光纤传感器作业.doc

1. 讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理1)掺铒光纤激光器EDF作为EDFL的增益介质，其基本原理是在光纤的纤芯中能产生激光的稀有元素（如铒、钕、镨等），通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。利用掺铒光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺铒光纤中，使光线中的铒原子的电子能级升高。当高能级向低能级跃迁时，向外辐射出光子。当有光信号输入时，辐射光的相位和波长会自发与信号光传输一致。这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大。信号光在掺铒光纤的输出过程中可不断被放大。用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源还可产生可调谐激光。用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分。2)钕光纤激光器掺钕光纤中形成受激辐射的是三价钕离子，对于1.06um激光波长，以800nm波长的光源作为泵浦源，钕离子是一个四能级系统，参与激光过程的能级有四个，辐射波长为1.06um，四能级系统的激光下能级不是基态，而是中间能级，中间能级在热平衡状态上是空的，因而四能级的系统很容易实现E3和E2间的粒子数反转，四能级系统激光器的阙值比三能级系统低的多，因而掺钕光纤激光器的效率要比掺饵光纤激光器的高。2. 举例说明三种谐振腔的原理和应用？1)光纤环行谐振腔泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔。激励的激光与泵光无关。产生的激光由4端到3端。经耦合器分为2束：一束从2端输出；另一束由4端返回并被谐振放大；如此反复。其中储存了能量。2）光纤圈反射器假设光波从端口1进入耦合器，耦合器将一半功率耦合到端口3，而将另一半功率耦合到端口4（即耦合系数k=0.5）.50%的输入光沿光纤圈顺时针传播，而将另一半沿光纤圈逆时针传播。跨过耦合器的光波比光波直通的光波相位滞后/2.端口2的投射功能是两个场的叠加，即具有任意相位的顺时针场和相位为-的逆时针场的叠加，两者的幅度相等，正好抵消，结果投射输出为0.由能量守恒可知，所有输入光都沿端口1返回。3)光纤圈谐振腔光纤圈为非谐振的干涉仪结构。其中没有能量储存。光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射。3. 举例说明2种光纤激光器构成和产生激光的原理1)掺Er 3+光纤激光器由合适长度的掺Er 3+光纤、980nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。当半导体激光器泵浦掺饵光纤时，大量处于4I15/2(基态E1）上的Er 3+受激跃迁到能级4I11/2(E3)上，但Er 3+在4I11/2上是很不稳定的，其寿命只有纳秒量级，跃迁到4I11/2上的Er 3+粒子各自纷纷放出能量(E3-E2)而很快地跃迁到4I13/2上。4I13/2是亚稳态，寿命较长(约10ms)，释放出来的能量给了Er 3+周围的玻璃介质，而使光纤发热。这个过程是无辐射跃迁，与发射和吸收光子无关。处在4I13/2上的Er 3+不断自发跃迁，回到基态4I15/2并发出1.536m的自发辐射荧光。如果此时半导体激光器的泵浦功率不足以产生粒子数反转，则掺铒光纤只能发出荧光。当泵浦功率增加到足够强而使.N2N1,即把.光纤中多于一半的Er 3+从4I15/2能级抽运到4I13/2而达到粒子数反转分布时，掺铒光纤就转化为1.536m波长的光放大器。如果再提供适当的反馈，那么当泵浦功率增加到阈值时。激光器开始振荡，并发出1.536m波长的激光。掺铒光纤中参与形成受激辐射的Er 3+是三能级系统。激光下能级是基态，在热平衡时，几乎全部离子都处在此能级上(N1=N,N20) 。因此，为了实现粒子数反转。至少要将大于N/2的基态能级上的Er 3+离子抽运到4I13/2能级上。这就要求有很强的激励光源。所以三能级激光器效率不高。2)掺Nd3+光纤激光器由合适长度的掺Nd 3+光纤、800nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成。用一段合适长度的掺钕光纤和输出波长合适的大功率激光二极管，再加上谐振腔即可构成掺钕光纤激光器。掺钕光纤中形成受激辐射的是三价钕离子Nd3+，对于1. 06m激光波长，以800 nm波长的光源作为泵浦源。Nd3+是一个四能级系统，参与激光过程的能级有4个。E1(4 I9/2)为基态E4(4F5/2)为吸收带，受激辐射产生于E3(4 F3/2)与E2(4I112)之间，辐射波长为1. 06 m。四能级系统的激光下能级不是基态E1，而是中间能级E2。E2能