光纤激光器lp2011

光纤激光器的发展简史1963年，美国光学公司的E.Snitzer等提出了光纤激光器和光纤放大器的构思。1970年后，光纤通信经历了研究开发阶段。1975～1984这十年中，光纤通信进入了实用化阶段，低损耗的硅单模光纤和半导体激光器等位光纤激光器的研制铺平了道路。20世纪80年代，英国的南安普顿大学的S.B.Poole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤。英国通信研究实验室（BTRL）于1987年报道了其研究结果，并向人们展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置。国外：英国的SPI公司（南安普顿大学光学研究中心）、美国的IPG、日本的NTT以及俄罗斯的IREPolus公司国内：清华大学、中国科技大学、南开大学、吉林大学以及原邮电部和电子部所属的一些研究单位光纤激光器基本原理及特点光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而光纤本身又起到导波作用的固体激光器。由工作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。光与掺杂光纤的相互作用光纤激光器基本原理及特点激射状态三能级激射四能级激射光纤激光器结构光纤激光器的分类光纤激光器分类表半导体激光器的缺点：1.半导体激光器对温度敏感。环境温度的变化和注入电流的热效应都会使激光器的阈值电流以及输出光功率发生变化，这种现象称为激光器的结发热效应。为此必须采取各种复杂的控制措施和插入各种必要的辅助设备。2.半导体激光器与光纤的耦合比较困难，需要很高的工艺水平，即便如此，仍有较大的耦合损耗。3.某些半导体激光器在一定注入电流下，输出光会出现自脉动现象，严重影响着激光器的高速脉冲调制性能。4.半导体激光器一致性很差，因此在作为WDM系统用光源时筛选难度大。光纤激光器的优点光纤激光器的优点：1.光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度，使得激光效率大幅度提高；它所基于的SiO2光纤的生产工艺现在也已经非常成熟，可以制作出高精度、低损耗的光纤。2.光纤激光器基质是SiO2，具有极好的温度稳定性；而光纤结构具有较高的面积－体积比，所以其散热效果很好。3.光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性，因此易于进行光纤集成，与通信线路耦合损耗低，使用方便可靠。§1掺杂光纤一、掺杂元素掺稀土元素——镧系[Xe6S2]，外层都为为5S25P66S2镧系元素电子结构的差别只在4f壳层的电子占有数。1、掺杂浓度最佳在数百ppm量级。太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。太高：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效应，不利于产生激光。2、掺杂光纤的基质（1）石英玻璃石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响：产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。（2）重金属氟化物玻璃优点：•通光窗口宽，在300-8000nm范围透过率很高。•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。二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性1、Er3+、Nd3+的电子能级4I13/24I15/2Er3+Nd3+能级分裂4F5/24F3/24F5/22、掺稀土光纤的光谱特性掺钕光纤：使用800nm、900nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、1350nm波长处得到激光。掺铒光纤：使用800nm、900nm、1480nm波长的泵浦光源，将在1536nm波长处得到激光。Er3+Nd3+3、掺杂光纤的激光特性•掺铒的三能级系统：基态E1、亚稳态E2、高能级E3。从E3——E1，泵浦几率为WP。•E3非辐射——E2，几率为S32；E3自发辐射和非辐射——E2、E1，几率为A31、S31。•选择工作物质要求：A31和S31S32以及S32WP(3-1)，•N2N1。一般选择A21较小的工作物质。•因此有速率方程组：dN3/dt=N1WP-N3(S32+A31)dN2/dt=N1W12+N3S32–N2W21–N2(A21+S21)N1+N2+N3=NtNt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。可见，只要WP足够大，就能实现粒子数反转，掺稀土光纤就变成激活介质，对频率为(E2-E1)/h的信号具有放大作用。一、F——P腔1，结构M1:对泵浦光高透；对激光高反M2:对激光部分反射，部分透射2，光传输特性理论——波动光学。假设：谐振腔内的光纤伸直；为阶跃折射率弱波导光纤。§2光纤激光器的谐振腔掺杂光纤腔镜腔镜光纤激光器Fabry-Perot腔结构示意图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：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)：])(2[exp021LGIrrIni)(2121rrnlLGni12nqL增益系数平均损耗系数光纤光栅Fabry-Perot腔分布布拉格反射（DBR）光纤激光器：使用两个较高反射率的光纤光栅作为反射镜置于掺杂光纤的两端，构成线形谐振腔来增强模式选择，可以把光纤光栅熔接到掺杂光纤上，也可以直接把光纤光栅写到掺杂光纤上。分布反馈（DFB）光纤激光器：利用直接在稀土掺杂光纤写入的光栅来构成谐振腔的。有源区和反馈区同为一体，只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，因而频率稳定性较好，边模抑制比高。环形镜环形镜光纤环形镜Fabry-Perot腔透射反射inrintPkkPPkP)1(4)21(2：反射功率与透射功率为反射透射光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射。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：为整数。mmLLLL,4)12(2221L1L2L掺杂光纤2.环形腔PCISODopedfiberWDMoutputpump环形腔光纤激光器结构图980/1550nmWDMEDFpumplaseroutputISO窄带滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图filtercouplerPC光纤光栅滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图并列光栅型环形腔掺铒光纤激光器结构图1、可调谐光纤激光器光纤激光器有较宽的波长调节范围，比染料激光器的化学性质更稳定，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次为M级，闪耀角为，光栅常数为d，则光栅方程为：dMddMdcos2sin2只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的入射角在附近变化，就能实现调节波长。§3几种常见的光纤激光器①DM&FibertaperLDPM30Multi-lensDichronicMirrorTmFiberFBG②DM&FiberBragGratting793nmLDFBG1FBG2DCFTm3+-dopedFiberLaserOutputIsolatorPZT③DBR(DistributedBragReflector)Laser④FFPTunableFilter&FBGPumpLDWDMTmdopedFiberFBGCirculatorFPTunableFilterCouplerOutputpump123FiberMirrorUmpumpedTm-dopedFiberTm-dopedFiberISOOC1550/2000nmWDMCirculatorFibertaperfilterLaseroutput10%3、窄带输出的光纤激光器Thegainfiberisa2cmphosphatefiberwithcorediameterof5.4um,withthesmallsignalgaincoefficientis4.2dB/cmat1535nm.Abulkmirror(99.5%reflectivityat1535nm)playstheroleofonecavityfeedbackwhiletheothercavityfeedbackisprovidedbyaFBGwith60%reflectivity.ZhengqingPan,QinfengXu,RonghuiQuetal.Single-PolarizationOperationofPhosphateFiberLaserInducedbyExternalFeedback.IEEE,2009.Outputpower:100mWSMSR:56dBLinewidth:3kHzSlopeefficiency:24%通过光纤光栅的选模作用：达到窄带输出。B是布拉格波长，d是光栅周期，ne是有效折射率。dneB2光纤Fox-Smith谐振腔一般地，1——4段及1——3段的谐振频率不同。复合腔的纵模频率间隔为：选择适当的l3、l4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。)(2243llnf1.1964年后，又发展起一门新的脉冲压缩技术——锁模技术,这种技术把瞬间即逝的世界展现到了人们面前2.首先回顾一下自由运转多模激光器的输出特性自由运转激光器通常包含有多个纵模，纵模频率为=2qqqccqLL假设每个纵模的电场表示为0()cos()qqqqEtEt则自由运转多模激光器的输出为()()qqEtEt由于自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相干选加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即qqII4、锁模光纤激光器4.1锁模原理2.锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。3.设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模式的圆频率之差，则0qqNNqqtqΩiEtE])(exp[)(0Lc4.如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则0001sin(21)()2()1sin()2NititiqtqNNtEtEeeEet2202sin(21)2()sin2tNItEt4.1锁模原理5.图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。当时，m=0，1，2……光强最大图4-30锁模光强脉冲2tm22022022sin(21)2()lim(21)sin2tmtENItNEt相邻脉冲峰值间的时间间隔22LTc脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔21(21)21TNN)12(20)2sin(0]2)12sin[(NnmtttN但锁模激光的带宽，所以带宽越宽，则脉冲会越窄主动锁模被动锁模按锁模机制分类4.2主动锁模1.损耗内调制锁模图(4-31)锁模调制示意图如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调制周期为，调制频率(恰为纵模频率间隔)cLΩTm22Lcνm2从时域理解锁模脉冲的形成:因为(振幅)损耗调制的频率为，相应的周期恰好是光子在腔内往返一周的时间。Lcνm2腔内各个纵模中的某些光子，如果是在调制器损耗为零时通过，则在腔内往返一周后，所受到的损耗仍然为零。只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起来，如此得到周期为T的窄脉冲输出4.2主动锁模1.损耗内调制锁模从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：0νtνtνMEtνtνEEtEmmm00002cos)2cos1(2cos)2cos()(tννMEtννMEtνEtEmm)(2cos2)(2cos22cos)(000000图(4-32)中心频率及两边频即在激光器中，一旦形成的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图（4－32）。0ν腔内传播