拉曼光纤激光器的应用与发展.doc

论文拉曼光纤激光器的应用与发展班级：姓名：学号：目录一 引言4二 光纤的基础理论42.1光纤基本概念：42.2 光纤组成结构42.3光纤器件的分类52.4 光纤材料组成及分类以及性能52.5纤传输系统的组成及光纤的传输过程52.6 光纤传输原理及分类62.7光纤的制备方法与工艺流程7三 拉曼光纤激光器简介83.1 拉曼光纤激光器的概念和组成83.2 拉曼光纤激光器分类103.3拉曼光纤激光器工作原理10五 拉曼光纤激光器的发展与应用14六 小结15七 参考文献:16拉曼光纤激光器的应用与发展 杜春雪 摘要：近年来, 光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。本文讨论了光纤激光器的基本概念，组成结构，器件的分类，以及其光纤材料组成及其性能，光纤传输系统组成及光纤的传输过程。光纤是一种采用玻璃作为波导,以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。光纤传输原理及分类：光纤传输原理：光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。光纤的制备方法与工艺流程：（1）预制棒和尾管的入库（2）抛光流程（3） 拉丝过程 本文我将重点讲解拉曼光纤激光器的应用与发展，拉曼光纤激光器是一种新型的激光器件，结构简洁，输出光束质量好，波长转换能力强，常温下比较稳定，是拉曼光纤放大器和掺饵光纤放大器的理想泵浦源和信号源，随着DWDM系统的广泛商用，将会得到更加广泛的研究和重视。简略了解拉曼光纤激光器的概念，组成及其分类，拉曼光纤激光器工作原理，重点讨论拉曼光纤激光器的发展与应用，以及发表个人一些观点。关键字：光纤；拉曼激光器；自发拉曼散射；受激拉曼效应；一 引言近年来，随着社会信息传输量的急剧增加，人们对拉曼光纤放大器的研究越来越重视，因为它可放大掺铒光纤放大器所不能放大的波段。由于拉曼光纤放大器基于受激拉曼散射效应，一般具有较高的泵浦阈值，需要较大功率的泵浦源。目前较为适用的泵浦方法有两种：采用多个半导体耦合复用和利用级联拉曼光纤激光器作为泵浦源。与前者相比，后者具有能量利用率高、结构简单、成本低等优点。以1060nm激光作为泵浦源，级联拉曼激光器可以在光通信所需的131 m和155 m甚至任意波长实现激光输出。因此，级联拉曼激光器引起了各国研究者的极大兴趣，在最近几年内取得了很大的进展 。目前国内对拉曼光纤激光器的研究并不多，见诸报端的只有南开大学一家 J。主要是因为实现级联输出所需的光纤布拉格光栅其工作波长比较特殊而难于加工，国内目前还未有相应的光栅产品，文献5中所用的光栅也是进口的。本文采用国产镀膜镜来作为谐振腔镜，实现了一级拉曼激光输出，验证了其可行性。二 光纤的基础理论2.1光纤基本概念：光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。2.2 光纤组成结构光纤裸纤一般分为三层： 中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5m)，中 间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125m)，最外是加强用的树脂涂层。 - 光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和涂覆层。 - 核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要传输通道,包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤， 同时又增加光纤的柔韧性,起着延长光纤寿命的作用。2.3光纤器件的分类光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：损耗小；有一定带宽且色散小；接线容易；易于成统；可靠性高；制造比较简单；价廉等。光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85m、1.3m、1.55m）。（2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。（4）原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。2.4 光纤材料组成及分类以及性能按光纤的组成材料可分为：石英玻璃光纤（主要材料为SiO2）、复合光纤（主要材料为SiO2、Na2O和CaO等氧化物）、硅酸盐光纤、氟化物光纤、塑包光纤、全塑光纤、液芯光纤、测光光纤、尾光光纤、工业光纤等。光通信中主要用石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。 2.5纤传输系统的组成及光纤的传输过程 光纤是一种采用玻璃作为波导,以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。 光纤传输系统主要由三部分组成：光源(又称光发送机)，传输介质、检测器(又称光接收机)。计算机网络之间的光纤传输中，光源和检测器的工作一般都是用光纤收发器完成的，光纤收发器简单的来说就是实现双绞线与光纤连接的设备，其作用是将双绞线所传输的信号转换成能够通过光纤传输的信号(光信号)。当然也是双向的，同样能将光纤传输的信号转换能够在双绞线中传输的信号，实现网络间的数据传输。光纤传输系统按传输信号可分为数字传输系统和模拟传输系统。模拟传输系统是把光强行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅(频率或相位)的连续变化。数字传输系统是把输入的信号变换成“1”，“O”脉冲信号，并以其作为传输信号，在接受端再还原成原来的信号。光纤传输过程：由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制（Intensity Modulation）。典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。2.6 光纤传输原理及分类 光纤传输原理：光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。在系统的一端是发射机，是信息到光纤线路的起始点。发射机接收到的已编码电子脉冲信息来自于铜线电缆，然后将信息处理并转换成等效的编码光脉冲。使用发光二极管或注入式激光器产生光脉冲，同时采用透镜，将光脉冲集中到光纤介质，使光脉冲沿线路在光纤介质中传输。随着光纤传输信号的不同所需要的设备有所不同。可按不同的方式进行分类：按照传输模式来划分：光线只沿光纤的内芯进行传输，只传输主模我们称之为单模光纤(SingleMode)。有多个模式在光纤中传输，我们称这种光纤为多模光纤(Multi-Mode)。按照纤芯直径来划分：缓变型多模光纤、缓变增强型多模光纤和缓变型单模 光纤按照光纤芯的折射率分布来划分：阶跃型光纤(Step index fiber)，简称SIF；梯度型光纤(Graded index fiber)，简称GIF；环形光纤（river fiber)；W 型光纤。2.7光纤的制备方法与工艺流程1）光纤制造方法主要有：管内CVD（化学汽相沉积）法，棒内CVD法，PCVD（等离子体化学汽相沉积）法和VAD（轴向汽相沉积）法。2）工艺流程： 1预制棒和尾管的入库（贴上编码，例如预制棒编SD091204001尾管编码：F100828018）2 抛光流程 将预制棒与尾管分别固定在机器上，尽量使其切面对齐，经过高温持续加热1小时，融化焊接，然后磨平焊接口，最后冷却足够（2小时以上）取下。3. 拉丝过程（1）裸光纤 光纤外径波动越小越好，光纤直径波动可导致光纤产生后散射功率损耗和光纤接续损耗。（2）光纤涂覆 裸光纤高速进入模具被拉入涂料液中，由于光纤本身是带有热量的,因此在模具顶部的涂料粘性就低于涂料罐里的涂料粘度。良好的稳定涂覆状态应包括以下几个方面：a在涂覆层中无气泡或杂质；b良好的涂层同心度；c小的涂层直径变化。三 拉曼光纤激光器简介3.1 拉曼光纤激光器的概念和组成拉曼光放大技术为长距离传输提供了一种新的获取功率预算的手段，成为关注焦点。对于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只14XXnm泵浦激光器通过偏振复用获得拉曼泵源.方法二是采用拉曼光纤激光器(RFL)来产生特定波长的大功率激光，目前该技术已得到相当程度的发展并形成了商用产品(如美国IPG、法国Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模块).随着光纤耦合技术的成熟，利用光纤作为增益介质的拉曼光纤激光器得到了迅速的发展，通过在光纤两端写入具有适当反射率的光纤Bragg光栅，组成谐振腔对光纤内的斯托科斯光进行反馈，形成激光震荡就会产生相应的激光。 采用光栅对组成谐振腔，同时利用比较长的高非线性光纤作为增益介质，其输出波长取决于泵浦源波长和增益介质的拉曼频移，典型的拉曼光纤激光器采用双包层掺Yb作为泵浦源，长距的拉曼增强光纤作为增益介质，五对光纤光栅组成谐振腔。只要提供足够高的泵浦购驴，通过逐级的拉曼频移，最终会得到1455nm的光源输出，可以使用可协调反射率的输出外，也可以构建多波长高频率拉曼光纤激光器，并应用与C+L波段的拉曼放大器中。3.2 拉曼光纤激光器分类（1）线形腔拉曼光纤激光器 若从线形腔拉曼光纤激光器的输出波长来划分，可以分为单波长和多波长拉曼光纤激光器两大类。不同线形拉曼光纤激光器的结构基本相似，都采用布拉格光栅作为其谐振腔的反射镜。（2）环行腔拉曼光纤激光器环行腔结构在激光技术中具有重要的地位和作用，也是构建拉曼光纤激光器的另一种重要方式。OFC2001中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光纤激光器(2lRFL)9 3.3拉曼光纤激光器工作原理3.3.1 自发拉曼散射拉曼散射源于光子和介质分子的非弹性碰撞过程，当入射光子和分子发生碰撞时，可以是弹性碰撞，也可以是非弹性碰撞，在非弹性碰撞过程中，光子和分子之间有能量交换，光子能够转移一部分能量给分子或者从分子中吸收一部分能量，其量子描述为：入射光束的一个光子被一个介质分散射成为另一个不同频率的光子，同时完成分子振动态之间的跃迁。3.3.2 受激拉曼散射当入射光是一束能量足够强的激光时，生成的斯托克斯光的强度逐渐成比例的增长，当明显的受刺激特性，这种现象就是受激拉曼散射（SRS），他是介质在强光场作用下的一种非线性效应。受激拉曼过程可描述如下：早受激拉曼散射中，入射光子主要是被受激声子散射，所谓受激声子是指最初的一个入射光子与热振动声子碰撞，产生了一个斯托克斯光子和一个受激光声子，光声子再与入射光子碰撞，是一个循环往复的过程。受激拉曼散射的本质就是入射光和斯托斯克斯光之间的相互耦合引起的能量转移。3.3.3 光纤中的受激拉曼散射在低损耗光纤中由于高强度的激光场与介质的相互作用限制在非常小的纤心内，使功率密度非常大，作用维持距离长，能量耦合非常充分，尽管受激拉曼散射的阈值比较高，仍然可以在光纤观察受到及拉曼产生，并且与其介质相比具有相对较低的阈值和更高的增益。拉曼增益系数表达式应为：依照表达式，可以计算出光纤的拉曼增益系数：由非线性光学原理可知，拉曼增益系数图谱能够拉曼响应函数求傅氏变换得到，其中一个广为使用的近似响应函数可以表示为：四 拉曼光纤激光器的特点采用标准单模石英光纤作为拉曼增益介质，国产镀膜镜作为谐振腔镜，在1064nm光纤激光器的泵浦作用下，在波长1123nm获得了一级拉曼激光输出。本文对光纤拉曼激光器进行理论分析，实现和优化设计。主要研究和结果如下：(1)分析并且实现了自制1342nm波长，单模尾纤输出的半导体泵浦固体激光器，并进行了优化，以作为RFL的起始波长使用；(2)对REL的理论模型进行了较全面的理论分析，在数学模型上，采用四阶龙格-塔库法进行了理论计算。(3)对RFL的各种优化方式，包括选择优化的反射率和采用泵浦光反向泵浦，进行了理论的讨论和实验实现。(4)与其它激光器相比,拉曼光纤激光器的光谱性纯，调制时产生的畸变较小，而且用于光纤通信中时与光耦合损失小（5）拉曼光纤激光器具有波导式的结构，所以基于的硅光纤的工艺现在已经比较成熟，可制作出高精度，低损耗的光纤。（6）具有最佳的模式质量，不随时间和周围温度的变化而质量降低，能够批量生产，价格上也较为合理。（7）拉曼光纤激光器适合很多领域的应用，如：工业，医学领域，体积小，性能可靠，而且在聚集为小光斑时，传输很高的功率密度和亮度。五 拉曼光纤激光器的发展与应用光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。早在1961年，美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的S.B.Poole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。近期，随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中，以光纤作基质的拉曼光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。目前拉曼光纤激光器技术是研究的热点技术之一。 随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，拉曼光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进；技术的进步，特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术等为基础的新型光纤器件等的陆续面市，将为拉曼光纤激光器的设计提供新的对策和思路。尽管目前多数类型的拉曼光纤激光器仍处于实验室研制阶段，但已经在实验室中充分显示其优越性。必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。在未来几年中，激光市场产业整体将以每年近10%的速度增长。随着半导体激光器产生技术和光纤制造工艺的进步，以光纤作为增益介质的拉曼光纤激光器，在降低阈值，波长可协调性以及温度控制方面，以取得明显进步。作为目前光纤通信领域的新型技术，可以应用于现有的各种光纤通信系统，支持更高的传输速度，特别是作为大容量密集波分复用系统稳定的泵浦源与信号源，已经得到了广泛的应用与发展。我相信随着时代的发展与进步，我们会在拉曼光纤激光器上取得更大的进步，会有更多的领域得到应用。坚信它的前景是客观的。六 小结 在目前，国外已有较成熟的产品,是拉曼光纤激光器因其具有优质的光束质量，高功率和稳定性等多方面的优点逐渐成为研究热点，收到了广泛关注。随着半导体激光器产生技术和光纤制造工艺的进步，以光纤作为增益介质的拉曼光纤激光器，在降低阈值，波长可协调性以及温度控制方面，以取得明显进步。作为目前光纤通信领域的新型技术，在Internet和其他新型数据业务不断对通信容量和系统扩展提出苛刻要求的今天，它可以应用于现有的各种光纤通信系统，支持更高的传输速度，特别是作为大容量密集波分复用系统稳定的泵浦源与信号源，已经得到了广泛的应用与发展。 当务之急，一方面着力开展光纤激光器的应用，寻找最适用的应用领域和市场；一方面着手加快国内光纤激光器的研发，已有研发基础的单位应加快与企业合作，根据市场需要推出国内首批产品。关于光纤激光器的研发，应从应用过程中加深对器件的了解和认识，根据使用反馈，不断改进和完善器件的结构和性能。在发展拉曼光纤激光器产品的过程中可能推动高功率半导体二极管产业的发展。为促进拉曼光纤激光器的进一步发展，有必要深入研究新型光纤材料和新型的器件结构，以满足应用不断提出的新要求。它已经引起激光科技人员和企业工程技术人员的极大关注，展现出了一个美好的应用前景。它有非常广阔的潜在市场，正在形成一个新型高新技术产业。 七 参考文献:【1】 孟宪林，张怀金，祝俐，吕孟凯等，掺钕钒酸钇单晶光谱与激光特性。人工晶体学报，1999年10月【2】 李健，何京良，侯伟，陈毓川，许祖彦等，Nd3+掺杂浓度对大功率全固态Nd:YV04激光器输出特性影响的研究。中国激光，2000,27（4）【3】 W.L.Nighan,Jr,M,Park,M.S.Kehstead et al.Diode pumped laser with strong thermallens crystsl.US Patent,5410559.Apr.25.1995【4】 毛玉红，陈晓波，张光寅等，ZBLAN-Pr非晶中Pr离子光谱参量的测量和计算。量子电子学，1993,10【5】 J.W.Haus,M.Hayduk,W.Kaechele et al.A mode-locked fiber laster with a chirped grating mirror J.Opt.Comm.200