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1、第五章 光纤激光器,光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而该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。 优点： 散热性能好、转换效率高、激光阈值低； 谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等。 可获得宽带的可调谐激光输出，并调节激光输出。 光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。,本章主要内容： 1 掺杂光纤 2 光纤激光器的谐振腔 3 掺稀土元素的光纤激光器 4 超荧光光纤激光器(SFS),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
2、浓度 最佳在100ppm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300-8000 nm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、Er 3+、Nd 3+的电子能级,4I13/2,4I 15/2,Er 3+,Nd
3、 3+,能级分裂,4F 5/2,4F 3/2,4F 5/2,2、掺稀土光纤的光谱特性,掺钕光纤： 使用800nm、900nm、 530nm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、530nm波长的泵浦光源，将在900nm、1060nm、 1536nm波长处得到激光。 掺铒光纤存在最佳光纤长度（约10m）。,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，跃迁几率为WP 。 E3 非辐射E2 ，几率为S32； E3 自发
4、辐射和非自发辐射E2 、 E1 ，几率为A32、A31、 S31。 选择工作物质要求： A32、A31和S31 S32 以及 S32 WP(3-1) ， N2 N1。 一般选择A21较小的工作物质。,A32,因此有速率方程组： dN3/dt=(N1-N3) WP -N2 S32 dN2/dt=N1 W12 +N3 S32N2 W21 N2(A21 +S21) N1+N2 +N3= Nt Nt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(1-3)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、FP腔
5、 1，结构 M1: 对泵浦光高透；对激光高反 M2: 对激光高反（低增益系统95%；高增益系统 75%） 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,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)：,增益系数,平均损耗系数,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；轴线方向形成驻波， 称为纵模。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LPml表示，
6、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从0到2光场的变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数(节线数)。 LP01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 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；如此反复。其中储存了能量。,掺杂光纤,耦合器： 4端出射光比1端入射光停滞后/2。,2、光纤圈反射器 普通单模光纤制成的耦合器的重要特性：只要在工作波长下单模运行，在两个输出端与输
7、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 /2。 光纤圈的功率反射率R、透射率T为： 从2端的透射功率总和为0： 134 2 的的顺时针光 场相位差为0，与从1 4 3 2的逆时针光场的相位差为。 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。,SMF,3、光纤圈谐振腔 光纤圈为非谐振的干涉仪结构。注意分束器的取向。其中没有能量储存。,透射,反射,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。,4、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔，通过一条掺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
8、效腔长为：,L1,L2,L,掺杂光纤,三、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：,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。,可调谐激光器 采用这种结构，利用氩离子激光器的514nm的光作为泵浦光，分别激励掺铒光纤及掺钕光纤,可调谐的波长范围分别为25nm和80nm。 由于分束器与光学元器件带来了腔内损耗，导致阈值功率提高。,14 nm,11 nm,四、(反射镜+光
9、纤圈反射器形式)可调谐输出激光器 光纤圈的功率反射率为：,激光反射率大于95%,泵浦光反射率为5%,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。,五、窄带输出的光纤激光器 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。,激光线宽0.06 nm,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： 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。,5.3 掺稀土元素的光纤激光器,以980 nm的半导体光源作为泵浦源； 掺Er 3+光纤中Er 3+的受
10、激辐射产生Laser。,一、掺Er 3+光纤激光器的示例1、Er 3+的三能级系统,能级分裂,由合适长度的掺Er 3+光纤、980nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的L. Reekie教授于1987年实现。,斜率效率 =输出功率/吸收功率% =3.3%,输入镜,输出镜,吸收功率 mW,二、掺Nd3+光纤激光器的示例,由合适长度的掺Nd 3+光纤、800nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的R.J. Mears教授于1985年实现。,4F 5/2,4F 3/2,Er 3+ 、
11、Nd 3+的吸收与辐射,GaAs激光二极管的输出功率 mW,光纤激光器输出功率/mW,泵浦功率与光纤激光器的输出功率,优点： 不需要水冷即可工作； 不容易饱和。,分类： 根据泵浦光与超荧光传播方向的异同，以及光纤两端是否存在反射分类。,5.4 超荧光光纤激光器(Superfluorescent Fiber source),单程反向,双程前向,单程前向,双程反向,原理： 由于泵浦光的激励，粒子数反转。如果亚稳态的粒子自发辐射，产生光子的传输在光纤接收角内，就能够在光纤内传输，诱发许多亚稳态的粒子受激辐射跃迁，并产生完全相同的光子而放大。 如果光纤的增益足够，就称之为放大的自发辐射（Amplifi
12、ed Spontaneous Emitting, ASE） 。 特点：与普通光纤激光器相比，没有谐振腔。,SFS的原理、特点,双程前向及双程后向掺铒光纤激光器,Fig.2 输出功率与掺铒光纤长度的关系,超过最佳长度将被再吸收,Fig.3 不同长度光纤的泵浦功率与波长的关系,光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系,DPF: 因为1535nm处的ASE信号比1550nm处的ASE信号增长快，所以小的反射率也有大的带宽 DPB: 反射率达到50%时，1535nm处的ASE信号饱和，而1550nm处的ASE信号继续增强，所以带宽增加。,作业作图分析题 讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理。 举例说明3种谐振腔的原理和应用范例。 怎样才能得到波长可调谐激光？怎样才能得到窄谱激光？说明理由。 举例说明2种光纤激光器构成和产生激光的原理。,