光纖激光器精選PPT演示文稿

1、1,第八章如何使信號(hào)源更強(qiáng),哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院 光子科學(xué)與技術(shù)研究中心 2007年3月,第八章 如何使信號(hào)源更強(qiáng),8.1 光纖激光器簡(jiǎn)介 8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 8.3 光纖激光器的實(shí)驗(yàn),1. 20世紀(jì)60年代初，美國(guó)光學(xué)公司的（斯尼澤）Snitzer首次提出光纖激光器的概念。 2. 70年代初美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)的研究機(jī)關(guān)開展了一般性研究工作。 3. 1975年至1985年，由于半導(dǎo)體激光器工藝和光纖制造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國(guó)的南安普敦大學(xué)和通信研究實(shí)驗(yàn)室、西德的漢堡大學(xué)、日本的NTT、美國(guó)的斯坦福大學(xué)和Bell實(shí)驗(yàn)室，相繼開展了光纖激光器的研究工作，成果累累,光纖激光器的

2、發(fā)展,1985年英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究組取得突出成績(jī)。他們用 MCVD方法制作成功單模光纖激光器 ,此后他們先后報(bào)道了光纖激光器的調(diào)Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。英國(guó)通信研究實(shí)驗(yàn)室(BTRL )于 1987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置,同時(shí)在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領(lǐng)域中也做了大量的基礎(chǔ)工作,在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長(zhǎng)的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。世界上還有很多研究機(jī)構(gòu)活躍在這個(gè)研究領(lǐng)域 ,如德國(guó)漢堡技術(shù)大學(xué) ,日本的 NTT、 三菱 ,美國(guó)的 貝爾實(shí)驗(yàn)室 ,斯坦福大學(xué)等。 20世紀(jì)80年代后期，光纖光柵的問(wèn)世和工藝的成熟，為光纖激光器注入了新

3、的生命力，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化,光纖激光器的發(fā)展,1988年 , E. Snitzer等提出了雙包層光纖 ,從而使一直被認(rèn)為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。 90年代初，包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了45個(gè)數(shù)量級(jí)，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑。 進(jìn)入 21世紀(jì)后 ,高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進(jìn) ,最高輸出功率記錄在短時(shí)間內(nèi)接連被打破 ,目前單纖輸出功率 (連續(xù) )已達(dá)到 2000W 以上,光纖激光器的分類,按諧振腔結(jié)構(gòu)分類：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 按光纖結(jié)構(gòu)分

4、類：?jiǎn)伟鼘庸饫w激光器、雙包層光纖激光器 按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器 按摻雜元素分類：摻鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）鐿（Yb3+）、鈥（Ho3+） 按輸出波長(zhǎng)分類：S-波段（12801350nm）、C-波段（15281565nm）L-波段（15611620nm） 按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器,光纖激光器的優(yōu)點(diǎn),光纖激光器近幾年受到廣泛關(guān)注，這是因?yàn)樗哂衅渌す馄魉鶡o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在: (1)光纖激光器中，光纖既是激光介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，因此泵浦光的耦合效率相當(dāng)?shù)母?，加之光纖激光器能方便地延長(zhǎng)增

5、益長(zhǎng)度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光-光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)60%； (2)光纖的幾何形狀具有很大的表面積/體積比，散熱快，它的工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達(dá)140mW/cm； (3)光纖激光器的體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活，使用方便； (4)作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子和承受摻雜的基質(zhì)具有相當(dāng)多的可調(diào)參數(shù)和選擇性，光纖激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455-3500nm)設(shè)計(jì)運(yùn)行，加之玻璃光纖的熒光譜相當(dāng)寬，插入適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達(dá)80nm,5)光纖激光器還容易實(shí)現(xiàn)單模,單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖； (6)光纖激光

6、器增益高，噪聲小，光纖到光纖的耦合技術(shù)非常成熟，連接損耗小且增益與偏振無(wú)關(guān)； (7)光纖激光器的光束質(zhì)量好，具有較好的單色性、方向性和溫度穩(wěn)定性； (8)光纖激光器所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此，可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。 由于光纖激光器具有上述優(yōu)點(diǎn)，它在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示、激光印刷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,通信:在光通信領(lǐng)域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實(shí)現(xiàn)單模、單頻和低噪聲，并被應(yīng)用于光通信和光傳感系統(tǒng)中，特別是可應(yīng)用于密集波分復(fù)用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外調(diào)制的摻鉺光纖激光器在1

7、996年就能提供傳輸距離654km，速率為2.5Gb/s的信號(hào)，與DBF半導(dǎo)體激光器性能類同，但后者難以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)特定。劉頌豪院士認(rèn)為，光纖光孤子激光器、光纖放大器和光孤子開關(guān)是三項(xiàng)使孤子通信走向?qū)嵱没闹饕夹g(shù)。光孤子通信傳輸距離可達(dá)百萬(wàn)公里，傳輸速率高達(dá)20Gb/s，誤碼率低于10-13，實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)通信,軍事:美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高到千瓦數(shù)量級(jí)。定向能量瞄準(zhǔn)項(xiàng)目中的激光集成技術(shù)分項(xiàng)目的研究人員正與加州San Jose市的SDL公司合作，開發(fā)高亮度、光照面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前看好的化學(xué)激光器。 工業(yè)加工:激光波長(zhǎng)在1080nm附近的

8、摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統(tǒng)的YAG激光器相媲美。在打標(biāo)領(lǐng)域，由于光纖激光器具有高的光束質(zhì)量和定位精度，使其不僅在微米量級(jí)對(duì)半導(dǎo)體及包裝打標(biāo)效率極高，而且也常被用于塑料和金屬打標(biāo)中。激光印刷:雙包層光纖激光器，因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率而大量進(jìn)入印刷市場(chǎng)，印刷廠利用它可進(jìn)行校樣的制模。 醫(yī)療:功率超過(guò)幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術(shù)中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射源,光纖激光器原理,激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理?xiàng)l件，在一般的激光器中，這些條件是通過(guò)下面三部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也可以叫作構(gòu)成激光器的三要素。 1. 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在通

9、常的情況下，任何材料處于平衡態(tài)時(shí)部是低能態(tài)電子數(shù)遠(yuǎn)大于高能態(tài)電子數(shù)，當(dāng)外來(lái)光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電了又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。所以，為了獲得粒子反轉(zhuǎn)，就需要極大的激發(fā)強(qiáng)度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強(qiáng)度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時(shí)，很大的激發(fā)功率也可能損壞材料,2諧振腔,激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔結(jié)構(gòu)，它是由兩個(gè)反射率很高的相互個(gè)行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)半的受激光發(fā)射就是在共振腔個(gè)形成的。 如果共振腔內(nèi)的激光材料已達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么共振腔兩端面

10、之間來(lái)回反射的光在傳播過(guò)程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過(guò)程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng),雖然在光傳播的過(guò)程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下來(lái)，其余的自發(fā)躍遷受到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔共振頻率的限制，只有滿足共振條件的那些光被加強(qiáng)、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內(nèi)形成一個(gè)具有特定頻率的足夠強(qiáng)的激發(fā)光場(chǎng)。 共振腔還有另一個(gè)作用：在共振腔內(nèi)形成的受激光一部分通過(guò)共振腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回

11、來(lái)，在共振腔內(nèi)繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔內(nèi)的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，就可以獲得連續(xù)的受激光發(fā)射,2諧振腔,3功率源,為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中激光材料的增益達(dá)到閾值增益，也就是說(shuō)要使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到一定的程度，稱為閾值反轉(zhuǎn)密度。 因此激光器的第三個(gè)要素就是要有一個(gè)功率源，它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉(zhuǎn)密度。在半導(dǎo)體激光器中這一功率源是以電能形式提供激發(fā)功率的,光纖激光器基本原理,光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵(lì)光躍遷的泵浦源三部分組成,激光輸出,未轉(zhuǎn)換的泵浦光線,稀土摻雜光纖,泵

12、浦光,稀土類摻雜光纖激光器,稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+、 Nd3+ 、Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。 摻鉺(Er3+)光纖在1.55m波長(zhǎng)具有很高的增益，正對(duì)應(yīng)低損耗第三通信窗口，由于其潛在的應(yīng)用價(jià)值，摻鉺(Er3+)光纖激光器發(fā)展十分迅速。 摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長(zhǎng)1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相當(dāng)寬的吸收帶(8001064nm)以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶(9701200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。 摻銩(Tm3+)光纖激光器的激射波長(zhǎng)為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。T

13、Komukai等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率59的1.47m摻Tm3+光纖激光器,對(duì)于通訊應(yīng)用，目前認(rèn)為摻Er光纖激光器最適宜，因?yàn)樗芄ぷ髟谑⒐饫w最低損耗波長(zhǎng)1.51m處，調(diào)諧范圍50nm，可供多路光頻復(fù)用。它的泵浦波長(zhǎng)可在0.807m、0.980m和1490m，但目前最易得到的是0.980m的激光二極管，它能提供連續(xù)編出幾百mw，Q開關(guān)的15ns脈沖功率100w。理論上有可能獲得1kw。 Er3+(4F13/24I15/2)有1.54m發(fā)射譜線，與Nd激光器一樣，用0.514m的激光泵浦，便可產(chǎn)生振蕩，其熒光光譜有1.534和1.549m峰，壽命812ms。 Er激光為三能級(jí)激光

14、，因此用塊狀材料實(shí)現(xiàn)連續(xù)振蕩比較困難，但用纖維激光器，可實(shí)現(xiàn)空運(yùn)連續(xù)振蕩，閾值30mw左右。插入衍射光柵，也可在1.531.55m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)性,稀土類摻雜光纖激光器,其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0m附近有很強(qiáng)的中紅外吸收峰，對(duì)鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對(duì)人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學(xué)研究上有廣闊的應(yīng)用前景,稀土類摻雜光纖激光器,激光是由Er3能級(jí)的4I13/2至4I15/2的躍遷產(chǎn)生，屬三能級(jí)系統(tǒng)。器件效率較低，同時(shí)存在激光態(tài)吸收的問(wèn)題，研究工作圍繞如何提高器件的效率展開。 Er3光纖光柵激光器的缺點(diǎn)是對(duì)泵浦光的吸收效率

15、和斜率效率低、頻率不太穩(wěn)定（跳?，F(xiàn)象）。為解決這些問(wèn)題，采用Er3 Yb3共摻的光纖作為增益介質(zhì)。 Yb3離子起著吸收泵光（980nm），然后迅速轉(zhuǎn)移給Er3離子，以實(shí)現(xiàn)1.5 m區(qū)的放大器，對(duì)泵光的吸收能力可提高2個(gè)數(shù)量級(jí),8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 摻Er光纖激光器,2F5/2,2F7/2,4I11/2,4I13/2,4I15/2,Yb3,Er3,其原理如圖所示,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 摻Er光纖激光器,摻Y(jié)b3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長(zhǎng)的抽運(yùn)源，在9701200nm波段獲得激光，并可進(jìn)行寬帶調(diào)諧；同時(shí)，這種光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅、多聲子躍遷等消激發(fā)過(guò)程，

16、能夠獲得很高的能量轉(zhuǎn)化效率。由于以上優(yōu)點(diǎn)及其廣闊的應(yīng)用前景，摻Y(jié)b3+光纖激光器受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)摻Y(jié)b3光纖激光器,第八章 如何使信號(hào)源更強(qiáng),8.1 光纖激光器的工作原理 8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 8.3 光纖激光器的實(shí)驗(yàn),8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu),F-P 線形腔摻鉺光纖激光器,光在腔內(nèi)傳輸來(lái)回一次后的光強(qiáng)為： 要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求： 反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強(qiáng)。則腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)滿足(駐波條件,增益系數(shù),平均損耗系數(shù),縱模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場(chǎng)為腔的本征模式光場(chǎng)。特點(diǎn)：與軸線垂直的橫截面光場(chǎng)穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波

17、， 稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場(chǎng)穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角從0到2光場(chǎng)的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場(chǎng)的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑,二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器 1、光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由1端進(jìn)入，經(jīng)耦合器進(jìn)入環(huán)行腔。激勵(lì)的激光與泵光無(wú)關(guān)。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復(fù)。其中儲(chǔ)存了能量,摻雜光纖,耦合器： 4端出射光比1端入射光停滯后/2,2、

18、光纖圈反射器 普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長(zhǎng)下單模運(yùn)行，在兩個(gè)輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位 /2。 光纖圈的功率反射率R、透射率T為： 從2端的透射功率總和為0： 134 2 的的順時(shí)針光 場(chǎng)相位差為0，與從1 4 3 2的逆時(shí)針光場(chǎng)的相位差為。 兩光場(chǎng)因?yàn)檎穹嗤?、相位相?而抵消，總和為0 。光從1返回,SMF,3、光纖圈諧振腔 光纖圈為非諧振的干涉儀結(jié)構(gòu)。注意分束器的取向。其中沒有能量?jī)?chǔ)存,透射,反射,反射,透射,光波既可以通過(guò)另一端輸出；又可以再?gòu)妮斎攵朔瓷?4、全光纖激光器 兩個(gè)光纖圈反射器串聯(lián)起來(lái)組成的諧振腔，通過(guò)一條摻雜光

19、纖熔錐而成的全光纖激光器。 激光器要實(shí)現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長(zhǎng)為,L1,L2,L,摻雜光纖,泵浦,環(huán)形器,EDF,FBG,FBG,FBG,泵浦,WDM,EDF,WDM,Output coupler,泵浦,PC controller,EDF,Isolator,Output,環(huán)形 腔摻鉺激光器,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu),三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有較寬的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運(yùn)行，潛在應(yīng)用價(jià)值顯著。 1，反射鏡+光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵，若對(duì)激光中心的閃耀級(jí)次為M級(jí)，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為,只要轉(zhuǎn)動(dòng)衍射光

20、柵，使光束相對(duì)于光柵法線的入射角在 附近變化，就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波長(zhǎng),可調(diào)諧激光器 采用這種結(jié)構(gòu)，利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦光，分別激勵(lì)摻鉺光纖及摻釹光纖,可調(diào)諧的波長(zhǎng)范圍分別為25nm和80nm。 由于分束器與光學(xué)元器件帶來(lái)了腔內(nèi)損耗，導(dǎo)致閾值功率提高,14 nm,11 nm,五、窄帶輸出的光纖激光器 通過(guò)光纖光柵的選模作用： 達(dá)到窄帶輸出。B是布拉格波長(zhǎng)， d是光柵周期，ne是有效折射率,激光線寬0.06 nm,六、光纖Fox-Smith諧振腔 一般地，14段及13段的諧振頻率不同。復(fù)合腔的縱模頻率間隔為： 選擇適當(dāng)?shù)膌3、l4以致于在 整個(gè)熒光線寬內(nèi)只有一個(gè) 縱模在振蕩。則可以實(shí)

21、現(xiàn) 單縱模運(yùn)轉(zhuǎn),復(fù)合腔結(jié)構(gòu),一、Littrow結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器的實(shí)驗(yàn)研究,調(diào)諧范圍：1040nm1107.6nm ，功率：34mW,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器,輸出功率隨激光波長(zhǎng)的變化關(guān)系,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器,重要參數(shù),斜率效率： 輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量 也就是輸出激光功率隨泵浦功率變化曲線線性部分的斜率，一般用百分?jǐn)?shù)表示,單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點(diǎn)受到普遍關(guān)注，得到了長(zhǎng)足發(fā)展。但是，由于泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內(nèi)，光光轉(zhuǎn)換效率較低；同時(shí)，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制

22、了其輸出功率的水平。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級(jí)，研究工作和開發(fā)應(yīng)用大都集中在光通信和光傳感領(lǐng)域,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器,80年代后期，美國(guó)寶麗來(lái)公司的研究者們作出了開創(chuàng)性的工作，發(fā)展了一種包層泵浦技術(shù)，大大促進(jìn)了高功率光纖激光器的發(fā)展。在特種光纖生產(chǎn)技術(shù)和半導(dǎo)體激光器制造工藝高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，包層泵浦技術(shù)發(fā)展迅猛，激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)70%以上、連續(xù)輸出功率高達(dá)幾十瓦、乃至幾百瓦。同時(shí)，利用纖芯內(nèi)的超高功率密度所產(chǎn)生的諸如受激布里淵散射、受激喇曼散射和頻率上轉(zhuǎn)換等非線性效應(yīng)，大大拓寬了光纖激光器的輸出頻率范圍，并使超短脈沖技術(shù)、喇曼光纖激光器和放大器技術(shù)

23、的發(fā)展上了一個(gè)新的臺(tái)階。預(yù)計(jì)此類大功率、寬波段、高模式質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、高性能價(jià)格比的雙包層光纖激光器將在光通信（特別是高速長(zhǎng)距離和孤子通信）、遙感、航天航空、生命科學(xué)、機(jī)械精密加工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器,雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點(diǎn),1）高功率激光輸出，多個(gè)多模半導(dǎo)體激光二極管并行泵浦，可設(shè)計(jì)出極高功率輸出的光纖激光器； （ 2）由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時(shí)一般無(wú)需復(fù)雜的冷卻裝置； （3）由于光纖摻稀土元素離子，有一個(gè)寬而平坦的吸收光譜區(qū)，因此有很寬的泵浦波長(zhǎng)范圍。 （4）多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運(yùn)轉(zhuǎn)壽命超過(guò)l0

24、0萬(wàn)小時(shí))決定了這種激光器具有高可靠性； （5）具有極高的光束質(zhì)量，這是其他高功率激光器無(wú)法相比的； （6）電光轉(zhuǎn)換效率高，插頭效率高達(dá)20以上； （7）結(jié)構(gòu)緊湊、牢固、不需精密的光學(xué)平臺(tái)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器,一、雙包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu) 光纖芯：由摻稀土元素的SiO2構(gòu)成，它作為激光振蕩的通道，對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)為單模； 內(nèi)包層：內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純SiO2構(gòu)成，它是泵光通道，對(duì)泵光波長(zhǎng)是多模的； 外包層：外包層由折射率比內(nèi)包層小的軟塑材料構(gòu)成； 保護(hù)層：最外層由硬塑材料包圍，構(gòu)成光纖的保護(hù)層,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙

25、包層光纖激光器,雙包層光纖結(jié)構(gòu),二、雙包層光纖內(nèi)包層的作用： 1.包繞纖芯，將激光輻射限制在光纖芯內(nèi)； 2.多模導(dǎo)管作為泵光的傳輸通道，把多模泵光轉(zhuǎn)換為單模激光輸出。泵光的能量不能直接耦合到光纖芯內(nèi)，而是將泵光耦合到內(nèi)包層，光在內(nèi)包層和外包層之間來(lái)回反射，多次穿過(guò)單模纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)的光纖不要求泵光是單模激光，而且可對(duì)光纖的全長(zhǎng)度泵浦，因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源，將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi)，大大提高了泵浦效率,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器,雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù),1.端面泵浦耦合技術(shù),雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù),1.端面泵浦耦合技術(shù)

26、,雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù),2.側(cè)面泵浦耦合技術(shù),三、雙包層光纖的研究進(jìn)展 俄羅斯普物所研制的內(nèi)包層為方形的摻Y(jié)b雙包層光纖。 美國(guó)寶麗來(lái)公司研制的內(nèi)包層為矩形的摻Y(jié)b雙包層光纖。 美國(guó)朗訊公司研制的內(nèi)包層為星形的摻Y(jié)b雙包層光纖。 德國(guó)研制的內(nèi)包層為D形的摻Y(jié)b和Nd雙包層光纖， 中國(guó)武漢郵電科學(xué)研究院研制了摻Y(jié)b雙包層光纖。 中國(guó)天津46所和南開大學(xué)合作研制成功摻Y(jié)b雙包層光纖,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器,圓形內(nèi)包層的摻Y(jié)b3+雙包層光纖。內(nèi)包層直徑：125m, 數(shù)值孔徑（NA)：0.38；芯徑：5.5m，NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)：64dB/km； 矩形

27、內(nèi)包層的摻Y(jié)b雙包層光纖。內(nèi)包層尺寸：100m70m；NA：0.38；芯徑：5.5m；NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)為73dB/km,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器,雙包層光纖激光器結(jié)構(gòu),光纖非線性效應(yīng)激光器,在雙包層光纖和高功率多模LD的制造工藝的日趨完善的基礎(chǔ)上，高功率光纖激光器發(fā)展極為迅速。 美國(guó)寶麗來(lái)公司的M.Muendel等人在97 CLEO會(huì)議上報(bào)道，用916nm、54.4W的激光二極管條泵浦內(nèi)包層為矩形的雙包層光纖，在1100nm波長(zhǎng)上獲得35.5W的激光輸出。 美國(guó)朗訊公司的D.Inniss等在97 CLEO會(huì)議上，采用一個(gè)915nm波長(zhǎng)、1cm寬的高功率半

28、導(dǎo)體激光二極管條作泵源，使系統(tǒng)的輸出功率在1065nm波長(zhǎng)處為16.4W，在1101nm波長(zhǎng)處為20.4W,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,美國(guó)朗訊公司S.Kosinki和D.Inniss在98 CLEO會(huì)議上報(bào)導(dǎo)，用一種內(nèi)包層為星形的雙包層單模Yb3+光纖激光器得到20W的激光輸出 加州圣何塞光譜二極管實(shí)驗(yàn)室工程師V.Dominic等人在99年CLEO會(huì)議上報(bào)道在一個(gè)摻Y(jié)b3+的雙包層光纖激光器上，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出功率大于110W的單模輸出。其光光轉(zhuǎn)換效率為58.3%。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,美國(guó)IPG公司的摻Y(jié)b雙包層高功率激光器的輸

29、出功率水平超過(guò)700瓦，幾十瓦幾百瓦的雙包層光纖激光器的商品也已問(wèn)世,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,國(guó)內(nèi)上海光機(jī)所用大于10瓦的915nm LD泵浦內(nèi)包層為矩形的摻Y(jié)b雙包層光纖獲得1060nm、4.9瓦的激光輸出。光-光轉(zhuǎn)換效率為43.6%。 南開大學(xué)對(duì)高功率光纖激光器進(jìn)行了研究,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,光纖：選用了內(nèi)包層形狀為D形的摻Y(jié)b3+雙包層光纖，幾何尺寸為400m340m，數(shù)值孔徑0.38。摻雜濃度0.65mol%（Yb2O3）。光纖長(zhǎng)度20米,瓦級(jí)全光纖摻Y(jié)b雙包層光纖激光器 高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)的體器件構(gòu)成諧振腔，未

30、能實(shí)現(xiàn)全光纖化，這不僅極大地限制了光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊性和工作可靠性，也增加了抽運(yùn)光的耦合難度，同時(shí)不利于光纖激光器與后續(xù)光纖光學(xué)系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上述問(wèn)題，采用光纖Bragg光柵（FBG）作為腔鏡的全光纖高功率激光器,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,光纖：摻Y(jié)b雙包層光纖的內(nèi)包層形狀為正方形，截面尺寸為125m125m，數(shù)值孔徑約為0.38。單模纖芯的模場(chǎng)半徑為7m，數(shù)值孔徑為0.11。纖芯中摻雜有較高濃度的Yb離子，對(duì)976nm抽運(yùn)光的吸收損耗約為1.7dB/m。光纖長(zhǎng)度為20m。 諧振腔：一對(duì)中心反射波長(zhǎng)為1060nm的FBG作為選頻反饋腔鏡，構(gòu)成駐波腔，相應(yīng)的峰值反

31、射率分別為99%和5,圖3-5,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,泵浦源：為一臺(tái)帶有輸出尾纖的LD模塊，中心波長(zhǎng)為976nm。在LD模塊與光纖激光器注入端之間專門設(shè)計(jì)了一個(gè)taper型光纖耦合器，以提高抽運(yùn)光的注入效率。 性能指標(biāo)： 閾值功率： 300mW 輸出功率 ：1.18W 光光轉(zhuǎn)換效率：53.1% 斜率效率：68 中心波長(zhǎng)： 1060nm 光譜半寬 ： 0.1nm,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)高功率摻Y(jié)b光纖激光器,包層泵浦可調(diào)諧Yb光纖激光器 窄線寬、可調(diào)諧、高功率摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器有著廣闊的應(yīng)用前景，研究工作進(jìn)展很快。 英國(guó)南安普敦大學(xué)采用空氣包層Yb3+雙包層光

32、纖，在Littrow結(jié)構(gòu)中得到的調(diào)諧范圍1010nm1120nm; 法國(guó)的Ammar Hideur等人在全光纖環(huán)行腔摻Y(jié)b3+雙包層光纖激光器得到的調(diào)諧范圍1040nm1100nm，輸出功率大于800mW,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器,德國(guó)M.Auerbach等人采用Littman-Littrow外腔結(jié)構(gòu)(雙光柵結(jié)構(gòu))，在1040nm1100nm范圍內(nèi)獲得了調(diào)諧輸出，輸出功率大于200mW； 上海光機(jī)所陳柏等人則通過(guò)調(diào)節(jié)光纖后端面與后腔鏡之間的距離以及后腔鏡角度的方法，獲得了50nm的調(diào)諧輸出 ； 南開大學(xué)采用國(guó)產(chǎn)圓形內(nèi)包層摻Y(jié)b3+雙包層光纖為增益光纖分別用Littrow、

33、Littman和雙光柵三種外腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶調(diào)諧輸出,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器,一）調(diào)Q光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 聲 光 調(diào)Q A.非光纖型Q開關(guān) 電 光 調(diào)Q 機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 可飽和吸收體調(diào)Q 光纖馬赫-曾特爾干涉儀 B.光纖型Q開關(guān) 光纖邁克爾遜干涉儀 基于光纖中的SBS調(diào)Q,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 調(diào)Q光纖激光器,調(diào)Q光纖激光器,這是通過(guò)改變激光共振腔Q值，提高激光器輸出功率和壓縮激光脈沖寬度的技術(shù)。 共振腔的Q值（也稱腔的品質(zhì)因子）是描述激光器共振腔損耗大小的量。光學(xué)損耗低的腔，其Q值高。 Q值定義：Q腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量每秒損失的能量 當(dāng)泵浦源向激光器工作物質(zhì)輸入的能

34、量（功率）達(dá)到振蕩閾值時(shí)，激光器便產(chǎn)生激光振蕩。如果泵浦源繼續(xù)泵浦，維持激光器在閾值以上，它就連續(xù)輸出激光。激光振蕩閾值與共振腔的光學(xué)損耗（值）有關(guān)。如果激光器的工作物質(zhì)在受泵浦的期間，讓共振腔的值保持很低，則激光器因振蕩閾值很高而不能發(fā)生激光振蕩，大 量的泵浦能量繼續(xù)存在工作物質(zhì)內(nèi)。當(dāng)工作物質(zhì)已“吸飽”能量時(shí)，突然升高值，相應(yīng)地，激光振蕩閾值也突然降低，在閾值之上那部分儲(chǔ)存能量便在短時(shí)間內(nèi)發(fā) 射出來(lái)，形成功率很高的激光脈沖。用這個(gè)方法得到的能量雖然比自由振蕩時(shí)得到的激光能量低一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是，自由振蕩激光器輸出的脈沖寬度是毫秒級(jí)，而采 用開關(guān)后得到的激光脈沖寬度是幾十納秒量級(jí)。使激光器輸出功

35、率增加104倍達(dá)到105106KW,A. 非光纖型：聲光（AOM）調(diào)Q,特點(diǎn)：開關(guān)時(shí)間較快，消光比大，脈沖寬度一般十幾到幾 十ns，但插入損耗大，穩(wěn)定性較差,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 調(diào)Q光纖激光器,A.非光纖型：電光（EOM）調(diào)Q,特點(diǎn)：開關(guān)時(shí)間快（幾ns），消光比大（95），但插 入損 耗大，穩(wěn)定性較差，需要幾千伏的高壓，產(chǎn)生 的電子干擾大,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 調(diào)Q光纖激光器,A.非光纖型：可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q,特點(diǎn)：在1.53mm得到0.1mJ能量，開關(guān)速度慢，插入損耗大,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 調(diào)Q光纖激光器,B. 光纖型Q開關(guān)：光纖邁克爾遜干涉儀調(diào)Q,特點(diǎn)：開關(guān)速度較慢，能產(chǎn)生ms量級(jí)脈沖，要求兩臂光纖 光柵完全相同，這樣的兩個(gè)光纖光柵比較難制作， 消光比不高,8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 調(diào)Q光纖激光器,B