浦功率的变化量泵浦功率的变化量也就是输出激光功率随泵浦功率变化曲线也就是输出激光功率随泵浦功率变化曲线线性部分的斜率，一般用百分数表示线性部分的斜率，一般用百分数表示第40页，共86页，编辑于2022年，星期五单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关注，得到单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关注，得到了长足发展。但是，由于泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有了长足发展。但是，由于泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，光光转换效率较低；同时，常规的单模光几微米的光纤芯内，光光转换效率较低；同时，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这也限制了其输出功纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这也限制了其输出功率的水平。所以一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，率的水平。所以一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，研究工作和开发应用大都集中在光通信和光传感领域。研究工作和开发应用大都集中在光通信和光传感领域。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第41页，共86页，编辑于2022年，星期五80年代后期，美国宝丽来公司的研究者们作出了开创性的工作，发展年代后期，美国宝丽来公司的研究者们作出了开创性的工作，发展了一种包层泵浦技术，大大促进了高功率光纤激光器的发展。在特种光纤了一种包层泵浦技术，大大促进了高功率光纤激光器的发展。在特种光纤生产技术和半导体激光器制造工艺高速发展的基础上，包层泵浦技术发展生产技术和半导体激光器制造工艺高速发展的基础上，包层泵浦技术发展迅猛，激光器的能量转换效率高达迅猛，激光器的能量转换效率高达70%以上、连续输出功率高达几十瓦、以上、连续输出功率高达几十瓦、乃至几百瓦。同时，利用纤芯内的超高功率密度所产生的诸如受激布里渊乃至几百瓦。同时，利用纤芯内的超高功率密度所产生的诸如受激布里渊散射、受激喇曼散射和频率上转换等非线性效应，大大拓宽了光纤激光器散射、受激喇曼散射和频率上转换等非线性效应，大大拓宽了光纤激光器的输出频率范围，并使超短脉冲技术、喇曼光纤激光器和放大器技术的发的输出频率范围，并使超短脉冲技术、喇曼光纤激光器和放大器技术的发展上了一个新的台阶。预计此类大功率、宽波段、高模式质量、结构紧凑、展上了一个新的台阶。预计此类大功率、宽波段、高模式质量、结构紧凑、运转可靠、高性能价格比的双包层光纤激光器将在光通信（特别是高速长运转可靠、高性能价格比的双包层光纤激光器将在光通信（特别是高速长距离和孤子通信）、遥感、航天航空、生命科学、机械精密加工等领域获距离和孤子通信）、遥感、航天航空、生命科学、机械精密加工等领域获得广泛应用。得广泛应用。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第42页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层光纤激光器有许多的优点双包层光纤激光器有许多的优点（1）高功率激光输出，多个多模半导体激光二极管并行泵浦，可设计出极高功率输出的光纤激光器；（2）由于光纤的表面积与体积之比很大，高功率光纤激光器工作时一般无需复杂的冷却装置；（3）由于光纤掺稀土元素离子，有一个宽而平坦的吸收光谱区，因此有很宽的泵浦波长范围。（4）多模二极管泵浦源的稳定性(其可靠运转寿命超过l00万小时)决定了这种激光器具有高可靠性；（5）具有极高的光束质量，这是其他高功率激光器无法相比的；（6）电光转换效率高，插头效率高达20以上；（7）结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境。第43页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层掺杂光纤的结构内包层内包层内包层内包层光纤芯光纤芯外包层外包层保护层保护层激光输出激光输出泵浦光泵浦光8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第44页，共86页，编辑于2022年，星期五一、双包层掺杂光纤的结构 光纤芯：由由掺掺稀稀土土元元素素的的SiO2构构成成，它它作作为为激激光光振振荡荡的的通通道，对相关波长为单模；道，对相关波长为单模；内包层：内内包包层层由由横横向向尺尺寸寸和和数数值值孔孔径径比比纤纤芯芯大大的的多多、折折射射率比纤芯小的纯率比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光波长是多模的；构成，它是泵光通道，对泵光波长是多模的；外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第45页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层光纤结构双包层光纤结构第46页，共86页，编辑于2022年，星期五二、双包层光纤内包层的作用：二、双包层光纤内包层的作用：1.包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内；包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内；2.多多模模导导管管作作为为泵泵光光的的传传输输通通道道，把把多多模模泵泵光光转转换换为为单单模模激激光光输输出出。泵泵光光的的能能量量不不能能直直接接耦耦合合到到光光纤纤芯芯内内，而而是是将将泵泵光光耦耦合合到到内内包包层层，光光在在内内包包层层和和外外包包层层之之间间来来回回反反射射，多多次次穿穿过过单单模模纤纤芯芯被被其其吸吸收收。这这种种结结构构的的光光纤纤不不要要求求泵泵光光是是单单模模激激光光，而而且且可可对对光光纤纤的的全全长长度度泵泵浦浦，因因此此可可选选用用大大功功率率的的多多模模激激光光二二极极管管阵阵列列作作泵泵源源，将将约约70%以以上上的的泵泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第47页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层光纤激光器的泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术1.端面泵浦耦合技术端面泵浦耦合技术第48页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层光纤激光器的泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术1.端面泵浦耦合技术端面泵浦耦合技术第49页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层光纤激光器的泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术2.侧面泵浦耦合技术侧面泵浦耦合技术第50页，共86页，编辑于2022年，星期五第51页，共86页，编辑于2022年，星期五第52页，共86页，编辑于2022年，星期五三、三、双包层光纤的研究进展 俄罗斯普物所研制的内包层为方形的掺Yb双包层光纤。美国宝丽来公司研制的内包层为矩形的掺Yb双包层光纤。美国朗讯公司研制的内包层为星形的掺Yb双包层光纤。德国研制的内包层为D形的掺Yb和Nd双包层光纤，中国武汉邮电科学研究院研制了掺Yb双包层光纤。中国天津46所和南开大学合作研制成功掺Yb双包层光纤。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第53页，共86页，编辑于2022年，星期五 圆形内内包包层层的的掺掺Yb3+双双包包层层光光纤纤。内内包包层层直直径径：125m,数数值值孔孔径径（NA)：0.38；芯芯径径：5.5m，NA：0.11；在；在976nm出的吸收系数：出的吸收系数：64dB/km；矩形内内包包层层的的掺掺Yb双双 包包 层层 光光 纤纤。内内 包包 层层 尺尺 寸寸：100m70m；NA：0.38；芯芯径径：5.5m；NA：0.11；在在976nm出的吸收系数为出的吸收系数为73dB/km。8.2 光纤激光器的结构光纤激光器的结构双包层光纤激光器双包层光纤激光器第54页，共86页，编辑于2022年，星期五双包层光纤激光器结构双包层光纤激光器结构第55页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤非线性效应激光器：光纤非线性效应激光器：第56页，共86页，编辑于2022年，星期五在在双双包包层层光光纤纤和和高高功功率率多多模模LD的的制制造造工工艺艺的的日日趋趋完完善善的的基基础础上上，高功率光纤激光器发展极为迅速。高功率光纤激光器发展极为迅速。美美国国宝宝丽丽来来公公司司的的M