光纖光學(xué)有源器件Fiberlaser

1、1光纖激光器光纖激光器2Laser： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation高亮度高亮度方向性方向性相干性相干性激激 光光341960， Theodore Maiman世界上第一臺(tái)激光器5678激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用信息信息加工加工醫(yī)療醫(yī)療照明照明測(cè)距測(cè)距9激光的原理激光的原理激光產(chǎn)生的條件A. （1）泵源（能量注入） （2）增益介質(zhì)（吸收泵浦能量并完成光能量放大） （3）諧振腔（提供光反饋和模式選擇）B. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 閾值條件:增益=損耗C. 相位平衡條件:激光器必須工作在諧振腔的工作模式上。 光腔的駐波條件:在腔內(nèi)形成駐

2、波。10Fqqqndcqqndqdq2222LndcF2為激光器縱模間隔。激光器縱模11并非所有頻率都能振蕩，只有落在增益曲線線寬(即閾值條件)范圍內(nèi)的縱模才能形成實(shí)際振蕩(如圖)。激光振蕩模式12激光器橫模 在激光器內(nèi)，除有沿著腔軸分布的縱模以外，還存在保持穩(wěn)定不變分布的光場(chǎng)橫向分布，這種來(lái)回反射中可保持住的橫向光場(chǎng)分布稱(chēng)為橫模，它用整數(shù)m，n來(lái)表征。13激光器的輸出由許多獨(dú)立頻率分量模式組成。模式：能在腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式。 模式用 表示，m,n,q可分別取 等整數(shù)，一組m,n,q對(duì)應(yīng)一種模式。 m,n：垂直腔軸平面內(nèi)的光場(chǎng)振幅穩(wěn)定分布情況，稱(chēng)橫模階數(shù)，直角坐標(biāo)系中，m和n的數(shù)值

3、分別是該模式在x軸和y軸上的節(jié)點(diǎn)數(shù)。 q：光腔軸向形成的駐波節(jié)點(diǎn)數(shù)目，稱(chēng)縱模階數(shù)。 三者共同決定該模式的振蕩頻率。mnqTEM, 2, 1 , 0激光器輸出模式（總結(jié)）14激光器輸出模式15激光譜線展寬 前面討論的能級(jí)是理想無(wú)寬度的、從而粒子輻射是單色的，即輻射的全部能量集中于單一頻率；但事實(shí)上，輻射并非單色，而是分布在中心頻率附近一個(gè)有限的頻率范圍內(nèi)。 16均勻展寬激光譜線展寬 引起均勻展寬的機(jī)理對(duì)于每一粒子而言都是相同的。 任一粒子對(duì)譜線展寬的貢獻(xiàn)都是一樣的，不可能把線型函數(shù)某一特定頻率與某些特定粒子相聯(lián)系起來(lái)。 每個(gè)發(fā)光粒子都以洛侖茲線型發(fā)射。均勻展寬包括：自然展寬，碰撞展寬和熱振動(dòng)展寬

4、等。摻鉺光纖屬于均勻展寬增益介質(zhì)，均勻展寬線寬約11nm。17非均勻展寬 非均勻展寬的特點(diǎn)是粒子體系中粒子的發(fā)光只對(duì)譜線內(nèi)與其中心頻率相對(duì)應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，可以區(qū)分為線型函數(shù)的某一頻率范圍是由哪些粒子發(fā)光所引起的。非均勻展寬主要包括多普勒展寬與殘余應(yīng)力展寬。18光纖激光器光纖激光器Active fiber191961年，美國(guó)光學(xué)公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領(lǐng)域進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作1963年和1964年，分別發(fā)表了多組分玻璃光纖中的光放大結(jié)果，提出了光纖激光器和光纖放大器的構(gòu)思。光纖激光器發(fā)展簡(jiǎn)史在19751985這十年中，光纖激光器發(fā)展很小低損耗的硅單模光纖和半導(dǎo)體激光器都已商品化并得

5、到了廣泛的應(yīng)用，完善了基于硅光纖的定向耦合器的制作。這些都為光纖激光器的研制鋪平了道路。1988年， E.Snitzer提出了包層泵浦技術(shù)，為大功率光纖激光器的制作提供了依據(jù)20光纖激光器的優(yōu)勢(shì)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊散熱性能好無(wú)需光路調(diào)整損耗低，閾值低多波長(zhǎng)、可調(diào)諧實(shí)現(xiàn)任意維度加工、無(wú)損接入勝任惡劣的工作環(huán)境低功率消耗（光-光轉(zhuǎn)換）2122光纖激光器按增益介質(zhì)分類(lèi)光纖激光器稀土摻雜光纖激光器非線性光纖激光器 發(fā)光機(jī)制是非線性效應(yīng)，主要是受激拉曼散射和受激布里淵散射。目前，受激拉曼散射是實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出的一個(gè)有效手段。布里淵效應(yīng)多用于單頻及多波長(zhǎng)激光輸出。 激光產(chǎn)生機(jī)制是受激輻射。按光纖纖芯所摻

6、稀土元素的不同，可分為摻Er3+光纖激光器、摻Y(jié)b3+光纖激光器以及Er3+/Yb3+共摻光纖激光器等。不同的摻雜光纖的發(fā)射波長(zhǎng)不同，例如摻Er3 +的發(fā)射波長(zhǎng)為1.55m，摻Y(jié)b3+的發(fā)射波長(zhǎng)為1.06m。23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1.55 m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)1.01.2 m的通用源，Yb3+具有相當(dāng)寬的吸收帶(8001064 nm

7、)以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶(9701200 nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒(méi)有受激態(tài)吸收。 摻銩(Tm3+)光纖激光器激射波長(zhǎng)為1.4 m，也是重要的光纖通信光源。 其他摻雜光纖激光器，如在2.1 m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0 m附近有很強(qiáng)的中紅外吸收峰，對(duì)鄰近組織的熱損傷小，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。摻雜光纖激光器24 按激光輸出的時(shí)域特性，光纖激光器又可分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。脈沖光纖激光器主要采用鎖模技術(shù)與調(diào)Q技術(shù)實(shí)現(xiàn)，鎖模技術(shù)可分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種，調(diào)Q分為主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q兩種。 按頻域特性，光

8、纖激光器可分為單波長(zhǎng)、單縱模、多縱模以及多波長(zhǎng)光纖激光器。按激光諧振腔腔型，光纖激光器主要有環(huán)形腔結(jié)構(gòu)和線形腔結(jié)構(gòu)兩類(lèi)。在線形腔光纖激光器中，又以F-P腔為主要研究對(duì)象。光纖激光器的分類(lèi)25光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)線性腔諧振腔L耦合光學(xué)系統(tǒng)工作物質(zhì)(增益光纖)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)LD泵浦源Lcn2FSR 諧振腔腔鏡可為反射鏡、光纖光柵或光纖環(huán)鏡。 26分布Bragg反射（DBR）光纖激光器上圖所示為典型的DBR光纖激光器基本結(jié)構(gòu)示意圖。DBR光纖激光器使用兩個(gè)較高反射率的光纖光柵(FBG1、 FBG2)作為反射鏡置于摻雜光纖(即激光增益介質(zhì))的兩端，構(gòu)成線形激光諧振腔來(lái)增強(qiáng)模式選擇，可以把光纖光柵熔接到摻

9、雜光纖上，也可以直接把光纖光柵寫(xiě)到摻雜光纖上。DBR光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖27分布反饋式（DFB）光纖激光器DFB（Distributed FeedBack Laser）光纖激光器基本結(jié)構(gòu)如圖所示。DFB光纖激光器是利用直接在稀土摻雜光纖寫(xiě)入的光柵來(lái)構(gòu)成諧振腔的。有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體，只用一個(gè)光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋和波長(zhǎng)選擇，因而制作簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定性較好，邊模抑制比高。DFB光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖28光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)環(huán)形腔980/1550 nmWDMEDFpump laseroutputISO窄帶濾波器型環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)圖filtercouplerPC29光纖激光器輸出特性（連續(xù)光輸出）

10、激光輸出的波長(zhǎng)、線寬 輸出功率 泵浦功率閾值 斜率效率30激光輸出波長(zhǎng)、線寬31各類(lèi)光纖激光器技術(shù) 單頻（縱模）光纖激光器 脈沖光纖激光器調(diào)Q光纖激光器鎖模光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器多波長(zhǎng)光纖激光器雙包層大功率光纖激光器32 單頻光纖激光器概述 單頻光纖激光器實(shí)現(xiàn)方法 單頻光纖激光器的應(yīng)用33222qLn), 3 , 1 , 0(q 從而： qnLcq2 n：腔內(nèi)折射率，q：縱模階數(shù)，由于 ，故q一般很大。 ：q階縱模振蕩頻率。相鄰兩縱模間的頻率間隔：LqnLcq2(a)展寬的激光器躍遷線型 (c)激光器輸出的縱模 激光器諧振腔中并非所有頻率都能產(chǎn)生振蕩，只有滿足相長(zhǎng)干涉條件的光波才能在腔內(nèi)的

11、來(lái)回反射中形成穩(wěn)定分布和獲得最大強(qiáng)度： 單頻光纖激光器概述 （b）腔體的振蕩模式34單頻光纖激光器概述nLc2腔長(zhǎng)L腔內(nèi)濾波器帶寬小于激光器縱模間隔設(shè)法增大相鄰兩振蕩縱模之間的頻率間隔應(yīng)用窄帶濾波器或設(shè)法壓縮激光器的增益線寬35 假設(shè)摻鉺光纖激光器腔長(zhǎng)：1cm；光纖光柵1為寬帶高反射腔鏡；光纖光柵2作為窄帶波長(zhǎng)選擇器件以及輸出耦合器，其反射中心波長(zhǎng)=1550.00 nm,問(wèn)：其3dB反射帶寬為多少可以保證激光器單縱模輸出？（折射率n可取1.5）練 習(xí)136假設(shè)摻鉺光纖激光器腔長(zhǎng)：1cm；光纖光柵1為寬帶高反射腔鏡；光纖光柵2作為窄帶波長(zhǎng)選擇器件以及輸出耦合器，其反射中心波長(zhǎng)=1550.00 n

12、m,問(wèn)：其3dB反射帶寬為多少可以保證激光器單縱模輸出？（折射率n可取1.5）單縱模條件：增益帶寬縱模間隔f =C/2L=C/2nL=1010=10Ghz; f/f= /; =*f/f *v/f;*f=C; 2*v/C0.08nm37 假設(shè)摻鉺光纖激光器, 光纖光柵1為寬帶高反射腔鏡；光纖光柵2作為窄帶波長(zhǎng)選擇器件以及輸出耦合器，3dB反射帶寬為5nm, 其反射中心波長(zhǎng)=1224.00 nm,問(wèn)：其腔長(zhǎng)小于多少可以保證激光器單縱模輸出？0.1mm練 習(xí)238單頻光纖激光器實(shí)現(xiàn)方法短腔法增大縱模間隔分布Bragg反射光纖光柵激光器(DBR)分布反饋(DFB)光纖光柵激光器39復(fù)合腔法增大縱模間隔

13、復(fù)合諧振腔必須同時(shí)滿足以上兩個(gè)子腔的諧振頻率：Fox一Smith諧振腔單頻光纖激光器實(shí)現(xiàn)方法40單頻光纖激光器實(shí)現(xiàn)方法窄帶濾波器41布里淵增益獲得極窄增益線寬單頻光纖激光器實(shí)現(xiàn)方法42 光譜儀（分辨率0.01 nm） 掃描式F-P干涉儀（分辨率MHz） 拍頻法（更窄線寬測(cè)量方法）激光線寬測(cè)量方法43各類(lèi)光纖激光器技術(shù) 單頻（縱模）光纖激光器 脈沖光纖激光器調(diào)Q光纖激光器鎖模光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器多波長(zhǎng)光纖激光器雙包層大功率光纖激光器44思考： 準(zhǔn)分子激光器 單脈沖能量5mJ，重復(fù)頻率200Hz，脈寬8ns，求平均功率和峰值功率W平均=E/T=E*fW峰值功率=E/T45調(diào)Q光纖激光器調(diào)Q技

14、術(shù)又叫Q開(kāi)關(guān)技術(shù)，是將一般輸出的連續(xù) 激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光 源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。46分類(lèi)：電光調(diào)Q、主動(dòng)聲光調(diào)Q、主動(dòng)染料調(diào)Q、被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器特點(diǎn)：一般與調(diào)制周期相關(guān)，脈寬較大，ns量級(jí)47 激光器鎖模原理 鎖模激光器輸出特性 鎖模光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)48 激光器輸出一般是多縱模振蕩模式，縱模之間的振幅與相位彼此獨(dú)立；如果能使得各個(gè)獨(dú)立模式在時(shí)間上同步、振蕩相位一致，則總光場(chǎng)是各個(gè)模式光場(chǎng)的相干疊加，輸出為一超短脈沖(fs,ps)。這種把激光中各個(gè)縱模的相位關(guān)系鎖定、形成脈沖序列的方法稱(chēng)為鎖模。鎖模技術(shù)鎖模方式主動(dòng)鎖模被動(dòng)鎖模主被動(dòng)聯(lián)合鎖模通過(guò)外界

15、信號(hào)周期性調(diào)制激光器諧振腔參量（如在腔內(nèi)插入一個(gè)電光調(diào)制器），實(shí)現(xiàn)激光縱模間相位鎖定的鎖模技術(shù)。將主被動(dòng)鎖模的特點(diǎn)相結(jié)合的一種會(huì)和鎖模方式。利用非線性元件對(duì)光強(qiáng)的依賴(lài)性，實(shí)現(xiàn)各縱模間的相位鎖定，進(jìn)而產(chǎn)生光脈沖的鎖模方式。49多縱模激光器輸出特性 由于各縱模之間相位彼此相互獨(dú)立并呈無(wú)規(guī)則變化，所以各縱模之間相干項(xiàng)在時(shí)間平均下為零，平均輸出光強(qiáng)是縱模之和，不會(huì)出現(xiàn)相干加強(qiáng)或相干減弱時(shí)域脈沖波輸出，而是呈現(xiàn)出存在幅度和相位噪聲的連續(xù)光輸出。若共有（2n+1）個(gè)縱模，則激光的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為:總的光強(qiáng)為:50鎖模激光器輸出特性 可見(jiàn)，多個(gè)縱模相干疊加后，使能量聚集在一個(gè)峰值較高的波包中，形成鎖模脈沖，

16、脈沖峰值功率比未鎖模時(shí)提高了(2n+1)倍。激光總的電場(chǎng)強(qiáng)度表示為: 若使 ，即使相鄰縱模間的位相差均保持為某一常數(shù)a（通常稱(chēng)此為相位鎖定或鎖模），則第q個(gè)縱?？梢员硎緸椋嚎偟墓鈴?qiáng)為:51非鎖模與鎖模激光輸出對(duì)比三個(gè)縱模隨機(jī)振蕩的情形三個(gè)縱模鎖模振蕩的情形52鎖模激光器工作特性 鎖模脈沖的時(shí)間間隔為t =2L/c。由于2L/c恰好是一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)往返一次所需的時(shí)間，所以鎖模的結(jié)果可以理解為只有一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)往返傳播。而激光器的輸出則是時(shí)間間隔為t = 2L/c的規(guī)則脈沖序列。（重復(fù)周期，重復(fù)頻率） E(t)的振幅極大值A(chǔ)(t)max=(2n+1)E0，這說(shuō)明在振幅出現(xiàn)極值的時(shí)刻各振蕩縱模的

17、振幅同時(shí)到達(dá)極大值。（峰值功率）Pm=N2P0 鎖模后所得脈沖的寬度為t=(2n+1) q-1=1/，式中：q為器件的縱模間隔； 為器件的振蕩線寬。所以激光的帶寬越寬，則所獲得的脈沖寬度越窄。（脈沖寬度）53鎖模激光器工作特性頻域（光譜）時(shí)域（脈沖）輸出經(jīng)PD探測(cè)，輸入頻譜分析儀上得到頻譜54主動(dòng)鎖模光纖激光器的典型結(jié)構(gòu)示意圖主動(dòng)鎖模光纖激光器55主動(dòng)鎖模建立過(guò)程（時(shí)域）通過(guò)調(diào)制腔損耗（Q值）實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模示意圖 在激光器腔內(nèi)插入強(qiáng)度調(diào)制器，對(duì)腔損耗進(jìn)行調(diào)制。由于激光器在損耗最低時(shí)發(fā)射較強(qiáng)的光，激光在腔內(nèi)往復(fù)傳播，當(dāng)調(diào)制頻率等于相鄰兩縱模之間的角頻率間隔或者是它的整數(shù)倍時(shí)，初始產(chǎn)生的細(xì)微的強(qiáng)度差

18、別不斷被增強(qiáng)，導(dǎo)致最終產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模脈沖序列。56主動(dòng)鎖模建立過(guò)程（頻域） 從頻域上看，在激光器腔內(nèi)加入主動(dòng)強(qiáng)度調(diào)制器，對(duì)腔內(nèi)光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，則輸出電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為： 上式中M為調(diào)制系數(shù)，m為調(diào)制頻率。該式表明角頻率為0的縱模經(jīng)過(guò)損耗調(diào)制后，除了原有的頻率為0的模式外，還在附近激發(fā)了兩個(gè)邊頻振蕩，其頻率分別為 和 ，它們與頻率為0的模有相同的初始相位。0-m 0+ m 00+ m 0-m 57 如果使調(diào)制頻率m等于縱模間隔，則兩個(gè)邊頻正好對(duì)應(yīng)鄰近的兩個(gè)縱模。同樣這兩個(gè)邊頻經(jīng)過(guò)調(diào)制器后又會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生以它們?yōu)橹行牡牧硗鈨蓪?duì)邊頻，如此繼續(xù)下去，就可以將增益帶寬之內(nèi)的所有縱模都耦合激發(fā)起來(lái)。因此，鎖模過(guò)

19、程就是由模式競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的優(yōu)勢(shì)模通過(guò)調(diào)制器的作用，將其能量耦合到其它縱模上去。因所有縱模都是由優(yōu)勢(shì)模給予激發(fā)的，所以它們彼此間都保持著相位的同步，并經(jīng)相干疊加，形成鎖模脈沖。主動(dòng)鎖模建立過(guò)程（頻域）58諧波鎖模59主動(dòng)鎖模光纖激光器輸出脈沖的波形輸出脈沖的光譜60被動(dòng)鎖模技術(shù)（染料鎖模） 利用非線性元件對(duì)光強(qiáng)的依賴(lài)性，來(lái)產(chǎn)生光脈沖的鎖模方式。激光介質(zhì)染料盒全反鏡輸出鏡激光1、線性放大：泵浦剛開(kāi)始，工作物質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的諸多光脈沖進(jìn)行線性放大。2、非線性吸收：染料被漂白，強(qiáng)脈沖被迅速放大，弱脈沖被吸收。3、非線性放大：工作物質(zhì)對(duì)留下的強(qiáng)脈沖進(jìn)行非線性放大，使脈寬被壓縮。61tPtPtPtPtP線性放大

20、非線性 吸收 非線性 吸收 非線性 放大 62被動(dòng)鎖模技術(shù)63被動(dòng)鎖模光纖激光器64被動(dòng)鎖模光纖激光器65被動(dòng)鎖模光纖激光器66被動(dòng)鎖模光纖激光器67各類(lèi)光纖激光器技術(shù) 單頻（縱模）光纖激光器 脈沖光纖激光器調(diào)Q光纖激光器鎖模光纖激光器可調(diào)諧光纖激光器多波長(zhǎng)光纖激光器雙包層大功率光纖激光器68可調(diào)諧激光器tunable laser 是指在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長(zhǎng)的激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧光纖激光器69實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)才有很低的損耗第一種是通過(guò)某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來(lái)改變激光的波長(zhǎng)。第二種是通過(guò)改變某些外界參數(shù)（如磁場(chǎng)、溫度等）使激光躍遷的能級(jí)移動(dòng)。第三種是利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波