激光加工技术_光纤通信系统中的激光器和光放大器.ppt

1、激光加工技术，光纤通信系统中的激光器和光放大器，2、7.1激光加工的一般原理，1。激光加工主要基于光在不透明介质上的热效应，即由光能吸收引起的热效应。因此，激光束的特性、材料对光的吸收以及热导率都有很大的影响。1)光束特性，例如：CO2激光器，聚焦前在透镜表面设置光斑尺寸，有效截面输出功率为200瓦，透镜焦距f=10毫米，求透镜后焦点处光斑有效截面的平均功率密度？2)材料的反射、吸收和导热系数，不同材料的反射率和波长密切相关。如果入射到材料表面的光强为I0，材料的吸收系数为，那么从表面到材料距离x处的光强为3，7.1。激光加工的一般原理，2)材料的反射、吸收和热传导，2。激光加工的例子，1)激光焊接，2)激光钻孔，3)激光切割。其优点是：7.2激光焊接，1)容易焊接高脆性、高硬度或高柔韧性的材料，而这些材料是普通焊接技术难以加工的。2)激光焊接过程中无机械接触，易于保证焊接部位不会因热压而变形，3)激光束易于控制，使得焊接工作更加方便，实现自动化和智能化。图7-19显示了显像管阴极芯激光焊接设备的原理。图7-19阴极芯1:分束器激光焊接设备示意图；2:聚焦透镜；3.阴极芯，5，7.2激光焊接，3。激光导热焊接，1)激光导热焊接的原理，2)激光导热焊接的工艺和一些参数。在热传导焊接过程中，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能量在表面转化为热量。表面热量通过热传导扩散到内部，熔化材料，并在两种材料的连接区域的部分形成溶解池。当熔池随着激光束向前移动时，熔池中的熔融金属不会向前移动。激光热导焊接、6，7.2激光焊接、3，2激光热导焊接、2)激光热导焊接的工艺和一些参数，激光热导焊接不锈钢时，功率与焊接速度和熔化深度的关系见图7-20、图7-20。因此，脉冲宽度应根据激光功率、所需的焊接熔深和热影响区的宽度进行适当选择。正散焦：焦平面位于工件上方；负散焦：焦平面位于工件下方，功率输入远大于热传导、对流和辐射散热率。材料表面蒸发形成小孔(图7-21)。孔中金属蒸汽的压力与周围液体的静态力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔直接到达孔的底部。该值称为临界功率密度，如图7-21深熔焊孔示意图所示。”。8、7.3激光打孔，首先，激光打孔原理，激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面板(图7-13)。2.激光打孔工艺参数的影响。”。窄脉冲可以获得更深更大的空穴。宽脉冲不仅减小了孔的深度和孔径，还增加了孔的表面粗糙度，降低了尺寸精度。图7-13激光钻孔机基本结构图，9，7.3激光钻孔，2。激光钻孔工艺参数的影响，当焦点在地表以下某一位置时，在相同条件下钻孔最深。然而，过度的聚焦和失焦将极大地降低激光功率密度，甚至产生盲孔(图7-15)。图7-15散焦量对钻孔质量的影响，10，7.3激光钻孔，2。激光钻孔工艺参数的影响，这样钻孔的深度应该减小。材料对激光的吸收率直接影响钻孔的效率。因为不同的材料对不同的激光波长有不同的吸收率，所以必须根据加工材料的特性来选择激光器。11、7.4激光切割，首先是激光切割的原理和特点，1、在切割过程中，激光束被聚焦成一个小光斑(最小直径可以小于0.1毫米)，使得焦点达到非常高的功率密度(可以超过106W/cm2)。如图7-17所示，激光切割头的结构如下。除了透镜之外，它还有一个同轴喷嘴来喷射辅助气流。2。激光切割的特点：图7-17激光切割头结构示意图，12，7.4激光切割，2。激光切割的分类和机理，(3)激光切割的工艺参数和规则。”。该切割机构所需的激光功率密度通常约为108瓦/平方厘米，这是一种非熔化材料切割方法。熔化和切割所需的激光功率密度通常约为107瓦/平方厘米。是的。切割速度对切割的表面粗糙度也有很大的影响。13、7.4激光切割，此外，喷嘴到工件表面的距离也对切割质量有很大影响。为了确保切割过程的稳定性，该距离必须保持恒定。3、激光切割工艺参数及其规律、4、工业材料的激光切割：金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割。光点尺寸与聚焦透镜的焦距成正比。虽然短焦距的透镜可以获得较小的光斑，但其焦深非常小。散焦量对切割速度和深度有很大影响，在切割过程中必须保持恒定。通常，散焦量是负的，即聚焦位置位于切割板表面下方的一点。要求光纤通信为半导体激光光源，9.1.1半导体激光器，半导体激光器是激光器的一个大家族。与固态激光器、气体激光器和其他类型的激光器相比，它具有体积小、重量轻、电光转换效率高、直接调制、使用方便等优点，非常适合光纤通信。图9-1显示了光发射器的工作原理。半导体激光器作为通信光源，是光纤通信的主要光源。因为光纤通信系统具有不同的应用水平和结构，所以需要不同类型的半导体激光器。图9-1光发射器框图，15，9.1.1半导体激光器，2。半导体激光器作为通信光源，(1)法布里-珀罗激光器，法布里-珀罗激光器(FP-LD)是最常见的半导体激光器，其谐振腔由两个半导体材料的解理面组成。目前，应用于光纤通信的可编程逻辑器件技术已经相当成熟。FP-LD结构和制造工艺最简单，成本最低，适用于调制速度小于622兆比特/秒的光纤通信系统。(2)分布式反馈半导体激光器，#实现动态单纵模工作的最有效方法之一是在半导体内部建立布拉格光栅，它依靠光栅频率选择原理来实现纵模选择。分布式反馈布拉格半导体激光器(DFB-LD)的特点是光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益，因此它的单色性优于普通的FP-LD。图9-2FB-LD结构图，#在DFB-LD制造技术的发展中，人们发现直接在有源层蚀刻光栅会导致污染和损伤，因此他们提出了图9-2，16，9.1.1半导体激光器，2.2半导体激光器作为通信光源，(3)分布式布拉格反射半导体激光器，考虑到布拉格光栅的良好反射率。光栅放置在激光谐振腔的两侧或一侧，增益区没有光栅，光栅仅相当于反射率随波长变化的反射器，从而形成DBR-激光二极管。其中，三电极DBR-LD是基于DBR-LD的最典型的单模波长可调谐半导体激光器，其原理结构如图9-3所示。图9-3三电极DBR-LD 17，9.1.1半导体激光器结构示意图，2。半导体激光器作为通信光源，(4)垂直腔面发射激光器，多通道光数据传输和交换往往需要能够二维集成的器件，而垂直腔面发射激光器是一个很好的选择。它和边缘发射激光器的最大区别在于出射光垂直于器件的外延表面，即平行于外延生长的方向。图9-4是典型的结构图。上部和下部分别是分布布拉格反射(DBR)介质镜，中部(InGaAsN)是量子阱有源区。氧化物层有助于形成良好的电流和光场限制结构。电流由p和n电极注入，光从箭头方向射出。图9-4 VCSEL典型结构图，18，9.1.2光纤激光器，1。光纤激光器的基本原理和特性(1)基本原理与其他激光器一样，光纤激光器由三部分组成：能够产生光子的增益介质、能够反馈光子并在增益介质中共振放大的光学谐振腔，以及激发光子跃迁的泵浦源。图9-5是光纤激光器原理的示意图，以纵向泵浦光纤激光器(如图9-5所示)为例说明光纤激光器的基本原理，(2)基于激光介质本身是导波介质的特性、高耦合效率；光纤的纤芯非常薄，并且在光纤中容易形成高功率密度，这可以方便有效地与光纤传输系统连接。由于光纤具有高的“表面积/体积”比和良好的散热效果，光纤激光器具有高的转换效率和低的激光阈值，并且可以在不增强制冷的情况下连续工作。由于光纤具有良好的柔性，激光器可以设计得很小很灵活，这有利于光纤的应用，19，9.1.2光纤激光器，2。光纤激光器的分类和应用，(1)稀土掺杂光纤激光器，根据光纤结构的不同，光纤激光器有多种类型，如单包层光纤激光器和双包层光纤激光器；根据掺杂元素，可分为15种：掺铒、掺钕、掺镨、掺铥、掺镱、掺钬等。图9-6受激拉曼散射光纤激光器示意图。稀土元素包括15种元素，它们位于元素周期表的第五行。目前，掺入成熟有源光纤的稀土离子包括铒(Er3)、钕(Nd3)、镨(Pr3)、铥(Tm3)、镱(Yd3)。(2)光纤受激拉曼散射激光器。与掺杂光纤激光器相比，这种激光器具有更高的饱和功率，并且不受泵浦源的限制。它在光纤传感、波分复用(WDM)和相干光通信系统中有着重要的应用。简单的全光纤受激拉曼散射激光器如图9-6所示，是一个耦合系数为k的单向环形行波腔。一般来说，典型的受激拉曼分子主要是二氧化硅、二氧化硅和五氧化二磷。20，9.1.2光纤激光器，2。光纤激光器的分类和应用，(3)光纤光栅激光器，图9-7DBR光纤光栅激光器基本结构图，DBR光纤激光器基本结构如图9-7所示，利用一根掺稀土光纤和一对具有相同谐振波长的光纤光栅形成谐振腔，可以实现单纵模工作。DFB光纤光栅激光器的基本结构如图9-8所示。直接写在稀土掺杂光纤上的光栅形成谐振腔，其有源区和反馈区集成在一起。图9-8DFB光纤光栅激光器基本结构图，21，9.1.3光放大器，1。光放大器是一种放大光信号的装置，它在光纤通信领域的主要功能有，图9-9光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意图，2。图9-9主干光纤系统中光放大器的应用示意图。在图中，(a)是无中继系统，(b)是使用光放大器作为功率放大器和接收器前置放大器的串联多中继系统。在图(d)中，光放大器用作在线中继放大器或1R(仅整形功能)中继，(1)光功率提升放大。光放大器设置在光发射器的前端，以提高输入光纤的光功率。(2)在线中继放大。替换光纤通信系统中现有的中继器。(3)前置放大。为了提高接收灵敏度，弱光信号被预先放置在接收端的光电探测器之前。(1)半导体激光放大器；(2)稀土掺杂光纤放大器，如掺铒光纤放大器(EDFA)等。(3)非线性光纤放大器，如光纤拉曼放大器等。图9-10tw-SLA的基本结构图，(1)半导体光放大器，图9-10是行波型光放大器的基本结构图，行波型光放大器的带宽比法布里-珀罗型放大器大三个数量级，其3dB带宽可达10THz，因此可以放大各种频率的光信号，是一种很有前途的光放大器。行波半导体光放大器的性能：增益带宽，小信号增益，光信号增益对其偏振的灵敏度，饱和输出功率，放大器的噪声性能，23，9.1.3光放大器，图9-11掺杂光纤放大器的结构示意图，(2)掺铒光纤放大器，掺杂(如Er3+)光纤放大器的结构如图9-11所示。它由三部分组成：一部分是长度为几米到几十米的掺杂光纤；第二，激光泵浦源；第三，耦合器，EDFA的完整结构应该包括以下几个部分：铒应时光纤作为有源介质；高功率泵浦光源；用于组合信号光和泵浦光的光纤耦合器；消除反射和抑制振荡的偏振不敏感光隔离器：降低自发辐射噪声的窄带滤光片。24，9.1.3光放大器，图9-12E DFA原理图，(2)掺铒光纤放大器、铒光纤和泵浦源是ED