光纤激光器pptPPT讲稿.ppt

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1、第1页，共34页，编辑于2022年，星期五本章主要内容：本章主要内容：1 掺杂光纤掺杂光纤2 光纤激光器的谐振腔光纤激光器的谐振腔3 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器4 超荧光光纤激光器超荧光光纤激光器(SFS)第2页，共34页，编辑于2022年，星期五1 掺杂光纤掺杂光纤一、掺杂元素一、掺杂元素掺稀土元素掺稀土元素镧系镧系Xe6S2，外层都为为，外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的镧系元素电子结构的差别只在差别只在4f壳层的电子占有数壳层的电子占有数。1、掺杂浓度、掺杂浓度 最佳在最佳在100ppm量级。量级。太低：太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态掺杂离子

2、的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。可能被耗尽。太高：太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶激光的能级上有效粒子数减少；导致玻璃基质产生结晶效应，不利于产生激光。效应，不利于产生激光。第3页，共34页，编辑于2022年，星期五2、掺杂光纤的基质、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃）石英玻璃 石石英英玻玻璃璃对对稀稀土土元元素素离离子子的的光光谱谱能能级级的的影影响响：产产生生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。（2）重金属氟化物玻璃）重金属氟化物玻璃优点：优

3、点：通光窗口宽，在通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。范围透过率很高。易于成纤。易于成纤。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。易于激活，因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。第4页，共34页，编辑于2022年，星期五二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性1、Er 3+、Nd 3+的电子能级的电子能级4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能级分裂能级分裂第5页，共34页，编辑于2022年，星期五4F 5/24F 3/24F 5/2第6页，共34页，编辑于2022年，星期五2、掺稀土光纤的光谱特性、掺稀土光纤的光谱特性掺钕光纤：

4、掺钕光纤：使用使用800nm、900nm、530nm波长波长的泵浦光源，将在的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1350nm波长处得到激波长处得到激光。光。掺铒光纤：掺铒光纤：使用使用800nm、900nm、1480nm、530nm波长的泵浦光源，将在波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1536nm波长波长处得到激光。处得到激光。掺铒光纤存在最佳光纤长度掺铒光纤存在最佳光纤长度（约（约10m）。）。Er3+Nd3+第7页，共34页，编辑于2022年，星期五3、掺杂光纤的激光特性、掺杂光纤的激光特性 掺掺铒铒的的三三能能级级系系统统：基基态态E1、亚亚稳稳态态 E2、高高能能级级

5、E3。从从E3 E1，泵浦几率为，泵浦几率为WP，跃迁几率为，跃迁几率为WP。E3 非非辐辐射射E2，几几率率为为S32；E3 自自发发辐辐射射和和非非自自发发辐辐射射E2、E1，几率为，几率为A32、A31、S31。选择工作物质要求：选择工作物质要求：A32、A31和和S31 S32 以及以及S32 WP(3-1)，N2 N1。一般选择一般选择A21较小的工作物质。较小的工作物质。A32第8页，共34页，编辑于2022年，星期五因此有因此有速率方程组速率方程组：dN3/dt=(N1-N3)WP-N2 S32 dN2/dt=N1 W12+N3 S32N2 W21 N2(A21+S21)N1+N

6、2+N3=NtNt是工作介质内的总粒子数密度。是工作介质内的总粒子数密度。这三个方程为三能级系统的速率方程组。这三个方程为三能级系统的速率方程组。可可见见，只只要要WP(1-3)足足够够大大，就就能能实实现现粒粒子子数数反反转转，掺掺稀稀土土光光纤纤就就变变成成激激活活介介质质，对对频频率率为为(E2-E1)/h的信号具有放大作用的信号具有放大作用。第9页，共34页，编辑于2022年，星期五一、一、FP腔腔1，结构，结构M1:对泵浦光高透；对激光高反对泵浦光高透；对激光高反M2:对激光高反（低增益系统对激光高反（低增益系统95%；高增益系统；高增益系统 75%）2，光传输特性，光传输特性 理论

7、理论波动光学。假设：波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸直；谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。为阶跃折射率弱波导光纤。2 光纤激光器的谐振腔光纤激光器的谐振腔第10页，共34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，要要求干涉加强。则腔长与波长满足求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件驻波条件)：增益系数增益系数平均损耗系数第11页，共34页，编辑于2022年，星期五纵模和横模纵模和横模 在

8、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波，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

9、径方方向向变变化数化数(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12页，共34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；如如此反复。此反复。其中储存了能量其中

10、储存了能量。掺杂光纤掺杂光纤耦耦合合器器：4端端出出射射光光比比1端端入入射射光光停停滞滞后后/2。第13页，共34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，交交叉耦合的光波比输入光波滞后相位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

11、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。SMF第14页，共34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15页，共34页，编辑于2022年，星期五4 4、全光纤激光器、全光纤

12、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掺杂光纤掺杂光纤第16页，共34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，

13、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，就就能能实实现现调调节波长节波长。第17页，共34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

14、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，导导致致阈阈值值功功率率提高。提高。14 nm11 nm第18页，共34页，编辑于2022年，星期五四、四、(反射镜反射镜+光纤圈反射器形式光纤圈反射器形式)可调谐输出激光器可调谐输出激光器光纤圈的功率反射率为：光纤圈的功率反射率为：激激光光反反射射率率大于大于95%泵泵浦浦光光反反射射率为率为5%通过改变温度来调节光纤圈的反射率，通过改变温度来调节光纤圈的反射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大。使掺杂光纤达到激光谐振放大。第19页，共34页，编辑于2

15、022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20页，共34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。复合腔段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：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

16、现单纵模运转单纵模运转。第21页，共34页，编辑于2022年，星期五5.3 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器1.以以980 nm的的半半导导体体光光源源作作为为泵浦源；泵浦源；2.掺掺Er 3+光光纤纤中中Er 3+的的受受激激辐辐射射产生产生Laser。一、掺一、掺Er 3+光纤激光器的示例光纤激光器的示例1、Er 3+的三能级系统的三能级系统能级分裂能级分裂第22页，共34页，编辑于2022年，星期五 由合适长度的掺由合适长度的掺Er 3+光纤、光纤、980nm大功率半导体激光大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。器泵浦源和谐振腔构成。世界上第一台掺世界上第一台掺Er 3+光纤

17、激光器由英国南安谱敦大学光纤激光器由英国南安谱敦大学的的L.Reekie教授于教授于1987年实现。年实现。斜率效率斜率效率=输出功率输出功率/吸收功率吸收功率%=3.3%输入镜输入镜输出镜输出镜吸收功率吸收功率 mW第23页，共34页，编辑于2022年，星期五二、掺二、掺NdNd3+3+光纤激光器的示例光纤激光器的示例 由合适长度的由合适长度的掺掺Nd 3+光纤、光纤、800nm大功率半导体激大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔光器泵浦源和谐振腔构成。构成。世界上第一台掺世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大光纤激光器由英国南安谱敦大学的学的R.J.Mears教授于教授于1985年实

18、现。年实现。第24页，共34页，编辑于2022年，星期五4F 5/24F 3/2Er 3+、Nd 3+的吸收与辐射的吸收与辐射第25页，共34页，编辑于2022年，星期五GaAs激光二极管的输出功率激光二极管的输出功率 mW 光光纤纤激激光光器器输输出出功功率率/mW泵浦功率与光纤激光器的输出功率泵浦功率与光纤激光器的输出功率优点：优点：1.不不需需要要水水冷冷即即可可工工作；作；2.不不容容易易饱饱和。和。第26页，共34页，编辑于2022年，星期五分类：分类：根根据据泵泵浦浦光光 与与 超超 荧荧光光 传传 播播 方方向向的的异异同同，以以及及光光 纤纤两两端端是是否否存存在在 反反 射射

19、分分类。类。5.4 超荧光光纤激光器超荧光光纤激光器(Superfluorescent Fiber source)单程反向单程反向双程前向双程前向单程前向单程前向双程反向双程反向第27页，共34页，编辑于2022年，星期五原理：原理：由由于于泵泵浦浦光光的的激激励励，粒粒子子数数反反转转。如如果果亚亚稳稳态态的的粒粒子子自自发发辐辐射射，产产生生光光子子的的传传输输在在光光纤纤接接收收角角内内，就就能能够够在在光光纤纤内内传传输输，诱诱发发许许多多亚亚稳稳态态的的粒粒子子受受激激辐辐射射跃跃迁迁，并产生完全相同的光子而放大。并产生完全相同的光子而放大。如如果果光光纤纤的的增增益益足足够够，就就

20、称称之之为为放放大大的的自自发发辐辐射射（Amplified Spontaneous Emitting,ASE）。特点：与普通光纤激光器相比，特点：与普通光纤激光器相比，没有谐振腔没有谐振腔。SFS的原理、特点的原理、特点第28页，共34页，编辑于2022年，星期五双程前向及双程后向掺铒光纤激光器双程前向及双程后向掺铒光纤激光器第29页，共34页，编辑于2022年，星期五Fig.2 输出功率与掺铒输出功率与掺铒光纤长度的关系光纤长度的关系超过最佳长度将超过最佳长度将被再吸收被再吸收Fig.3 不同长度光纤的泵浦不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系功率与波长的关系第30页，共34页，编辑于2022

21、年，星期五光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系DPF:因因为为1535nm处处的的ASE信信号号比比1550nm处处的的ASE信信号号增增长长快，所以小的反射率也有大的带宽快，所以小的反射率也有大的带宽DPB:反反射射率率达达到到50%时时，1535nm处处的的ASE信信号号饱饱和和，而而1550nm处的处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。信号继续增强，所以带宽增加。第31页，共34页，编辑于2022年，星期五第32页，共34页，编辑于2022年，星期五第33页，共34页，编辑于2022年，星期五作业作业作图分析题作图分析题1.讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理。讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理。2.举例说明举例说明3种谐振腔的原理和应用范例。种谐振腔的原理和应用范例。3.怎怎样样才才能能得得到到波波长长可可调调谐谐激激光光？怎怎样样才才能能得得到到窄窄谱激光？说明理由。谱激光？说明理由。4.举例说明举例说明2种光纤激光器构成和产生激光的原理。种光纤激光器构成和产生激光的原理。第34页，共34页，编辑于2022年，星期五