光纤激光器的简介ppt.ppt

王照勇 引言 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年代低损耗的掺铒光纤 从而为光纤激光器带来了新的前景 引言 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 目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一 光纤激光器的应用 材料处理的应用 标刻应用 激光切割的应用 材料弯曲的应用 光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵源 耦合器 掺稀土元素光纤 谐振腔等部件构成 结构如图所示 泵源由一个或多个大功率激光二极管构成 其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构祸合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内 泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收 形成粒子数反转 受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出 光纤激光器原理 在几乎各种光纤激光器特别是掺杂光纤激光器中 光纤光栅都发挥着十分重要的作用 利用光纤光栅构成其谐振腔的激光器结构得到了越来越多的关注 光纤光栅起着激光选频 反馈或兼有放大的功能 巧妙地取代了镜片式传统光学谐振腔 解决了光路需调节的问题 它与稀土光纤的结合使得光纤激光器真正实现了全光纤结构 它精密的频率选择性可以获得单纵模窄线宽的激光输出 还可以降低噪声 它良好的调谐特性可以使激光器形成连续可调输出 利用多反射峰的光纤光栅可以实现光纤激光器的多波长输出 如果将多反射峰与调谐性能结合起来还可以实现可选波长激光器 下面介绍一下光纤光栅的原理 光纤光栅的耦合模理论 耦合模理论是研究光纤光栅中应用范围最广的一种方法 能够比较全面 细致 全程地描述光波藕合行为 可以用于分析DFB半导体激光器 各种波导耦合器件等多个领域中的电磁波活动 它是以表述模场幅度如功率在传输过程中变化规律的微分方程为基础的模式理论 光纤光栅的耦合模理论 从Maxwell方程组可以简单地推导出波导中光场所遵守的Helmholtz方程 式中E为电场强度 k 为真空中波矢 n是介质折射率 光纤中所支持的光场模式可以表示为 其中 为各模式的归一化横向模场分布 为传输常数 式中的 号与 号分别代表沿z轴正反向传播的光场 通常紫外光引起的折射率改变非常小 约为量级 当作微扰处理是合理的 根据微扰理论 经过紫外曝光后光栅区的光场可以表示为曝光前光纤所支持的光场模式完备集的叠加 光纤光栅的耦合模理论 分别表示沿 轴正反方向传输的第j个模式光场的慢变幅度 光栅区的折射率调制具有周期性 可以按傅立叶级数展开 且用相位掩模板或全息干涉等方法制作的光栅可近似地看作正弦调制 高次项所对应的幅度很小而被忽略 此时光纤芯区的折射率可简单地表示为 光纤激光器原理 是折射率的调制周期 n 是紫外曝光前的纤芯折射率 是光致折射率变化的直流分量 是折射率调制的条纹可见度 而也就是折射率调制的交流分量 必 z 则描述光栅周期的变化 同时 归一化模场分布函数满足以下方程 在弱波导耦合条件下 是一个缓慢变化的包络函数 它的二阶导数可忽略不计 考虑到各模式之间的正交性 可推导出光栅区各模式之间的耦合方程为 光纤激光器原理 式中的为第k个模式和第j个模式的横向藕合系数 可表示为 对于用单模光纤制作的Bragg光栅来说 光纤光栅中只支持正反向基模之间的藕合 近似可得到最简单常用的基模藕合方程 其中 光纤激光器原理 通过不同波长处的反射系数就可得到光纤光栅对应的反射率和群时延特性 对于其它周期不均匀或折射率调制不均匀等复杂结构的光纤光栅就只能够借助于数值求解方法了 光纤激光器的优越性 优越性主要体现在 光纤激光器是波导式结构 可容强泵浦 具有高增益 转换效率高 阈值低 输出光束质量好 线宽窄 结构简单 可靠性高等特性 易于实现和光纤的耦合 光纤激光器的分类 1 谐振腔结构法布里一珀罗 F一P Fabry一Perot 腔 环形腔 环路反射器光纤谐振腔等 2 激光输出的时域特性连续波光纤激光器与脉冲光纤激光器 3 激光输出波长数目单波长光纤激光器和多波长光纤激光器 4 工作机制上转换光纤激光器 下转换光纤激光器 5 增益介质特性稀土掺杂光纤激光器 塑料光纤激光器 基于非线性效应的光纤激光器等 分类依据 包层泵浦光纤激光器技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破 它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实 自1988年ESnitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来 包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域 成为制作高功率光纤激光器首选途径 目前 该技术被称为多模并行包层泵浦技术 包层泵浦光纤激光器技术 在常规阶跃折射率光纤的纤芯3和外包层5之间增加了一层用于传输多模泵浦光的内包层4 纤芯3中掺杂有稀土离子 和传统的单模光纤纤芯相似 用于传输信号光 并实现对信号光的单模放大利用光耦合系统2将多个多模激光二极管1发出的泵浦光耦合至光纤内包层4中 多模泵浦光在内包层传输时会反复穿过单模光纤纤芯3 这样掺杂在纤芯3中的稀土离子就会吸收泵浦光能量 其外层电子从基态跃迁到上能级 实现粒子数反转 然后通过跃迁产生自发辐射光通过在光纤内设置的光纤光栅6的选频作用 特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生激光输出 包层泵浦光纤激光器技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破 它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实 多模并行包层泵浦技术特性决定了该类激光器有以下几方面的突出性能 高功率 无需热电冷却器 效率高 高可靠性 新型的光纤激光器技术 早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面 今天 密集波分复用 DWDM 和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长光纤激光器技术 超连续光纤激光器等的进步 同时 多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现 则为低成本地实现Tb s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案 就其实现的技术途径来看 采用EDFA放大的自发辐射 飞秒脉冲技术 超发光二极管等技术均见报道 新型的光纤激光器技术 多波长光纤激光器 基于光纤的超连续光纤激光器 锁模光纤激光器 频率上变换光纤激光器 结语 随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展 光纤激光器技术正在不断向广度和深度方面推进 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 将为光纤激光器的设计提供新的对策和思路 包层泵浦光纤激光器和单波长 2lRFL和3lRFL的面市 无疑体现出光纤激光器的巨大潜力 尽管目前多数类型的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 结语 目前光纤激光器的开发研制正向多功能化 实用化方向发展 其中比较突出的光纤激光器类型有 能根据客户需要波长而输出特定波长的Raman光纤激光器 针对WDM系统而开发的基于超连续谱的多波长光纤激光器 能改变波长间隔的多波长光纤激光器