光纖激光器簡介課件

光纖激光器

（FiberLaser）

報告人：孔德歡

學號：2光纖激光器簡介光纖激光器

（FiberLaser）光纖激光器簡介什么是光纖激光器光纖激光器的發(fā)展及分類光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)諧振腔結(jié)構(gòu)光纖激光器的特點及應用光纖激光器簡介光纖激光器的簡介光纖：光導纖維的簡稱，主要由纖芯、包層和涂敷層構(gòu)成。纖芯由高度透明的介質(zhì)材料制成，是光波的傳輸介質(zhì)；包層是一層折射率稍低于纖芯折射率的介質(zhì)材料，與纖芯構(gòu)成光波導，使大部分的電磁場被束縛在纖芯中傳輸；涂敷層一般由高損耗的柔軟材料制成，保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷，同時增加光纖的柔韌性。

光纖激光器：指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來。在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適當加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。光纖激光器簡介光纖激光器的發(fā)展

激光器問世不久，美國光學公司（Americanopticalcorporation）的Snitzer和Koester分別于1963年和1964年首先提出光纖激光器和放大器的構(gòu)思。1966年高錕和Hockham

提出了光纖通信的基本概念。1970年后光纖通信經(jīng)歷研究開發(fā)階段（1966-1976），實用化階段（1977-1986）。1986年以后迅速進入大規(guī)模光纖通信建設(shè)階段。隨著光通信的迅猛發(fā)展，光纖制造工藝與半導體激光器生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，為光纖激光器和放大器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。英國的南安普敦大學和通訊研究實驗室、德國漢堡技術(shù)大學、美國的PolaroidCorporation、Bell實驗室，日本的NTT、Hoya均在光纖激光器研究中取得許多重要成果。近年來，美國IPGPhotonics公司異軍突起，展示S、C、LBands的各種光纖放大器，高功率的EDFA，Raman光纖激光器和雙波長Raman光纖激光器，并推出各種商用摻Y(jié)b高功率光纖激光器，最大功率達1萬瓦；單模輸出功率高達1000W,光束質(zhì)量非常好。光纖激光器簡介光纖激光器的分類分類依據(jù)光纖激光器諧振腔的結(jié)構(gòu)F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔DBR光纖激光器、DFB光纖激光器光纖結(jié)構(gòu)單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器增益介質(zhì)稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應光纖激光器、單晶光纖激光器、塑料光纖激光器工作機制上轉(zhuǎn)換光纖激光器、下轉(zhuǎn)換光纖激光器摻雜元素釹（Nd）、鉺（Er）、鐿（Yb）、銩（Tm）、鐠（Pr）鈥（Ho）等15種輸出波長S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段（1565-1620nm）輸出激光脈沖激光器、連續(xù)激光器光纖激光器簡介光纖激光器的基本理論光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)

激光產(chǎn)生的條件：形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提供光反饋，滿足激光振蕩的閾值條件。

激光器一般由三部分組成：激光工作物質(zhì)（摻雜光纖）、泵浦源（半導體激光二極管）、光學諧振腔（線形腔、環(huán)形腔等）。泵浦光摻雜光纖腔鏡腔鏡輸出激光光纖激光器簡介摻雜離子的能級結(jié)構(gòu)1.三能級系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)鉺離子（Er3+）能級結(jié)構(gòu)4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)光纖激光器簡介2.四能級系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)釹離子（Nd3+）能級結(jié)構(gòu)4G7/24F5/24F3/24I15/24I13/24I11/24I9/2800nm泵浦920nm1060nm1350nm激發(fā)態(tài)吸收1330nm無輻射躍遷下能級高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)吸收是指處于上能級的粒子吸收泵浦能量向更高能級躍遷的過程，是一種能量的無效損耗，降低泵浦效率。光纖激光器簡介3.上轉(zhuǎn)換能級的結(jié)構(gòu)

可見光波段激光的產(chǎn)生源于上轉(zhuǎn)換過程。頻率上轉(zhuǎn)換是指來自同一（或不同）泵浦激光器的多個光子被摻雜離子同時吸收，該離子躍遷到能極差大于單個泵浦光子能量的能級上，使得激光器的工作頻率高于泵浦光頻率的過程。1060nm泵浦1060nm泵浦480nm1G43F23H43H53F43H61060nm泵浦銩離子（Tm3+）上轉(zhuǎn)換能級圖光纖激光器簡介光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)1.線形腔泵浦光摻雜光纖M1M2輸出激光A）腔鏡在光纖端面耦合。要求：1）腔鏡緊密地貼近光纖端面

，從而避免散射損耗。2）高精度地調(diào)整光纖或腔鏡的相對位置，因為只要光纖端面或腔鏡稍有傾斜，損耗就會迅速增大，給調(diào)整帶來困難。B）將腔鏡直接鍍在拋光后的光纖端面上。缺陷：面反射鏡要求光纖端面拋光性能好，沒有細微缺陷；高功率密度的泵浦光透過端面腔鏡，會對腔鏡的絕緣鍍層損壞，降低激光器的性能。M1全反M2部分反射光纖激光器簡介為了避免泵浦光對腔鏡的損壞：1）用波分復用耦合器直接將泵浦光耦合進入腔內(nèi)；2）用光纖Bragg光柵(FBG)代替腔鏡，將FBG直接刻在腔內(nèi)的光纖上或?qū)⒖毯玫腇BG熔結(jié)在腔內(nèi)光纖上。光纖Bragg光柵可取代F-P腔兩端的高反射鏡，構(gòu)成全光纖激光器，同時消除了腔鏡與光纖的耦合損耗。下圖分別為分布Bragg反射（DBR）和分布反饋（DFB）結(jié)構(gòu)光纖激光器

。

EDFFBGFBG1FBG2DBR光纖激光器DFB光纖激光器光纖激光器簡介2.環(huán)形腔環(huán)形腔的優(yōu)點在于可以不使用反射鏡構(gòu)成全光纖腔，最簡單的設(shè)計是將WDM耦合器的兩個端口連接起來形成一個連著摻雜光纖的環(huán)腔，如下圖所示。光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的核心部分是光纖定向耦合器。耦合器的兩個臂（1,2點）連接在一起，構(gòu)成了光在其中傳輸?shù)难h(huán)行程。耦合器起到了“介質(zhì)鏡”的反饋作用，并形成了一環(huán)形諧振腔。簡單的光纖環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)光纖激光器簡介

PCISODopedfiberWDMoutputpump環(huán)形腔光纖激光器結(jié)構(gòu)圖波分復用（WDM）耦合器的兩端連接在一起形成了環(huán)形腔，環(huán)內(nèi)串接著摻雜光纖；插入了隔離器（ISO:Isolator）以保證激光的單向運轉(zhuǎn)。如果摻雜光纖為非保偏的普通光纖，還需要使用偏振控制器（PC：PolarizationController）。光纖激光器簡介980/1550nmWDMEDFpumplaseroutputISO環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)圖filtercouplerPC波長選擇器件光纖激光器簡介3.其它腔型結(jié)構(gòu)

光纖圈反射器（光纖環(huán)形鏡），結(jié)構(gòu)如下圖所示，包含一個定向耦合器和該耦合器兩輸出端口連接在一起形成的一個光纖圈。

工作原理：假設(shè)耦合器耦合系數(shù)為0.5，若光波從端口1進入耦合器，耦合器將一半光功率耦合到端口3，將另一半耦合到端口4，即有一半輸入光沿光纖圈順時針方向傳播，另一半沿逆時針傳播。當它們再次在輸入端相遇時經(jīng)歷了相同的相移，干涉相長的結(jié)果使其完全反射回腔內(nèi)。實際中有部分光從2端口輸出。光纖激光器簡介

光纖圈諧振腔，與環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)類似，基于定向耦合器。不同的是進入光纖圈的光波可以通過另一端輸出，還可以再次通過輸入端輸出，成為向后傳播的光波，這兩種波分別為透射波和反射波。這個裝置本質(zhì)上來說是一個干涉儀。兩個光纖圈串聯(lián)的激光器結(jié)構(gòu)

光纖激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)還有“8”字形腔、Fox-Smith諧振腔及一些輸出可調(diào)諧振腔等。光纖激光器簡介光纖激光器的特點1.光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性。2.成本低。硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并使用相對廉價的半導體激光二極管作為泵浦源，降低了成本。3.轉(zhuǎn)換效率高。光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導波介質(zhì)，因此泵浦光的耦合效率非常高；纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，加上光纖激光器能方便地延長增益長度，使泵浦光充分吸收，轉(zhuǎn)換效率較高。4.輸出波長多，調(diào)諧方便。作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，稀土離子擁有極為豐富的能級結(jié)構(gòu)，能級躍遷覆蓋了從紫外到紅外很寬的波段，可實現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級很多。由于稀土離子能級寬加上玻璃光纖的熒光譜相當寬，插入適當?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍寬。光纖激光器簡介5.溫度穩(wěn)定性好?；|(zhì)材料是SiO2，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而且光纖結(jié)構(gòu)具有較高的面積－體積比，所以其散熱效果很好。6.結(jié)構(gòu)簡單，小型化。由于光纖激光器的圓柱形幾何尺寸，容易耦合到系統(tǒng)中，采用光纖光柵、耦合器等光纖元件極大地簡化了激光器的設(shè)計和制作，加上光纖極好的柔韌性，可設(shè)計得小巧靈活。7.諧振腔內(nèi)無光學鏡片，腔鏡可直接制作在光纖截面上，或采用光纖耦合器方式構(gòu)成諧振腔，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點。8.兼容性好。與常規(guī)傳輸光纖在材料和幾何尺寸上具有自然的通融性和兼容性，因此易于進行光纖集成，耦合損耗低，使用方便。9.可在惡劣的環(huán)境條件下工作，如高沖擊、高震動、高溫度等。注：缺點有：線寬窄，噪聲高，相對一般半導體激光器價格高。光纖激光器簡介光纖激光器應用

光纖激光器有著波導式結(jié)構(gòu)，可容強泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點，在通信、傳感、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、激光印制等領(lǐng)域有著廣闊的前景。

在通信方面，光纖激光器提供的1.30μm和1.55μm波段的激光是通信的兩個低損耗窗口。光纖激光器不僅能產(chǎn)生連續(xù)激光輸出，而且能實現(xiàn)ps-fs超短光脈沖的產(chǎn)生，在DWDM系統(tǒng)有巨大的潛在應用。光纖激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度