单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,认识光纤激光器,认识光纤激光器,1,激光的性质,方向性,光束发散角很小。,单色性,单一波长。,相干性,在不同的空间点上，在不同,的时刻的光波场的某些特性,的相关性。,亮度高,很高的功率密度。激光器的,输出功率并不一定很高，但 由于光束很细，脉冲很窄，所 以功率密度非常大。太阳表面 的亮度比蜡烛大,30,万倍，比白 炽灯大几百倍。而普通的激光 器的输出亮度，比太阳表面的 亮度大,10,亿倍。,以上四种特性本质上可归结为一种特性，即激光具有很高的光子简并度。,美国休斯公司实验室的梅曼,(Maiman),于,1960,年制作出了第一台红宝石固体激光器,激光的性质方向性 光束发散角很小。美国休斯公司实验室的梅曼,2,内包层的形状对纤芯吸收泵浦光的比率有很大的影响，圆形内包层与纤芯的同心结构减少了螺旋光的吸收比率，因此改变这种通信结构可提高泵浦光吸收率。,透镜组与光纤是分立的，稳定性低不易集成,光纤中Er3+和Nd3+电子能级图,端口1和3对应的臂组成一个谐振腔，端口1和4对应的臂组成另一个谐振腔，两个腔耦合在一起构成复合谐振腔。,随着激光的发射，上能阶粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。,其他的稀土元素掺杂技术也比较成熟，有镨（Pr3+）、镱（Yb3+）、铥（Tm3+）等，此外共掺技术也得到了发展。,马赫-曾特（M-Z）干涉仪光纤调Q激光器,泵浦光在多模内包层中传输，可以采用多模LD阵列作为泵浦源。,侧面泵浦耦合技术：系统结构简单；,侧面泵浦耦合技术：系统结构简单；,（1）各纵模初相位彼此无确定关系，是完全独立、随机的。,使用较多的可饱和吸收体有半导体可饱和吸收镜、可饱和吸收染料、单壁碳纳米管、石墨烯等。,激光器在毫秒量级的脉冲光泵浦下，激光的输出时由一些强度不等，宽度为微秒量级的小尖峰组成，这种现象成为驰豫振荡。,激光器必须具备可以产生受激辐射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的三要素。,内包层的形状对纤芯吸收泵浦光的比率有很大的影响，圆形内包层与纤芯的同心结构减少了螺旋光的吸收比率，因此改变这种通信结构可提高泵浦光吸收率。,激光的应用,信息技术方面的应用光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器,检测技术方面的应用测长，测距，测速，测角，测三维形状,激光加工焊接，打孔，切割，热处理，快速成型,医学应用外科手术，激光幅照，眼科手术，激光血照仪，视光学测量,科学研究方面的应用激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程,军事方面的应用激光武器，激光雷达，激光制导技术,内包层的形状对纤芯吸收泵浦光的比率有很大的影响，圆形内包层与,3,激光的应用,激光的应用,4,激光器的工作原理,激光器必须具备可以产生受激辐射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的三要素。,工作物质,激光器的核心，实现粒子数反转，产 生受激辐射放大。,泵浦源,为工作物质实现粒子数反转提供能量，维持粒子数反转，工作物质不同，泵 浦方式也不同。,谐振腔,为激光振荡的建立提供正反馈，其参数 影响激光的输出质量。,受激辐射示意图,E2,E1,E0,hv,E2,E1,E0,hv,E2,E1,E0,hv,hv,hv,激光器的原理图,激光器的工作原理激光器必须具备可以产生受激辐射的物理条件，在,5,光纤激光器简介,激光器按工作物质分类可分为：气体激光器、液体激光器、固体（晶体和玻璃）激光器、半导体激光器和光纤激光器等。,光纤激光器是用光纤作为工作物质的激光器，目前研究与使用最广泛的光纤激光器是用掺杂稀土元素的光纤作为工作物质的掺稀土光纤激光器，它具有诸多优点。,（,1,）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势。,（,2,）散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低。,（,3,）光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。,（,4,）可获得宽带的可调谐激光输出。,（,5,）光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。,光纤激光器因上述优势在通信、工业加工、军事、医疗和光信息处理等领域得到了广泛的应用。,光纤激光器简介激光器按工作物质分类可分为：气体激光器、液体激,6,光纤激光器主要内容,工作物质,掺杂光纤，双包层光纤,泵浦源,泵浦耦合技术,谐振腔结构,线形腔，环形腔,光纤激光器调,Q,和锁模,光纤激光器主要内容工作物质掺杂光纤，双包层光纤,7,工作物质,掺杂光纤,4,I,13/2,4,I,15/2,Er,3+,Nd,3+,能级分裂,光纤中,Er,3+,和,Nd,3+,电子能级图,工作物质掺杂光纤4I13/24I 15/2Er 3+Nd,8,掺杂光纤的光谱特性,Er,3+,Nd,3+,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，其中,1350nm,波长正好对应于从亚稳态到更高能级的吸收跃迁，实现激光输出比较难。,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，其中,1536nm,波长对应低损耗第三通信窗口频率，因此掺铒光纤激光器发展十分迅速。,其他的稀土元素掺杂技术也比较成熟，有镨（,Pr,3+,）、镱（,Yb,3+,）、铥（,Tm,3+,）等，此外共掺技术也得到了发展。,掺杂光纤的光谱特性Er3+Nd3+掺钕光纤：,9,双包层光纤,内包层,光纤芯,外包层,保护层,激光输 出,泵浦光,单包层与双包层掺杂光纤的结构,光纤芯,泵,浦,光,激光输 出,保护层,光纤芯：由掺稀土元素的,SiO,2,构成，它作为激光振荡的通道，对 相关波长为单模；,内包层：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率 比纤芯小的纯,SiO,2,构成，它是泵光通道，对泵光波长 是多模的；,外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；,保护层：最,外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。,双包层光纤内包层光纤芯外包层保护层激光输 出泵浦光单包层与双,10,双包层光纤和泵浦源,光纤激光器的泵浦源多是采用激光二极管（,LD,）。常规单包层光纤激光器因需要将泵浦光耦合进入直径低于,10um,的单模纤芯，耦合效率低，限制了其输出功率，因而发展缓慢。双包层光纤的出现解决了耦合效率低的问题。泵浦光在多模内包层中传输，可以采用多模,LD,阵列作为泵浦源。内包层的形状对纤芯吸收泵浦光的比率有很大的影响，圆形内包层与纤芯的同心结构减少了螺旋光的吸收比率，因此改变这种通信结构可提高泵浦光吸收率。,不同内包层对泵浦光吸收效果比较,双包层光纤和泵浦源光纤激光器的泵浦源多是采用激光二极管（LD,11,泵浦耦合技术,泵浦耦合技术是获得高功率光纤激光器的核心技术之一，其目的是要把几十瓦甚至数百瓦的,LD,泵浦光功率耦合入直径只有数百微米的双包层光纤内包层，以获得高的泵浦功率。,泵浦耦合技术大体上可分为端面泵浦和侧面泵浦两种。,在端面泵浦方式中，有两类情况：透镜组耦合法，直接熔接法。,透镜组端面泵浦耦合,端面直接熔接耦合,优点：结构简单、易于实现,缺点：耦合占用了端面，无法同其他光纤级联，降低了灵活性；透镜组与光纤是分立的，稳定性低不易集成,优点：结构简单紧凑、实现了激光器的全光纤化,缺点：尾纤与光纤尺寸不同，熔接对准困难，附加损耗大,两种方法都只有两个端面用于泵浦，限制了最大功率。,泵浦耦合技术 泵浦耦合技术是获得高功率光纤激光,12,泵浦耦合技术,侧面泵浦耦合技术：系统结构简单；泵浦光在光纤中分布更趋均匀；不占用光纤两端，方便信号光输入输出；只需通过增加,LD,数量便可提高输出功率。,1.,熔锥侧面泵浦耦合,2.V,形槽侧面耦合,泵浦耦合技术侧面泵浦耦合技术：系统结构简单；泵浦光在光纤中分,13,泵浦耦合技术,3.,角度磨抛侧面耦合,4.,嵌入反射镜侧面耦合,其他泵浦方式：,平面波导盘状耦合,泵浦耦合技术3.角度磨抛侧面耦合4.嵌入反射镜侧面耦合其,14,两种方法都只有两个端面用于泵浦，限制了最大功率。,激光加工焊接，打孔，切割，热处理，快速成型,将各纵模的初相位锁定，故锁模也可以叫做锁相。,两个谐振腔频率不同，复合谐振腔必须同时满足两个子谐振腔的频率。,缺点：尾纤与光纤尺寸不同，熔接对准困难，附加损耗大,随着激光的发射，上能阶粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。,在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变，是产生弛豫振荡最根本的原因。,调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。,将各纵模的初相位锁定，故锁模也可以叫做锁相。,在光纤通信中也需要超短脉冲光源。,光纤圈反射器（光纤环形镜）包含一个定向耦合器和由该耦合器两输出端口连接在一起形成的一个光纤圈。,随着激光的发射，上能阶粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。,不占用光纤两端，方便信号光输入输出；,大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。,PZT为压电陶瓷，在PZT上加正弦电压，PZT产生周期性形变，与其固定在一起的光纤的光程随之发生周期性变化，在第二个耦合器出形成干涉，便可以视作腔的损耗周期性变化，实现调Q。,各种泵浦耦合方式技术参数对比,泵浦耦合技术,两种方法都只有两个端面用于泵浦，限制了最大功率。各种泵浦耦合,15,谐振腔,泵光,掺杂光纤,激光输出,剩余泵光,线型谐振腔光纤激光器,F-P,谐振腔,泵浦光必须透过腔镜进入光纤，高泵浦功率会损害腔镜的膜，限制了泵浦功率。此外，腔镜的输出谱线宽度与掺杂光纤的增益线宽有差距，有必要进行改进。利用光纤光栅（,FBG1,、,FBG2,）作为反射镜，置于掺杂光纤的两端，可以增强模式选择。光纤光栅可以是熔接到掺杂光纤上，也可以直接写到掺杂光纤上。,DBR,光纤激光器,谐振腔泵光掺杂光纤激光输出剩余泵光线型谐振腔光纤激光器F-P,16,环形谐振腔,环形谐振腔光纤激光器,线形腔中激光在掺杂光纤中振荡形成驻波，驻波的存在会产生烧孔效应，导致多模振荡，影响激光的相干性。而环形腔中激光运行在行波状态，不会产生烧孔效应。此外，环形腔具有封闭式波导结构，抗干扰能力强，稳定性高，具有很高的使用价值。,掺杂光纤,耦合器,耦合器,激光输出,隔离器,泵浦光,环形谐振腔环形谐振腔光纤激光器线形腔中激光在掺杂光纤中振荡形,17,亮度高 很高的功率密度。,科学研究方面的应用激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程,马赫-曾特（M-Z）干涉仪光纤调Q激光器,缺点：尾纤与光纤尺寸不同，熔接对准困难，附加损耗大,科学研究方面的应用激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程,脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效地通过，则使脉冲变窄。,侧面泵浦耦合技术：系统结构简单；,各振荡纵模频率间隔相等，并固定为 =c/2nL。,Fox-Smith谐振腔,两种方法都只有两个端面用于泵浦，限制了最大功率。,泵浦光在光纤中分布更趋均匀；,亮度高 很高的功率密度。,其他腔型结构,光纤圈反射器（光纤环形镜）包含一个定向耦合器和由该耦合器两输出端口连接在一起形成的一个光纤圈。,工作原理：耦合器耦合系数为,0.5,，光波从端口,1,进入耦合器，耦合器将一半的功率耦合到端口,3,，另一半耦合到端口,4,，即在光纤圈顺时针方向和逆时针方向传播的输入光各一半。跨过耦合器的光