光纖激光器發(fā)展概況課件

光纖激光器發(fā)展概況光纖激光器己有40多年的歷史了。隨著量子電子學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)激光有了越來(lái)越深刻的認(rèn)識(shí)。隨著低損耗光纖的發(fā)展和半導(dǎo)體激光器性能的提高，光纖激光器得到快速的發(fā)展。80年代后期，劍橋?qū)汒悂?lái)公司和英國(guó)南安普頓大學(xué)的研究人員發(fā)展了包層泵浦光纖激光器，使得光纖激光器的功率和效率大大改善，這為光纖激光器的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自此以后，光纖激光器迅速發(fā)展，激光性能不斷提高。光纖激光器發(fā)展概況光纖激光器己有40多年的歷史了。隨著量子電1未來(lái)光纖激光器發(fā)展的主要方向全方位拓寬光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域；研制全光纖激光器，實(shí)現(xiàn)與光纖通信系統(tǒng)高效率地連接；進(jìn)一步提高光纖激光器的性能，如高功率、改善光束質(zhì)量；壓窄激光譜寬；擴(kuò)展新的激光波段，拓寬激光器的可調(diào)范圍；開(kāi)發(fā)極高峰值的超短脈沖高亮度激光器；光纖激光器的實(shí)用化、智能化、小型化。而近幾年的研究熱點(diǎn)還是高功率光纖激光器、窄線寬可調(diào)光纖激光器及超短脈沖光纖激光器。未來(lái)光纖激光器發(fā)展的主要方向全方位拓寬光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域；2光纖激光器的特點(diǎn)光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性。光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)基質(zhì)材料是Si02，具有極好的溫度穩(wěn)定性;可實(shí)現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級(jí)很多硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，大大降低激光器的成本易于進(jìn)行光纖集成，耦合損耗低?？稍趷毫拥沫h(huán)境條件下工作。光纖激光器的特點(diǎn)光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定3光纖激光器的應(yīng)用光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖通信、光纖傳感、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用。光纖激光器的應(yīng)用光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖4光纖激光器的基本理論光纖激光器按工作原理可分為四類:稀土類摻雜光纖激光器;光纖非線性效應(yīng)激光器；單晶光纖激光器;塑料光纖激光器。形成光纖激光的三個(gè)必須條件是:增益介質(zhì)、諧振腔和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光纖激光器的基本理論光纖激光器按工作原理可分為四類:稀土類摻5光纖激光器基本結(jié)構(gòu)光纖激光器是由泵浦源、增益介質(zhì)（即摻雜光纖）和諧振腔構(gòu)成的。下是一早期光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。一段摻雜稀土金屬離子的光纖放置于兩個(gè)反射率經(jīng)過(guò)選擇的腔鏡之間。光纖激光器基本結(jié)構(gòu)光纖激光器是由泵浦源、增益介質(zhì)（即摻雜光纖6腔鏡可選鍍介質(zhì)膜的玻璃片，也可用光纖光柵或光纖圈反射器。腔鏡的選用原則為，靠近泵浦端的腔鏡對(duì)泵浦波長(zhǎng)具有高透低反特性，而對(duì)信號(hào)激光波長(zhǎng)則要求具有高反特性。遠(yuǎn)離泵浦端的腔鏡一方面承擔(dān)對(duì)腔內(nèi)信號(hào)激光的反饋?zhàn)饔?，另一方面腔?nèi)信號(hào)激光須從該腔鏡耦合輸出。因此，為了獲得最大的輸出功率，輸出耦合腔鏡對(duì)信號(hào)激光波長(zhǎng)的反射率須根據(jù)腔內(nèi)增益和損耗視具體情況確定。光纖激光器是一個(gè)波導(dǎo)型的諧振裝置，光波的傳輸由光纖所擔(dān)負(fù)。泵浦光從光纖激光器的左邊腔鏡耦合進(jìn)入光纖，激勵(lì)光纖中的摻雜離子躍遷到高能態(tài)，離子無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，再受激輻射躍遷回基態(tài)產(chǎn)生光子，光子在諧振腔中振蕩放大后形成激光輸出。腔鏡可選鍍介質(zhì)膜的玻璃片，也可用光纖光柵7稀土元素特性及其能級(jí)結(jié)構(gòu)稀土元素光纖摻雜稀土離子就形成激光介質(zhì)，稀土元素的電離通常以形成三價(jià)狀態(tài)的形式發(fā)生，例如Nd3+,Yb3+,Er3+等，他們的熒光與吸收波長(zhǎng)不易受外場(chǎng)的影響。這樣，我們即可人為地選擇適宜的泵浦波長(zhǎng)，并在有實(shí)際意義的波長(zhǎng)上產(chǎn)生激光，這是光纖激光器具有的得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。稀土元素特性及其能級(jí)結(jié)構(gòu)稀土元素8對(duì)于摻稀土光纖，在其吸收帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供必要的泵浦，在其熒光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供形成增益和振蕩的條件，它就可以產(chǎn)生激光。當(dāng)光通過(guò)稀土摻雜光纖介質(zhì)時(shí)其部分光子將被介質(zhì)吸收，這些光子能量促使介質(zhì)的電子躍遷到激發(fā)態(tài)，其后處于激發(fā)態(tài)的電子通過(guò)受激輻射回到基態(tài)，并將能量釋放。受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相干性極好的激光。對(duì)于摻稀土光纖，在其吸收帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上9摻雜離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)光纖激光器中的增益介質(zhì)是稀土離子摻雜光纖。根據(jù)摻雜離子能級(jí)結(jié)構(gòu)的不同，光纖激光器主要可分為三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)，其工作原理分別如下圖。摻雜離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)光纖激光器中的增益介質(zhì)是稀土離子摻雜光纖。10三能級(jí)系統(tǒng)的工作原理是，泵浦源將粒子從基態(tài)E1泵浦到高能級(jí)E3，被泵浦到E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)的激光上能級(jí)E2。由于E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí)，于是粒子在E2上積累，實(shí)現(xiàn)了E2與E1兩能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。示意圖如下。三能級(jí)系統(tǒng)的工作原理是，泵浦源將粒子從基態(tài)E1泵浦到高能級(jí)E11摻鉺（Er3+）光纖激光器為典型的三能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如下圖所示。用波長(zhǎng)為980nm半導(dǎo)體激光器進(jìn)行泵浦，將Er3+基態(tài)4I15/2激發(fā)到激發(fā)態(tài)4I11/2，然后由4I11/2能級(jí)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2，最后躍遷到4I15/2能級(jí)發(fā)出1550nm的光。Er3+離子能級(jí)結(jié)構(gòu)如下圖。摻鉺（Er3+）光纖激光器為典型的三能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如下12四能級(jí)系統(tǒng)的工作原理如下，泵浦源將粒子從基態(tài)能級(jí)E0泵浦到高能級(jí)E3，被泵浦到E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)的激光上能級(jí)E2。由于E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí)，于是粒子在E2上積累，實(shí)現(xiàn)了E2與激光下能級(jí)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四能級(jí)系統(tǒng)的工作原理如下，泵浦源將粒子從基態(tài)能級(jí)E0泵浦到高13摻銣光纖激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)圖如下所示。激光器由800nm砷化嫁(GaAs)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行泵浦，實(shí)現(xiàn)4I9/24F5/2躍遷，當(dāng)粒子從4F5/2激發(fā)態(tài)躍遷到4I9/2,4I11/2,4I13/2三個(gè)低能態(tài)時(shí)，就分別發(fā)射出波長(zhǎng)位于900nm,1060nm,1320nm波段的激光。其中，由于4G7/2

4F32的激發(fā)態(tài)吸收作用，波長(zhǎng)為1320nm的激光被削弱。摻銣光纖激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)圖如下所示。激光器由80014四能級(jí)系統(tǒng)與三能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的途徑基本相同。不同之處是：四能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)E1不是基態(tài)，激光下能級(jí)和基態(tài)能級(jí)之間仍然存在著一個(gè)躍遷，通常為無(wú)輻射躍遷。在熱平衡狀態(tài)下下能級(jí)E1上的粒子數(shù)很少，容易實(shí)現(xiàn)E2與E1能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。而三能級(jí)系統(tǒng)中，下能級(jí)E1是基態(tài)，或是極靠近基態(tài)的能級(jí)。通常情況下，粒子幾乎全部處于基態(tài)。必須將一半以上的粒子激發(fā)到高能級(jí)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這就需要較高的泵浦功率。所以，三能級(jí)系統(tǒng)的閾值泵浦功率遠(yuǎn)高于四能級(jí)系統(tǒng)。四能級(jí)系統(tǒng)與三能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的途徑基本相同。不同之處15除能級(jí)數(shù)目外，另外一個(gè)對(duì)閥值有影響的重要因素是光纖介質(zhì)的長(zhǎng)度。在一個(gè)端面泵浦光纖激光器中，所能得到的泵浦光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)將在泵浦端達(dá)到最大值。如果光纖太短，則對(duì)泵浦光的吸收不充分。但這并不意味著光纖越長(zhǎng)越好，因?yàn)楣饫w太長(zhǎng)，在輸出端介質(zhì)對(duì)激光光子吸收將使輸出功率下降。除能級(jí)數(shù)目外，另外一個(gè)對(duì)閥值有影響的重要因素是光纖介質(zhì)的長(zhǎng)度16光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)諧振腔是光纖激光器的重要組成部分，對(duì)輻射光進(jìn)行反饋和選頻，形成諧振，輸出激光。諧振腔有多種結(jié)構(gòu)，其中常見(jiàn)的是Fabry-Perot腔和環(huán)形腔。光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)諧振腔是光纖激光器的重要組成部分，對(duì)輻射17如下圖所示，F(xiàn)abry-Perot諧振腔是由平行放置的介質(zhì)鏡組成的，其中一個(gè)是全反，另一個(gè)是部分反射，兩個(gè)介質(zhì)鏡可放置在光纖的兩端，也可直接鍍?cè)诠饫w的端面上。Fabry-Perot諧振腔如下圖如下圖所示，F(xiàn)abry-Perot諧振腔是由平行放置的介質(zhì)鏡18然而高功率密度的泵浦光透過(guò)端面腔鏡，會(huì)對(duì)腔鏡的絕緣鍍層損壞，降低了激光器的性能。為了避免泵浦光對(duì)腔鏡的損壞，可以采取以下方法：1）用波分復(fù)用耦合器直接將泵浦光耦合進(jìn)光腔內(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。光纖光柵線形腔結(jié)構(gòu)圖如下。然而高功率密度的泵浦光透過(guò)端面腔鏡，會(huì)對(duì)腔鏡的絕緣鍍層損壞，193）用光纖環(huán)形鏡取代高反射腔鏡，下圖所示，環(huán)形鏡對(duì)激光和泵浦光起到不同的作用，可反射激光而透射泵浦光。其的核心部分是光纖定向耦合器，這里主要應(yīng)用它的相干分束特性。禍合器的兩個(gè)臂(圖中的3,4點(diǎn))連接在一起，構(gòu)成了光在其中傳播的循環(huán)行程。3）用光纖環(huán)形鏡取代高反射腔鏡，下圖所示，環(huán)形鏡對(duì)激光和泵浦20光纖環(huán)形諧振腔環(huán)形腔也是激光器中經(jīng)常用到的一種諧振腔，該結(jié)構(gòu)不需要介質(zhì)鏡。而且即使沒(méi)有反射鏡，只用環(huán)形腔也可以構(gòu)成簡(jiǎn)單的環(huán)形腔激光器：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；環(huán)內(nèi)插入了隔離器(ISO)以保證激光的單向運(yùn)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）。無(wú)反射鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)圖如下光纖環(huán)形諧振腔環(huán)形腔也是激光器中經(jīng)常用到的一種諧振腔，該結(jié)構(gòu)21另外環(huán)行腔也可和耦合器，布拉格光柵(FBG)構(gòu)成激光器，如下圖所示。這是一種很重要的結(jié)構(gòu)，光柵對(duì)激光進(jìn)行反射和選頻，當(dāng)光柵的布拉格周期發(fā)生改變時(shí)，反射波長(zhǎng)可以改變，即輸出波長(zhǎng)發(fā)生改變，利用這一點(diǎn)我們可以進(jìn)行傳感。FBG環(huán)形腔結(jié)構(gòu)如下另外環(huán)行腔也可和耦合器，布拉格光柵(FBG)構(gòu)成激光器，如下22光纖激光器輸出特性理論閾值泵浦功率和斜率效率是說(shuō)明光纖激光器輸出工作特性的兩個(gè)最重要的參數(shù)。閾值泵浦功率是激光器達(dá)到闡值所必須吸收的泵浦功率；斜率效率是激光器達(dá)到閾值以后將泵浦功率轉(zhuǎn)化為激光功率的轉(zhuǎn)化效率。以簡(jiǎn)單的光纖F-P腔光纖激光器為例。當(dāng)光波在諧振腔內(nèi)往返一周所獲得的增益等于腔內(nèi)的總損耗時(shí)，激光器就達(dá)到了閾值。光纖激光器輸出特性理論閾值泵浦功率和斜率效率是說(shuō)明光纖激光器23光纖激光器發(fā)展概況光纖激光器己有40多年的歷史了。隨著量子電子學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)激光有了越來(lái)越深刻的認(rèn)識(shí)。隨著低損耗光纖的發(fā)展和半導(dǎo)體激光器性能的提高，光纖激光器得到快速的發(fā)展。80年代后期，劍橋?qū)汒悂?lái)公司和英國(guó)南安普頓大學(xué)的研究人員發(fā)展了包層泵浦光纖激光器，使得光纖激光器的功率和效率大大改善，這為光纖激光器的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。自此以后，光纖激光器迅速發(fā)展，激光性能不斷提高。光纖激光器發(fā)展概況光纖激光器己有40多年的歷史了。隨著量子電24未來(lái)光纖激光器發(fā)展的主要方向全方位拓寬光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域；研制全光纖激光器，實(shí)現(xiàn)與光纖通信系統(tǒng)高效率地連接；進(jìn)一步提高光纖激光器的性能，如高功率、改善光束質(zhì)量；壓窄激光譜寬；擴(kuò)展新的激光波段，拓寬激光器的可調(diào)范圍；開(kāi)發(fā)極高峰值的超短脈沖高亮度激光器；光纖激光器的實(shí)用化、智能化、小型化。而近幾年的研究熱點(diǎn)還是高功率光纖激光器、窄線寬可調(diào)光纖激光器及超短脈沖光纖激光器。未來(lái)光纖激光器發(fā)展的主要方向全方位拓寬光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域；25光纖激光器的特點(diǎn)光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定性。光纖既是激光增益介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)基質(zhì)材料是Si02，具有極好的溫度穩(wěn)定性;可實(shí)現(xiàn)激光振蕩的躍遷能級(jí)很多硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，大大降低激光器的成本易于進(jìn)行光纖集成，耦合損耗低?？稍趷毫拥沫h(huán)境條件下工作。光纖激光器的特點(diǎn)光束質(zhì)量好，具有非常好的單色性、方向性和穩(wěn)定26光纖激光器的應(yīng)用光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖通信、光纖傳感、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域取得了日益廣泛的應(yīng)用。光纖激光器的應(yīng)用光纖激光器以其卓越的性能和低廉的價(jià)格，在光纖27光纖激光器的基本理論光纖激光器按工作原理可分為四類:稀土類摻雜光纖激光器;光纖非線性效應(yīng)激光器；單晶光纖激光器;塑料光纖激光器。形成光纖激光的三個(gè)必須條件是:增益介質(zhì)、諧振腔和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光纖激光器的基本理論光纖激光器按工作原理可分為四類:稀土類摻28光纖激光器基本結(jié)構(gòu)光纖激光器是由泵浦源、增益介質(zhì)（即摻雜光纖）和諧振腔構(gòu)成的。下是一早期光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。一段摻雜稀土金屬離子的光纖放置于兩個(gè)反射率經(jīng)過(guò)選擇的腔鏡之間。光纖激光器基本結(jié)構(gòu)光纖激光器是由泵浦源、增益介質(zhì)（即摻雜光纖29腔鏡可選鍍介質(zhì)膜的玻璃片，也可用光纖光柵或光纖圈反射器。腔鏡的選用原則為，靠近泵浦端的腔鏡對(duì)泵浦波長(zhǎng)具有高透低反特性，而對(duì)信號(hào)激光波長(zhǎng)則要求具有高反特性。遠(yuǎn)離泵浦端的腔鏡一方面承擔(dān)對(duì)腔內(nèi)信號(hào)激光的反饋?zhàn)饔?，另一方面腔?nèi)信號(hào)激光須從該腔鏡耦合輸出。因此，為了獲得最大的輸出功率，輸出耦合腔鏡對(duì)信號(hào)激光波長(zhǎng)的反射率須根據(jù)腔內(nèi)增益和損耗視具體情況確定。光纖激光器是一個(gè)波導(dǎo)型的諧振裝置，光波的傳輸由光纖所擔(dān)負(fù)。泵浦光從光纖激光器的左邊腔鏡耦合進(jìn)入光纖，激勵(lì)光纖中的摻雜離子躍遷到高能態(tài)，離子無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，再受激輻射躍遷回基態(tài)產(chǎn)生光子，光子在諧振腔中振蕩放大后形成激光輸出。腔鏡可選鍍介質(zhì)膜的玻璃片，也可用光纖光柵30稀土元素特性及其能級(jí)結(jié)構(gòu)稀土元素光纖摻雜稀土離子就形成激光介質(zhì)，稀土元素的電離通常以形成三價(jià)狀態(tài)的形式發(fā)生，例如Nd3+,Yb3+,Er3+等，他們的熒光與吸收波長(zhǎng)不易受外場(chǎng)的影響。這樣，我們即可人為地選擇適宜的泵浦波長(zhǎng)，并在有實(shí)際意義的波長(zhǎng)上產(chǎn)生激光，這是光纖激光器具有的得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。稀土元素特性及其能級(jí)結(jié)構(gòu)稀土元素31對(duì)于摻稀土光纖，在其吸收帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供必要的泵浦，在其熒光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供形成增益和振蕩的條件，它就可以產(chǎn)生激光。當(dāng)光通過(guò)稀土摻雜光纖介質(zhì)時(shí)其部分光子將被介質(zhì)吸收，這些光子能量促使介質(zhì)的電子躍遷到激發(fā)態(tài)，其后處于激發(fā)態(tài)的電子通過(guò)受激輻射回到基態(tài)，并將能量釋放。受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相干性極好的激光。對(duì)于摻稀土光纖，在其吸收帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上32摻雜離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)光纖激光器中的增益介質(zhì)是稀土離子摻雜光纖。根據(jù)摻雜離子能級(jí)結(jié)構(gòu)的不同，光纖激光器主要可分為三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)，其工作原理分別如下圖。摻雜離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)光纖激光器中的增益介質(zhì)是稀土離子摻雜光纖。33三能級(jí)系統(tǒng)的工作原理是，泵浦源將粒子從基態(tài)E1泵浦到高能級(jí)E3，被泵浦到E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)的激光上能級(jí)E2。由于E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí)，于是粒子在E2上積累，實(shí)現(xiàn)了E2與E1兩能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。示意圖如下。三能級(jí)系統(tǒng)的工作原理是，泵浦源將粒子從基態(tài)E1泵浦到高能級(jí)E34摻鉺（Er3+）光纖激光器為典型的三能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如下圖所示。用波長(zhǎng)為980nm半導(dǎo)體激光器進(jìn)行泵浦，將Er3+基態(tài)4I15/2激發(fā)到激發(fā)態(tài)4I11/2，然后由4I11/2能級(jí)無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)4I13/2，最后躍遷到4I15/2能級(jí)發(fā)出1550nm的光。Er3+離子能級(jí)結(jié)構(gòu)如下圖。摻鉺（Er3+）光纖激光器為典型的三能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如下35四能級(jí)系統(tǒng)的工作原理如下，泵浦源將粒子從基態(tài)能級(jí)E0泵浦到高能級(jí)E3，被泵浦到E3上的粒子通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)的激光上能級(jí)E2。由于E2是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的能級(jí)，于是粒子在E2上積累，實(shí)現(xiàn)了E2與激光下能級(jí)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四能級(jí)系統(tǒng)的工作原理如下，泵浦源將粒子從基態(tài)能級(jí)E0泵浦到高36摻銣光纖激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)圖如下所示。激光器由800nm砷化嫁(GaAs)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行泵浦，實(shí)現(xiàn)4I9/24F5/2躍遷，當(dāng)粒子從4F5/2激發(fā)態(tài)躍遷到4I9/2,4I11/2,4I13/2三個(gè)低能態(tài)時(shí)，就分別發(fā)射出波長(zhǎng)位于900nm,1060nm,1320nm波段的激光。其中，由于4G7/2

4F32的激發(fā)態(tài)吸收作用，波長(zhǎng)為1320nm的激光被削弱。摻銣光纖激光器為四能級(jí)系統(tǒng)，其能級(jí)圖如下所示。激光器由80037四能級(jí)系統(tǒng)與三能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的途徑基本相同。不同之處是：四能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能級(jí)E1不是基態(tài)，激光下能級(jí)和基態(tài)能級(jí)之間仍然存在著一個(gè)躍遷，通常為無(wú)輻射躍遷。在熱平衡狀態(tài)下下能級(jí)E1上的粒子數(shù)很少，容易實(shí)現(xiàn)E2與E1能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。而三能級(jí)系統(tǒng)中，下能級(jí)E1是基態(tài)，或是極靠近基態(tài)的能級(jí)。通常情況下，粒子幾乎全部處于基態(tài)。必須將一半以上的粒子激發(fā)到高能級(jí)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這就需要較高的泵浦功率。所以，三能級(jí)系統(tǒng)的閾值泵浦功率遠(yuǎn)高于四能級(jí)系統(tǒng)。四能級(jí)系統(tǒng)與三能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的途徑基本相同。不同之處38除能級(jí)數(shù)目外，另外一個(gè)對(duì)閥值有影響的重要因素是光纖介質(zhì)的長(zhǎng)度。在一個(gè)端面泵浦光纖激光器中，所能得到的泵浦光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)將在泵浦端達(dá)到最大值。如果光纖太短，則對(duì)泵浦光的吸收不充分。但這并不意味著光纖越長(zhǎng)越好，因?yàn)楣饫w太長(zhǎng)，在輸出端介質(zhì)對(duì)激光光子吸收將使輸出功率下降。除能級(jí)數(shù)目外，另外一個(gè)對(duì)閥值有影響的重要因素是光纖介質(zhì)的長(zhǎng)度39光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)諧振腔是光纖激光器的重要組成部分，對(duì)輻射光進(jìn)行反饋和選頻，形成諧振，輸出激光。諧振腔有多種結(jié)構(gòu)，其中常見(jiàn)的是Fabry-Perot腔和環(huán)形腔。光纖激光器諧振腔結(jié)構(gòu)諧振腔是光纖激光器的重要組成部分，對(duì)輻射40如下圖所示，F(xiàn)abry-Perot諧振腔是由平行放置的介質(zhì)鏡組成的，其中一個(gè)是全反，另一個(gè)是部分反射，兩個(gè)介質(zhì)鏡可放置在光纖的兩端，也可直接鍍?cè)诠饫w的端面上。Fabry-Perot諧振腔如下圖如下圖所示，F(xiàn)abry-Perot諧振腔是由平行放置的介質(zhì)鏡41然而高功率密度的泵浦光透過(guò)端面腔鏡，會(huì)對(duì)腔鏡的絕緣鍍層損壞，降低了激光器的性能。為了避免泵浦光對(duì)腔鏡的損壞，可