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认识光纤激光器 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 激光的应用 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 激光器的原理图 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 工作物质 掺杂光纤 光纤中Er3 和Nd3 电子能级图 掺杂光纤的光谱特性 Er3 Nd3 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 Pr3 镱 Yb3 铥 Tm3 等 此外共掺技术也得到了发展 双包层光纤 光纤芯 由掺稀土元素的SiO2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SiO2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 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 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 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 各种泵浦耦合方式技术参数对比 泵浦耦合技术 谐振腔 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 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 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 跨过耦合器的光波比直通的光波相位滞后 2 在端口2处的透射功率是任意相位 的顺时针场和相位为 的逆时针场的叠加 正好相互抵消 透射输出为零 所有输入光沿端口1返回 其他腔型结构 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 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 复合谐振腔的频率间隔为只要适当选择L3和L4的值 使它们的差值足够小 就可以使复合腔的纵模间隔足够大 一直在整个增益谱线内只有一个纵模在振荡 该激光器就可以实现单纵模运转 但该腔对温度波动和振动都很敏感 因为两者都会影响两个子腔是否同时达到谐振点 Fox Smith谐振腔 调Q技术 调Q技术也叫Q开关技术 是一种获得高峰值功率 窄脉宽激光脉冲的技术 将这种高峰值功率的窄脉冲叫做巨脉冲 激光技术中 用Q值来描述一个共振腔的品质 称其为共振腔的品质因子 共振腔的品质因子Q定义为 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 随着泵浦光源的作用 激光器达到其振荡阈值产生激光振荡 腔内光子数密度上升 输出激光 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 增加泵浦能量只能增加尖峰个数 无法提高脉冲峰值功率 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 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 在泵浦开始时使腔处在低Q值状态 即提高振荡阈值 使振荡不能生成 上能级的反转粒子数就可以大量积累 当积累到最大值 饱和值 时 突然使腔的损耗减小 Q值突增 激光振荡迅速建立起来 在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗 转变为腔内的光能量 在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来 于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出 现在调Q技术可以实现峰值功率在兆瓦级 106w 以上 脉宽为纳秒级 10 9s 的激光脉冲 调Q光纤激光器 声光调Q光纤激光器 电光调Q光纤激光器 调Q光纤激光器 马赫 曾特 M Z 干涉仪光纤调Q激光器 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 锁模技术 超短脉冲 纳秒以下的光脉冲ps fs 技术是物理学 化学 生物学 光电子学 以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段 在光纤通信中也需要超短脉冲光源 超短脉冲技术的发展经历了主动锁模 被动锁模 同步泵浦锁模 碰撞锁摸 CPM 以及90年代出现的加成脉冲锁模 APM 或耦合腔锁模 CCM 自锁模等阶段 其中 90年代自锁模技术的出现 在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8 5fs的超短光脉冲序列 一般多纵模自由振荡激光器的输出特性 1 各纵模初相位彼此无确定关系 是完全独立 随机的 2 频谱由于激光器中存在频率牵引和推斥作用 各相邻纵模之间的频率间隔不是严格相等的 因此 各纵模间是不干涉的 3 输出光强度由于各纵模间的非干涉迭加 而呈现出随机的无规则起伏 平均光强度为各纵模光强度之和 锁模原理 锁模定义 各振荡纵模初相位锁定 即常数 各振荡纵模频率间隔相等 并固定为 c 2nL 将各纵模的初相位锁定 故锁模也可以叫做锁相 三个不同频率光波的叠加 i 1 2 3 设三个振动频率分别为 1 2 3的三个光波沿同一方向传播 锁模前和锁模后的对比如下图 一个频率为 c的光波 经过外加频率为 1 2 m的调制信号调制后 其频谱包括了三个频率 即 c 上边频 c m 下边频 c m 而且这三个频率的光波的相位均相同 主动锁模 由调制激发的边频实际上是与 0相邻的两个纵模频率 这样使得与它相邻的两个纵模开始振荡 它们具有确定的振幅和与 0相同的相位关系 而后 1和 1通过增益介质被放大 并通过调制器得到调制 调制的结果又激发新的边频 2 1 c 2L和 2 1 c 2L及 3 2 c 2L和 3 2 c 2L等等 此过程继续进行 直到落在激光线宽内的所有纵模被激发为止 如图所示 假设处于增益曲线中心的纵模频率为 0 由于它的增益最大 首先开始振荡 电场表达式为 当该光波通过腔内的调制器时 受到损耗调制 调制的结果产生了两个边频分量 0 m 当损耗变化的频率 m和腔内纵模的频率间隔相等时 E t E0cos 0t 被动锁模 在激光谐振腔中插入可饱和吸收体来调节腔内的损耗 当满足锁模条件时 就可获得一系列的锁模脉冲 可饱和吸收体的吸收特性 可饱和吸收体 吸收系数随光强的增加而下降 强信号的透过率高于弱信号的透过率 即高强度的脉冲信号可以使吸收体饱和 图示出了激光通过可饱和吸收体透过率T随激光强度I的变化情况 强 弱信号大致以染料的饱和光强Is来划分 大于Is的光信号为强信号 否则为弱