光纤激光器2010

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1、如何使信号源更强?哈尔滨工程大学理学院 光子科学与技术研究中心 2007年3月第八章如何使信号源更强?8.1光纤激光器简介8.2光纤激光器的结构 8.3光纤激光器的实验光纤激光器的发展1. 20世纪60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。2. 70年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般 性研究工作。3. 1975年至1985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Bell实验室，相继 开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。光纤激光器的

2、发展1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。 他们用MCVD方法制作成功单模光纤激光器、此后他们先 后报道了光纤激光器的调Q、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(BTRL )于 1987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，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，在用氟化错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 构活跃在这个研究领域，如德国汉堡技术大学，日本的 NTT、三菱，美国的贝尔实验室，斯坦福大学等。20世纪80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

3、命力，实现了光纤激光器的全 光纤化。1988年5 E. Snitzer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 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 统的光纤激光器的功率水平提高了 4一5个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又 .个甲程碑o进入21世易后，高功率双包层光纤激光器 的发展突飞猛进，最高输出功率记录在短 时间内接连被打破，目前单纤输出功率 （连续）已达到2000W以上。光纤激光器的分类按谐振腔结构分类：FP腔、环形腔、环路反射器光纤谐(振腔以及“8”字形腔DBR光纤激光器、DFB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

4、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、单晶光纤激光器按掺杂兀素分类：掺餌(Er3+)、钱(Nd3+)、错 (Pr3+)、 (Tm3+ ) Tm3+Yb3+。III需囂逆驚吧波具有很高的增益，正对应 曹3+)光纤激光器发展十羣住3用价值，掺餌 欝酬光器是波长10亠2凹1的通用源，源和激光都没有受激态吸收。护非吊丿忆且象浦掺铉(Tm3+)光纤激光器的激射波长为14屮n波段，也是 重要的光纤通信光源。T. Komukai等人获得了输出功 率100mw、斜率效率59%的l47ym掺Tm3+光纤激光器。对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它 能工作在石英光纤最低损耗波长

5、151屮n处，调谐范围 50nm,可供多路光频复用。它的泵浦波长可在0.807屮n、 0.980gm和1. 490gm,但目前最易得到的是0.980gm的激 光二寂管，它能提供连续编出几百mw, Q开关的15ns脉冲 功率100w理论上有可能获得lkw。Er3+(4F13/24115/2)有1.54屮n发射谱线，与Nd激光器一 样，用0.514gm的激光泵浦，便可产生振荡，其荧光光谱 有1.534和1.549pm峰，寿命812ms。Ei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，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。插入衍射 光栅，也可在1.531.55gm范围内

6、实现波长可调性。其他的掺杂光纤激光器，如21屮11工作的掺钦(Ho3+) 光纤激光器，由于水分子在2.0屮n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，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。8.2光纤激光器的结构-掺Er光纤激光器激光是由EC能级的413/2至415/2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。E2 +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E2 +Yb3 +共掺的光纤作为增益介质。Yb3+离子起着吸收泵光（980

7、nm）,然后迅速转移给E2+离子，以实现1.5 pim区的放大器，对泵光的吸收能力可 提高2个数量级。8.2光纤激光器的结构掺Er光纤激光器其原理如图所示：Yb3+Er3+4【13/2耳15/28.2光纤激光器的结构 掺Yb3+光纤激光器掺Yb3+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9701200nm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Yb3+光纤激光器受到越来越多 研究者的关注。第八章如何使信号源更强?8.1光纤激光器的工作原理8.2光

8、纤激光器的结构8.3光纤激光器的实验8.2光纤激光器的结构掺E2+石英光纤 O激光输出13余泵光F-P线形腔掺钾光纤激光器!增益系数光在腔内传输来回一次后的光强为： /22要保证激j平均损耗系数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（驻波条件）：z o图5-6光東在腔内侵输示意图2纵模和横模在腔内，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；节数为q,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, 用LPm】表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直 光纤的横截面内沿圆周方向方位角（P从0到2冗光场的 变化数（节线

9、数）。1为径向模数，表示纤芯区域光 场的半径方向变化数（节线数）。LPoi表示基模，它的角向径向节线数没有变化， 为圆形光斑。二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器 1、光纤环行谐振腔(a)池钎环千涉仪耦口器:、4端出:射 光比1端入射先停滞 后兀反图57光纤环谐撮腔和身效盟泵浦光由1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4端到3端。经 耦合器分为2束：一束从2端输出；另一束由4端返回 并被谐振放大；12、光纤圈反射器制成的耦合器的重要特性：只要在工a端的透射功率总和为0：作波长下单模运行，在两个输出端与输入端之间存在固定相位差，交叉耦合的光波比输入光波滞后相位冗/2。光

10、纤圈的功率反射率R、透射率T为:R 二 Rh 二 R22 二(1_门2加 4kQ_k)T = Tn=T2l=(l-r)2e-2al(l-2k)2两光场因为振幅相同、相位相反而抵消，总和为0。光从1返回。1t3t4t2的的顺时针光 场相任養知，与从 2的逆时针光场的相位差为仇光纤谐振腔0S5-9光軒88谐振腔和等效腔0S5-9光軒88谐振腔和等效腔光纤圈为结构向。其中没有能量储存。注意0S5-9光軒88谐振腔和等效腔0S5-9光軒88谐振腔和等效腔透射（M）光纤IS干涉仪/宀泄波既可！B 通过另亠端输出; 文可以再从输入 端皮射0S5-9光軒88谐振腔和等效腔4、全光纤激光器两个光纤圈反射器串联

11、起来组成的谐振腔，通 过一条摻杂光纤熔锥而成的全光纤激光器。激光器要实现振荡，要求光纤圈提供正反馈。 由此得到谐振腔的有效腔长为:mLL；L = L + -L + -1 = (2m+ 1)加为整数。224图5-10两个光纤88串联而成的全光纤激光関图5-10两个光纤88串联而成的全光纤激光関(806nm)桶合器1厳光辅岀右器2未光图5-10两个光纤88串联而成的全光纤激光関泵浦FBG FBGEDFIsolator8.2光纤激光器的结构可调谐光纤激光器,比染料激光器的光纤激光器有化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著。1,反射镜+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

12、次为M级，闪 耀角为a,光栅常数为d,则光栅方程为：2 dsin oc -=M Ad久2dcoscr d ocM只要转动衍射光栅， 使光束相对于光栅法线的 入射角在0C附近变化，就 能实现调节波长九。狀購岀ffis-u由反椭h光飜观振诙鄭硼觥冊魄可调谐激光器采用这种结构,利用氤离子激光器的514nm的免祜为泵浦 光，分别激励掺餌光纤及光纤，可调 谐的波长范围分别为25nm 和。由于分束器与光学元器件带来了腔内 损耗，导致阈值功率 提咼。波长(nm)(a)拶饮箪軽光纤(b)擔锐雎樓比纤图512护杂单樓光歼漱光簿的范BB和荧光谱五、窄带输出的光纤激光器通过光纤光栅的逸模作用:到窄帝 九b是布拉格波

13、长，d是光栅周期，心是有效折st*睨膜带光fll的硅块(a)整体结构=C址纵康输出激光线宽4血6 hrri全息光U硅块光纤 端口光纤竭口六、光纤Fox-Smith谐振腔一般地，14段及13段的谐振频率不同。 复合腔的纵模频率间隔为：2n(l 34)图5-16 光纤Fox - mith谐振胶选择适当的?3、仃以致于在 整个荧光线宽内只有一个 纵模在振荡。则可以实现 单纵模运转。复合腔结构8.2光纤激光器的结构可调谐掺Yb光纤激光器一、Littrow结构外腔调谐激光器的实验研究976 nm- OutputYb-DC fiber Coupler特点：开关时间较快，消光比大，脉冲宽度一般十几到几 十n

14、s，但插入损耗大，稳定性较差。980nm抽运隔离器掺银光纤. 电光 透镜调制器I何帀IJ命R偏振器75%输岀镜特点：开关时间快（几ns），消光比大（95 % ）,但插入损耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生 的电子干扰大。护 8.2光纤激光器的结构调Q光纤激光器A.非光纤型：可饱和吸收体被动调Q特点：在1.53mm得到O.lmJ能量，开关速度慢，插入损耗大护 8.2光纤激光器的结构调Q光纤激光器B.光纤型Q开关：光纤迈克尔逊干涉仪调Q光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作，消光比不高8.2光纤激光器的结构-锁模光纤激光器厂辛 980nm LDEDF980/1550nm WDMRef3d

15、B r3dBV、 QpPZTh八厂 IsolatoroutputFBGPZT Controller特点：全光纤型主动调Q,可产生ms脉冲，低插入损耗，但开关时间较慢锁模光纤激光器可作为高速通信系统的光源,有着光明的前途。高速光纤通信要求超短脉冲光源的脉宽为ps, 重复频率1GHZ-100GHZ,同时输出波长可调谐,因此研究工作集中在：高重复速率谐波锁模技术;多波长和可调谐锁模光纤激光器；锁模光纤激光稳频技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光器。锁模光纤激光器所谓锁模就是相位锁定，光纤激光器同时 运转在位于增益带宽内的大量纵模上，当 各纵模相位同步，任意相邻纵模相位差恒 定为一常数值时，就实现了锁

16、模。CavityLaser gainLcn$itu4ifialmodes111-H K-压血LLaser o诫 put人込二匕护_込二可2L0梓 D貞 DtS Frequency如图所示，经锁模时，超过闽值的大量纵模上，各个纵模的等频率 间隔为：当激光器处于自由运转时，在增益线宽范围内，激光频谱由等间隔（c/2乙） 的分离谱线组成，振幅是无规则的，相位在-石到+龙之间随机分布，在时域内， 其相位也是在TT到+龙之间无规则起伏，强度分布具有噪声特征。用响应时间为 T的接收元件探测非锁模激光器输出光功率时，接收到的光强“/）是所有满足阈 值条件的纵模光强的叠加，实际测得的光强是/（，）在tt+T这

17、段时间的平均值。叫（ 2-3）自由运转光纤激光器内的这2N+1个纵模的相位血之间是无关的，即 曲屮-必卜常数，而各纵模的相位本身受激光工作物质及腔长的热变形、泵浦能 量的变动等各种不规则扰动的影响八还会产生各自的漂移，即它们各自的相位在 时间轴上是不稳定的，所以各纵模Z间的相干项在时间平均下为零，平均输出光 强足各个不同频率光场的无规则叠加，不会出现相干加强或相干减弱的时域脉冲 波输出，而是呈现出存在幅度和相位噪声的连续波输出，其光场强度也随时间无 规则起伏。此即为多模自由振荡激光器，也称为多模连续波激光器。与自由多模振荡相反，如果能够采取适当的措施，使原本相互独立的纵模在 相位上相互联系起來

18、，出现同步，使之有一确定的关系，即保持相邻纵模的相位 差固定为一常数|如厂=常数)，则激光器将会输出脉宽极窄、峰值功率极高 的光脉冲。这种输;I；现象与上述自由多模振荡有本质区别，为考察激光输出与相位锁定的关系，假设各纵模具有相等的振幅处于介质增益曲线中心的模 其角频率为初始相位为0,以中心模为参考，各相邻模间的相位差为仅，纵 模间隔频率为Ae,假定第彳个振荡模为Eq 0)=仇 COS(% +0j 二俎(叫十 Z ” 十狞(2一4)则激光器输岀光场为：12-5)(/)=工毘 cos(q+qA0”+炉4=-Ar二Eq cos% 1 + 2cos(A少 +a) + 2cos2(&刃 +町+2cos

19、jV(A/ +Q)利用三角函数关系;可以得到:cos 0 + cos(20)+ . + cos(N0)=(1 )sin N0 cosu 丿如1)0(26)sin (2N + l)(A0/ + a) 二垃 cos(%r)sin -(Am+cz)-力 COS(0/)(27)sinMi(2N+1)(A07+g)脉宽35ps的主动锁模激光器作泵浦，经放 大后泵浦3km单模色散位移光纤，获得了宽200nm, 强度平坦的超连续光谱。SLi等人报道色散调谐波长技术使主动锁模激光的 调谐范围达12.1nmo南开大学在锁模光纤激光器方面作了诸多的研究工 作：基于Bragg光纤光栅调谐的锁模光纤激光器980nm

20、pumpISOi：10 couplerModulaterFBGRF driverEDFDC bias10% output实验k1558.4nm,脉宽：50ps波长：调谐范围：1553.92nm- 1561.27nm8.2光纤激光器的结构-锁模光纤激光器基于有理数谐波的锁模光纤激光器EDFRF driver8.2光纤激光器的结构-锁模光纤激光器8.2光纤激光器的结构-锁模光纤激光器基于關啾光栅色散的锁模光纤激光器980nm pumpE广doped fiberWDM90:10 couplerOCCFBGC_ modulatoroutputPCOQ实验结果：波长：155512nm，脉宽：60ps,嗯

21、啾度：5.28.2光纤激光器的结构-锁模光纤激光器双波长主动锁模光纤激光器实验结果：波长：155224nm, 1559.32nm; 脉宽：60.0ps问题与思考题?1、简述什么是激光器构成的三要素，光纤激光器满足三要素条件。2、不采用实际的腔镜，如何设计光纤激光器的 FP腔，给出设计方案并说明工作原理。3、如何设计一种环形腔光纤激光器，给出设计 方案同说明工作原理。4、如何设计一种环形腔光纤激光器，给出设计 方案同说明工作原理。问题与思考题?6、画出典型的双包层光纤的结构，并简述其特点。9、什么是激光器的调Q技术，设计一种光纤调Q激光 器，画出其结构，并简述其工作原理。10、什么是激光器的锁模技术，设计一种光纤锁模激光器，画出其结构，并说明工作原理。