光纤激光器ppt课件.ppt

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1、1哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心2019年3月有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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

2、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年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。性研究工作。3. 1975年至年至1985年，由于半导体激光器工艺和光纤年，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。英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、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，相继实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。有利于学习和创新的组织管理机制，

3、创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 19851985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他们用他们用 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 , ,此后他们先此后他们先后报道了光纤激光器的调后报道了光纤激光器的调Q Q、锁模、单纵模输出以及光纤、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放大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL )(BTRL )于于 19871987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器年展示了

4、用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置装置, ,同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量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的基础工作, ,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光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机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

5、世和工艺的成熟，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。光纤化。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 1988年年 , E. Snitzer等提出了双包层光纤等提出了双包层光纤 ,从而使一直被认为只能是小功率器件的光从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。纤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，使传年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光

6、纤激光器的功率水平提高了统的光纤激光器的功率水平提高了45个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。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高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进的发展突飞猛进 ,最高输出功率记录在短最高输出功率记录在短时间内接连被打破时间内接连被打破 ,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。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。按谐振腔结构分类：按谐振腔结构分类

7、：F-P 腔、环形腔、环路反射器光纤谐腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及振腔以及“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、双包层光纤激光按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器器按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器光纤激光器、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

8、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 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。光纤激光器近几年受到广泛关注，这是因为它具有其它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，主要表现在激光器所无法比拟的优点，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，光纤激光器中，光纤既是激光介质又是

9、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，以便使泵浦光充分吸收，而使总的便地延长增益长度，以便使泵浦光充分吸收，而使总的光光-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，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

10、灵活，使用方便；质，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，光纤激光器可在很宽光谱范围内在很宽光谱范围内(455-3500nm)设计运行，加之玻璃光设计运行，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，调谐范围己达调谐光纤激光器，调谐范围己达80nm； 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心

11、的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。(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；非常成熟，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；性和温度稳定性；(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，大大降低激因

12、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。光器的成本。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景。具有广阔的应用前景。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。通信通信:在光通信领域，采用布喇格光栅作为腔反在光通信领域，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馈和模式选择的掺铒光纤激光器比

13、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，特别是可应用于密集波分复用系统中，特别是可应用于密集波分复用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外调制的掺铒光纤激光通信和光孤子通信中。如外调制的掺铒光纤激光器在器在2019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半导体激光器性能类同，半导体激光器性能类同，但后者难以实现波长特定。刘颂豪院士认为，光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关是三纤光孤子激光器、光纤放大器和光孤子开关是三项使孤子通

14、信走向实用化的主要技术。光孤子通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。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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研究人员正与加

15、州激光集成技术分项目的研究人员正与加州San Jose市的市的SDL公司合作，开发高亮度、光照面积小的系统。该系公司合作，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学激光器。统能作为激光防御武器替代目前看好的化学激光器。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极高的效率和功率密度在材料加工方面可与传统的YAG激光器相媲美。在打标领域，由于光纤激光器具有高的激光器相媲美。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，使其不仅在微米量级对半导体及光束质量和定位精

16、度，使其不仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被用于塑料和金属打标中。包装打标效率极高，而且也常被用于塑料和金属打标中。激光印刷激光印刷:双包层光纤激光器，因其拥有极高的热稳定性双包层光纤激光器，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，印刷厂利用它可进行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。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。射源。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活

17、力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，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，也可以叫作构成激光器的的，也可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，由于

18、高能态的电子寿命很短，处于子激发到高能态后，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，这种向上和向下的跃迁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，为了获得粒子反转，就需要几乎是同时进行的。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激发极大的激发强度，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材料。率也可能损坏材料。有利于学习

19、和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 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光发射就是在共振腔个形成的。的受激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受激辐

20、射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向出净受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃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越来越强。迁的光场越来越强。 LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi激光输出激光输出有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，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但自发辐射的光有

21、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；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔迁受到抑制；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，只有满足共振条件的那些光被加强、其的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有一个具有特定频率特定频率的足够强的激发光场。的足够强的激发光场。 共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一

22、部分通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部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，在共振腔内继续激发出受激辐射。所分被端面反射回来，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终保持粒子数反转条件，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。就可以获得连续的受激光发射。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中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

23、到阈值增益，也就是说要使粒子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数反转达到一定的程度，称为阈值反转密度。定的程度，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半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发功率的。功率的。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。光纤激光器和其他激光器一样，

24、由能产生光子的增益介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的泵浦源三部分组成。学谐振腔和激励光跃迁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有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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。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

25、土离子有目前比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，掺铒低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。光纤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+具有相当宽的吸收带具有相当宽的吸收带(8001064nm)以及相当宽的以及相当宽的激发带激发带(9701200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦，故

26、泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。源和激光都没有受激态吸收。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，也是波段，也是重要的光纤通信光源。重要的光纤通信光源。TKomukai等人获得了输出功等人获得了输出功率率100mw、斜率效率、斜率效率59的的1.47 m掺掺Tm3+光纤激光器。光纤激光器。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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，因为它光纤激光器最适宜，因为它能工作在石

27、英光纤最低损耗波长能工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，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在，可供多路光频复用。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的激的激光二极管，它能提供连续编出几百光二极管，它能提供连续编出几百mw，Q开关的开关的15ns脉冲脉冲功率功率100w。理论上有可能获得。理论上有可能获得1kw。Er3+(4F13/24I15/2)有有1.54 m发射谱线，与发射谱线，与Nd激光器一激光器一样，用样，用0.514 m的激光泵浦，便可产生振荡，其荧光光谱的激光泵浦，便可

28、产生振荡，其荧光光谱有有1.534和和1.549 m峰，寿命峰，寿命812ms。 Er激光为三能级激激光为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难，但用纤维激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难，但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值光器，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。插入衍射左右。插入衍射光栅，也可在光栅，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。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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

29、作的掺钬工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在光纤激光器，由于水分子在2.0 m附近有很强的中红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，故在医疗和生物学研究上有广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。阔的应用前景。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 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

30、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。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3Er3其原理如图所示：有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以

31、顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 掺掺Yb3+光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采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，在用不同波长的抽运源，在9701200nm波段获得激波段获得激光，并可进行宽带调谐；同时，这种光纤激光器不光，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、浓度淬灭、多声子跃迁等消激发存在激发态吸收、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化效率。由于以上优过程，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，掺点及其广阔的应用前景，掺Yb3+光纤激光器受到越光纤激光器受到越来越多研究者的关注

32、。来越多研究者的关注。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业

33、文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 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：反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件驻波条件)：)(2exp021LGIrrIni)(2121rrnlLGni12nqL增益系数增益系数平均损耗系数有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。纵模和横模纵模和

34、横模 在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；轴线方轴线方向形成驻波，向形成驻波， 称为纵模。称为纵模。节数为节数为q，为纵模序数。，为纵模序数。 与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模，用用LPml表示，为线性偏振模。表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角光纤的横截面内沿圆周方向方位角 从从0到到2 光场的光场的变化数（节线数）。变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光为径

35、向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数场的半径方向变化数(节线数节线数)。 LP01表示基模，它的角向径向表示基模，它的角向径向节线数节线数没有变化，没有变化，为圆形光斑。为圆形光斑。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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 泵浦光由泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔。激端进入，经耦合器进入环行腔。激励的激光与泵光无关。产生的激光由励的激光与泵光无关。产生的激光由4端到端到3端。经端。经耦

36、合器分为耦合器分为2束：一束从束：一束从2端输出；另一束由端输出；另一束由4端返回端返回并被谐振放大；如此反复。并被谐振放大；如此反复。其中储存了能量其中储存了能量。掺杂光纤掺杂光纤耦合器：耦合器： 4端出射端出射光比光比1端入射光停滞端入射光停滞后后 /2。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。2、光纤圈反射器、光纤圈反射器 普通单模光纤普通单模光纤制成的耦合器的重要特性：只要在工制成的耦合器的重要特性：只要在工作波长下作波长下单模单模运行，在两个输出端与输入端之间运行，在两个输出端与输入

37、端之间存在固存在固定相位差定相位差，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： 134 2 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1 4 3 2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。SMF2221221222211)21 ()1 ()1 (4)1 (kerTTTkkerRRRall a有利于学习和创新的组织管理机制，

38、创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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。注意分束器的取分束器的取向向。其中没有能量储存其中没有能量储存。透射透射反射反射inrintPkkPPkP)1 (4)21(2：反射功率与透射功率为反射反射透射透射 光波既可以光波既可以通过另一端输出；通过另一端输出；又可以再从输入又可以再从输入端反射。端反射。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作

39、环境。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，通通过一条掺杂光纤熔锥而成的过一条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。由此得到谐振腔的有效腔长为：由此得到谐振腔的有效腔长为：为整数。mmLLLL,4) 12(2221L1L2L掺杂光纤掺杂光纤有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。泵浦环形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF有利于

40、学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 980/1550nm WDM EDF Isolator Output 10% FBG IMG Coupler(10：90) 980nmLD 90% 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。WDMOutput coupler泵浦PC controllerEDF IsolatorOutput 环形 腔掺铒激光器有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激

41、励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。三、可调谐光纤激光器三、可调谐光纤激光器 光纤激光器有光纤激光器有较宽的波长调节范围较宽的波长调节范围，比染料激光器的，比染料激光器的化学性质更稳定，不需低温运行化学性质更稳定，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 使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪级，闪耀角为耀角为 ，光栅常数为，光栅常数为d，则光栅方程为：，则光栅方程为：dMddMdcos2sin2 只要转动衍射光栅，

42、只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的使光束相对于光栅法线的入射角在入射角在 附近变化，就附近变化，就能实现调节波长能实现调节波长 。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。可调谐激光器可调谐激光器 采用这种结构，采用这种结构，利用氩离子激光器的利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦的光作为泵浦光，分别激励光，分别激励掺铒掺铒光光纤及纤及掺钕掺钕光纤光纤,可调可调谐的波长范围分别为谐的波长范围分别为25nm和和80nm。 由于分束器与光由于分束器与光学元器件带来了腔内学元器件带来了腔内损

43、耗，损耗，导致阈值功率导致阈值功率提高。提高。14 nm11 nm有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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： 达到窄带达到窄带输出。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是有效折是有效折射率。射率。dneB2激光线宽激光线宽0.06 nm有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的

44、合作环境。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。段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：复合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。)(2243llnf有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。复合腔结构复合腔结构有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求

45、为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 LD 976 nm DM Yb-doped DCF Polished at 8 Grating Output beam Lens Coupling system 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：34mW有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。1020103010401050106010701080109011001110112002468101

46、21416Output Power (dBm)Wavelength (nm)输出功率随激光波长的变化关系有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。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 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开

47、放又相互信任的合作环境。 单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关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几微米的光纤芯内，光光转换效率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，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模较低；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率的水平。所以一式必须为基模，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，研究工作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

48、大都集中在光通信和光传感领域。和开发应用大都集中在光通信和光传感领域。 有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。 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，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，包层泵浦技术发展迅猛，激光器的能量转

49、换效率高达泵浦技术发展迅猛，激光器的能量转换效率高达70%以上、连续输出以上、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散射、受激喇曼散射和频率上转换等非线性效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的输出频率范围，并使超短脉冲技术、喇应，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展上了一个新的台阶。预计此类大功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、

50、运转可靠、高性能价格比的双率、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（特别是高速长距离和孤子通信）、遥感、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得广泛应用。航天航空、生命科学、机械精密加工等领域获得广泛应用。有利于学习和创新的组织管理机制，创造充满活力的创新激励机制，以市场为导向，以顾客价值追求为中心的企业文化氛围，依赖既开放又相互信任的合作环境。（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