光电子器件基础与技术lectu课件

1、张伟利张伟利 副教授副教授 E-mail: B209122.5 2.5 光纤激光器光纤激光器A. 简介B. 增益介质C. 谐振腔D. 器件效应3 光纤激光器是以(掺杂)光纤本身为工作物质，而该光纤又起到波导作用的固体激光器。光纤激光器的特点光纤激光器的特点l光束质量好，单色性、稳定性高l散热性能好、转换效率高；l谐振腔可以是腔镜、或光纤耦合器、光纤圈等l可获得宽带的可调谐激光输出l适用于光纤通信的低损耗窗口l能胜任劣环境4光纤激光器的类型光纤激光器的类型分类方法分类方法光纤激光器种类光纤激光器种类谐振腔结构F-P腔、DFB、DBR、环形腔光纤结构单包层、双包层增益机制稀土掺杂、非线性效应掺杂元

2、素饵(Er3+)、铷(Nd3+)、镱(Yb3+)、铥(Tm3+)输出激光脉冲、连续光输出波长S波段(1280-1350 nm)、C波段(1525-1565 nm)、L波段(1565-1620 nm)掺杂元素掺杂元素稀土元素掺杂光纤的基质掺杂光纤的基质l石英玻璃容易产生斯塔克分裂，使得能级加宽，光谱变宽。l重金属氟化物玻璃通光窗口宽，在300-8000 nm范围透过率很高。易于成纤，易于激活。掺杂光纤掺杂光纤5掺杂浓度掺杂浓度太低：太低：掺杂离子的总有效数小于入射光子数，激发态可能被耗尽。太高：太高：稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制，跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少，不利于产生激光。掺杂浓度最

3、佳在100 ppm （10-6）量级较高浓度掺杂下铒离子交叉弛豫引起输出脉动6Er Er 3+3+、Nd Nd 3+3+的电子能级的电子能级78注入光波长注入光波长 布里渊布里渊拉曼拉曼（斯托克斯）（斯托克斯）光波长光波长光光强强度度瑞利瑞利拉曼拉曼（反斯托克斯）（反斯托克斯）非线性光纤非线性光纤F-PF-P腔腔M1: 对泵浦光高透；对激光高反M2: 对激光高反 （低增益系统95%；高增益系统 75%）9光在腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)：)(2exp021LGIrrIni)(2

4、121rrnlLGni12nqL增益系数增益系数平均损耗系数1011DBRDBR腔（腔（distributed Bragg reflection distributed Bragg reflection ）又叫分布式）又叫分布式布拉格反射镜布拉格反射镜使用两个较高反射率的光纤光栅作为反射镜，将其置于掺杂光纤的两端，构成线性谐振腔增强模式选择。12DFBDFB腔腔直接在掺杂光纤上写入光栅构成谐振腔，有源区与反馈区同为一体，只用一个光栅实现光反馈和波长选择，频率稳定性好，边模抑制比高。13 型腔型腔用环形器、光纤环等构成反射镜代替谐振腔一端的光栅，另一端采用光栅选择输出波长，降低制作难度，增加稳定

5、性。光纤环形谐振腔光纤环形谐振腔泵浦光由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。14光纤圈反射器光纤圈反射器光纤圈为非谐振的干涉仪结构，其中没有能量储存。2(1 2 )4 (1)tinrinPkPPkk P光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射，耦合系数k是波长的函数反射透射功率15反射镜反射镜+ +光栅形式可调谐输出谐振腔光栅形式可调谐输出谐振腔 使用闪耀光栅，若对激光中心的闪耀级次为M级，闪耀角为，光栅常数为d，则光栅方程为：dMddMdcos2sin2只要转动衍射光栅，使光束相对于光栅法线的入射角在 附近变化，就能实现调节波长16采用这种结构，利用氩 离 子 激 光 器 的514nm的光作为泵浦光，分别激励掺铒光纤及掺钕光纤,可调谐的波长范围分别为25nm和80nm。 由于分束器与光学元器件带来了腔内损耗，导致阈值功率提高。14 nm11 nm80 nm17通过改变温度来调节光纤圈的反射率，使掺杂光纤达到激光谐振放大反射镜反射镜+ +光纤圈