光纖激光器ppt精品課件

1、第1頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一本章主要內(nèi)容：1 摻雜光纖2 光纖激光器的諧振腔3 摻稀土元素的光纖激光器4 超熒光光纖激光器(SFS)第2頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一1 摻雜光纖一、摻雜元素摻稀土元素鑭系Xe6S2，外層都為為5S25P66S2鑭系元素電子結(jié)構(gòu)的差別只在4f殼層的電子占有數(shù)。1、摻雜濃度 最佳在100ppm量級。太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可能被耗盡。太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級上有效粒子數(shù)減少；導致玻璃基質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶效應(yīng)，不利于產(chǎn)生激光。第3頁，共34頁，2022年，5

2、月20日，17點54分，星期一2、摻雜光纖的基質(zhì)（1）石英玻璃 石英玻璃對稀土元素離子的光譜能級的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級加寬，光譜變寬。（2）重金屬氟化物玻璃優(yōu)點：通光窗口寬，在300-8000 nm范圍透過率很高。易于成纖。易于激活，因為氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。第4頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er 3+、Nd 3+的電子能級4I13/24I 15/2Er 3+Nd 3+能級分裂第5頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一4F 5/24F 3/24F 5/2第6頁，共34頁，2022年，5

3、月20日，17點54分，星期一2、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、 530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm 、 1350nm波長處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、 1536nm波長處得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約10m）。Er3+Nd3+第7頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一3、摻雜光纖的激光特性 摻鉺的三能級系統(tǒng)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài) E2、 高能級E3。從E3 E1 ，泵浦幾率為WP，躍遷幾率為WP 。 E3 非輻射E2 ，幾率為S

4、32； E3 自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射E2 、 E1 ，幾率為A32、A31、 S31。選擇工作物質(zhì)要求：A32、A31和S31 S32 以及S32 WP(3-1) ， N2 N1。一般選擇A21較小的工作物質(zhì)。A32第8頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一因此有速率方程組： dN3/dt=(N1-N3) WP -N2 S32 dN2/dt=N1 W12 +N3 S32N2 W21 N2(A21 +S21) N1+N2 +N3= NtNt是工作介質(zhì)內(nèi)的總粒子數(shù)密度。這三個方程為三能級系統(tǒng)的速率方程組。 可見，只要WP(1-3)足夠大，就能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，摻稀土光纖就變成激活介

5、質(zhì)，對頻率為(E2-E1 )/h的信號具有放大作用。第9頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一一、FP腔1，結(jié)構(gòu)M1: 對泵浦光高透；對激光高反M2: 對激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng) 75%）2，光傳輸特性 理論波動光學。假設(shè)：諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折射率弱波導光纖。2 光纖激光器的諧振腔第10頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一 光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：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。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)第11頁，共34頁，2022年，5月2

6、0日，17點54分，星期一縱模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波， 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。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一二、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端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔

7、。激勵的激光與泵光無關(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。第13頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一2、光纖圈反射器 普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下單模運行，在兩個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 的的順時針光場相位差為0，與從1 4 3 2的逆時針光場的相位差為。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為

8、0 。光從1返回。SMF第14頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一3、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。其中沒有能量儲存。透射反射反射透射 光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。第15頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一4、全光纖激光器 兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器。 激光器要實現(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為：L1L2L摻雜光纖第16頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍

9、，比染料激光器的化學性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應(yīng)用價值顯著。1，反射鏡+光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為： 只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在 附近變化，就能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長。第17頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一可調(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，分別激勵摻鉺光纖及摻釹光纖,可調(diào)諧的波長范圍分別為25nm和80nm。 由于分束器與光學元器件帶來了腔內(nèi)損耗，導致閾值功率提高。14 nm11 nm第18頁，共34頁，2022年，5月20日，17點5

10、4分，星期一四、(反射鏡+光纖圈反射器形式)可調(diào)諧輸出激光器光纖圈的功率反射率為：激光反射率大于95%泵浦光反射率為5% 通過改變溫度來調(diào)節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達到激光諧振放大。第19頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一五、窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用： 達到窄帶輸出。B是布拉格波長， d是光柵周期，ne是有效折射率。激光線寬0.06 nm第20頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一六、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?shù)膌3、l4以致于在整個熒光線寬內(nèi)只有一個縱模

11、在振蕩。則可以實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)。第21頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一5.3 摻稀土元素的光纖激光器以980 nm的半導體光源作為泵浦源；摻Er 3+光纖中Er 3+的受激輻射產(chǎn)生Laser。一、摻Er 3+光纖激光器的示例1、Er 3+的三能級系統(tǒng)能級分裂第22頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一 由合適長度的摻Er 3+光纖、980nm大功率半導體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻Er 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學的L. Reekie教授于1987年實現(xiàn)。斜率效率=輸出功率/吸收功率% =3.3%輸入鏡輸出鏡吸收功率 mW第23頁，

12、共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一二、摻Nd3+光纖激光器的示例 由合適長度的摻Nd 3+光纖、800nm大功率半導體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻Nd 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學的R.J. Mears教授于1985年實現(xiàn)。第24頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一4F 5/24F 3/2Er 3+ 、Nd 3+的吸收與輻射第25頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一GaAs激光二極管的輸出功率 mW 光纖激光器輸出功率/mW泵浦功率與光纖激光器的輸出功率優(yōu)點：不需要水冷即可工作；不容易飽和。第26頁，共34頁，2

13、022年，5月20日，17點54分，星期一分類：根據(jù)泵浦光與超熒光傳播方向的異同，以及光纖兩端是否存在反射分類。5.4 超熒光光纖激光器(Superfluorescent Fiber source)單程反向雙程前向單程前向雙程反向第27頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一原理： 由于泵浦光的激勵，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果亞穩(wěn)態(tài)的粒子自發(fā)輻射，產(chǎn)生光子的傳輸在光纖接收角內(nèi)，就能夠在光纖內(nèi)傳輸，誘發(fā)許多亞穩(wěn)態(tài)的粒子受激輻射躍遷，并產(chǎn)生完全相同的光子而放大。 如果光纖的增益足夠，就稱之為放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。特點：與

14、普通光纖激光器相比，沒有諧振腔。SFS的原理、特點第28頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器第29頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一Fig.2 輸出功率與摻鉺光纖長度的關(guān)系超過最佳長度將被再吸收Fig.3 不同長度光纖的泵浦功率與波長的關(guān)系第30頁，共34頁，2022年，5月20日，17點54分，星期一光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關(guān)系DPF: 因為1535nm處的ASE信號比1550nm處的ASE信號增長快，所以小的反射率也有大的帶寬DPB: 反射率達到50%時，1535nm處的ASE信號飽和，而1550nm處的ASE信號繼續(xù)增強，所以帶寬增加。第31頁，