光纤光学有源器件Fiberlaser

1、1光纤激光器光纤激光器2Laser： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation高亮度高亮度方向性方向性相干性相干性激激 光光341960， Theodore Maiman世界上第一台激光器5678激光的应用激光的应用信息信息加工加工医疗医疗照明照明测距测距9激光的原理激光的原理激光产生的条件A. （1）泵源（能量注入） （2）增益介质（吸收泵浦能量并完成光能量放大） （3）谐振腔（提供光反馈和模式选择）B. 粒子数反转 阈值条件:增益=损耗C. 相位平衡条件:激光器必须工作在谐振腔的工作模式上。 光腔的驻波条件:在腔内形成驻

2、波。10Fqqqndcqqndqdq2222LndcF2为激光器纵模间隔。激光器纵模11并非所有频率都能振荡，只有落在增益曲线线宽(即阈值条件)范围内的纵模才能形成实际振荡(如图)。激光振荡模式12激光器横模 在激光器内，除有沿着腔轴分布的纵模以外，还存在保持稳定不变分布的光场横向分布，这种来回反射中可保持住的横向光场分布称为横模，它用整数m，n来表征。13激光器的输出由许多独立频率分量模式组成。模式：能在腔内存在的、稳定的光波基本形式。 模式用 表示，m,n,q可分别取 等整数，一组m,n,q对应一种模式。 m,n：垂直腔轴平面内的光场振幅稳定分布情况，称横模阶数，直角坐标系中，m和n的数值

3、分别是该模式在x轴和y轴上的节点数。 q：光腔轴向形成的驻波节点数目，称纵模阶数。 三者共同决定该模式的振荡频率。mnqTEM, 2, 1 , 0激光器输出模式（总结）14激光器输出模式15激光谱线展宽 前面讨论的能级是理想无宽度的、从而粒子辐射是单色的，即辐射的全部能量集中于单一频率；但事实上，辐射并非单色，而是分布在中心频率附近一个有限的频率范围内。 16均匀展宽激光谱线展宽 引起均匀展宽的机理对于每一粒子而言都是相同的。 任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来。 每个发光粒子都以洛仑兹线型发射。均匀展宽包括：自然展宽，碰撞展宽和热振动展宽

4、等。掺铒光纤属于均匀展宽增益介质，均匀展宽线宽约11nm。17非均匀展宽 非均匀展宽的特点是粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。非均匀展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。18光纤激光器光纤激光器Active fiber191961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1963年和1964年，分别发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果，提出了光纤激光器和光纤放大器的构思。光纤激光器发展简史在19751985这十年中，光纤激光器发展很小低损耗的硅单模光纤和半导体激光器都已商品化并得

5、到了广泛的应用，完善了基于硅光纤的定向耦合器的制作。这些都为光纤激光器的研制铺平了道路。1988年， E.Snitzer提出了包层泵浦技术，为大功率光纤激光器的制作提供了依据20光纤激光器的优势体积小、结构简单紧凑散热性能好无需光路调整损耗低，阈值低多波长、可调谐实现任意维度加工、无损接入胜任恶劣的工作环境低功率消耗（光-光转换）2122光纤激光器按增益介质分类光纤激光器稀土掺杂光纤激光器非线性光纤激光器 发光机制是非线性效应，主要是受激拉曼散射和受激布里渊散射。目前，受激拉曼散射是实现高功率激光输出的一个有效手段。布里渊效应多用于单频及多波长激光输出。 激光产生机制是受激辐射。按光纤纤芯所掺

6、稀土元素的不同，可分为掺Er3+光纤激光器、掺Yb3+光纤激光器以及Er3+/Yb3+共掺光纤激光器等。不同的掺杂光纤的发射波长不同，例如掺Er3 +的发射波长为1.55m，掺Yb3+的发射波长为1.06m。23稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、 Nd3+、 Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。 掺铒(Er3+)光纤在1.55 m波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。 掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长1.01.2 m的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带(8001064 nm

7、)以及相当宽的激发带(9701200 nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。 掺铥(Tm3+)光纤激光器激射波长为1.4 m，也是重要的光纤通信光源。 其他掺杂光纤激光器，如在2.1 m工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在2.0 m附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。掺杂光纤激光器24 按激光输出的时域特性，光纤激光器又可分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器。脉冲光纤激光器主要采用锁模技术与调Q技术实现，锁模技术可分为主动锁模和被动锁模两种，调Q分为主动调Q和被动调Q两种。 按频域特性，光

8、纤激光器可分为单波长、单纵模、多纵模以及多波长光纤激光器。按激光谐振腔腔型，光纤激光器主要有环形腔结构和线形腔结构两类。在线形腔光纤激光器中，又以F-P腔为主要研究对象。光纤激光器的分类25光纤激光器谐振腔结构线性腔谐振腔L耦合光学系统工作物质(增益光纤)准直光学系统LD泵浦源Lcn2FSR 谐振腔腔镜可为反射镜、光纤光栅或光纤环镜。 26分布Bragg反射（DBR）光纤激光器上图所示为典型的DBR光纤激光器基本结构示意图。DBR光纤激光器使用两个较高反射率的光纤光栅(FBG1、 FBG2)作为反射镜置于掺杂光纤(即激光增益介质)的两端，构成线形激光谐振腔来增强模式选择，可以把光纤光栅熔接到掺

9、杂光纤上，也可以直接把光纤光栅写到掺杂光纤上。DBR光纤激光器结构示意图27分布反馈式（DFB）光纤激光器DFB（Distributed FeedBack Laser）光纤激光器基本结构如图所示。DFB光纤激光器是利用直接在稀土掺杂光纤写入的光栅来构成谐振腔的。有源区和反馈区同为一体，只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，因而制作简单，频率稳定性较好，边模抑制比高。DFB光纤激光器结构示意图28光纤激光器谐振腔结构环形腔980/1550 nmWDMEDFpump laseroutputISO窄带滤波器型环形腔掺铒光纤激光器结构图filtercouplerPC29光纤激光器输出特性（连续光输出）

10、激光输出的波长、线宽 输出功率 泵浦功率阈值 斜率效率30激光输出波长、线宽31各类光纤激光器技术 单频（纵模）光纤激光器 脉冲光纤激光器调Q光纤激光器锁模光纤激光器可调谐光纤激光器多波长光纤激光器双包层大功率光纤激光器32 单频光纤激光器概述 单频光纤激光器实现方法 单频光纤激光器的应用33222qLn), 3 , 1 , 0(q 从而： qnLcq2 n：腔内折射率，q：纵模阶数，由于 ，故q一般很大。 ：q阶纵模振荡频率。相邻两纵模间的频率间隔：LqnLcq2(a)展宽的激光器跃迁线型 (c)激光器输出的纵模 激光器谐振腔中并非所有频率都能产生振荡，只有满足相长干涉条件的光波才能在腔内的

11、来回反射中形成稳定分布和获得最大强度： 单频光纤激光器概述 （b）腔体的振荡模式34单频光纤激光器概述nLc2腔长L腔内滤波器带宽小于激光器纵模间隔设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔应用窄带滤波器或设法压缩激光器的增益线宽35 假设掺铒光纤激光器腔长：1cm；光纤光栅1为宽带高反射腔镜；光纤光栅2作为窄带波长选择器件以及输出耦合器，其反射中心波长=1550.00 nm,问：其3dB反射带宽为多少可以保证激光器单纵模输出？（折射率n可取1.5）练 习136假设掺铒光纤激光器腔长：1cm；光纤光栅1为宽带高反射腔镜；光纤光栅2作为窄带波长选择器件以及输出耦合器，其反射中心波长=1550.00 n

12、m,问：其3dB反射带宽为多少可以保证激光器单纵模输出？（折射率n可取1.5）单纵模条件：增益带宽纵模间隔f =C/2L=C/2nL=1010=10Ghz; f/f= /; =*f/f *v/f;*f=C; 2*v/C0.08nm37 假设掺铒光纤激光器, 光纤光栅1为宽带高反射腔镜；光纤光栅2作为窄带波长选择器件以及输出耦合器，3dB反射带宽为5nm, 其反射中心波长=1224.00 nm,问：其腔长小于多少可以保证激光器单纵模输出？0.1mm练 习238单频光纤激光器实现方法短腔法增大纵模间隔分布Bragg反射光纤光栅激光器(DBR)分布反馈(DFB)光纤光栅激光器39复合腔法增大纵模间隔

13、复合谐振腔必须同时满足以上两个子腔的谐振频率：Fox一Smith谐振腔单频光纤激光器实现方法40单频光纤激光器实现方法窄带滤波器41布里渊增益获得极窄增益线宽单频光纤激光器实现方法42 光谱仪（分辨率0.01 nm） 扫描式F-P干涉仪（分辨率MHz） 拍频法（更窄线宽测量方法）激光线宽测量方法43各类光纤激光器技术 单频（纵模）光纤激光器 脉冲光纤激光器调Q光纤激光器锁模光纤激光器可调谐光纤激光器多波长光纤激光器双包层大功率光纤激光器44思考： 准分子激光器 单脉冲能量5mJ，重复频率200Hz，脉宽8ns，求平均功率和峰值功率W平均=E/T=E*fW峰值功率=E/T45调Q光纤激光器调Q技

14、术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续 激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光 源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。46分类：电光调Q、主动声光调Q、主动染料调Q、被动调Q光纤激光器特点：一般与调制周期相关，脉宽较大，ns量级47 激光器锁模原理 锁模激光器输出特性 锁模光纤激光器关键技术48 激光器输出一般是多纵模振荡模式，纵模之间的振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场的相干叠加，输出为一超短脉冲(fs,ps)。这种把激光中各个纵模的相位关系锁定、形成脉冲序列的方法称为锁模。锁模技术锁模方式主动锁模被动锁模主被动联合锁模通过外界

15、信号周期性调制激光器谐振腔参量（如在腔内插入一个电光调制器），实现激光纵模间相位锁定的锁模技术。将主被动锁模的特点相结合的一种会和锁模方式。利用非线性元件对光强的依赖性，实现各纵模间的相位锁定，进而产生光脉冲的锁模方式。49多纵模激光器输出特性 由于各纵模之间相位彼此相互独立并呈无规则变化，所以各纵模之间相干项在时间平均下为零，平均输出光强是纵模之和，不会出现相干加强或相干减弱时域脉冲波输出，而是呈现出存在幅度和相位噪声的连续光输出。若共有（2n+1）个纵模，则激光的电场强度可表示为:总的光强为:50锁模激光器输出特性 可见，多个纵模相干叠加后，使能量聚集在一个峰值较高的波包中，形成锁模脉冲，

16、脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2n+1)倍。激光总的电场强度表示为: 若使 ，即使相邻纵模间的位相差均保持为某一常数a（通常称此为相位锁定或锁模），则第q个纵模可以表示为：总的光强为:51非锁模与锁模激光输出对比三个纵模随机振荡的情形三个纵模锁模振荡的情形52锁模激光器工作特性 锁模脉冲的时间间隔为t =2L/c。由于2L/c恰好是一个光脉冲在腔内往返一次所需的时间，所以锁模的结果可以理解为只有一个光脉冲在腔内往返传播。而激光器的输出则是时间间隔为t = 2L/c的规则脉冲序列。（重复周期，重复频率） E(t)的振幅极大值A(t)max=(2n+1)E0，这说明在振幅出现极值的时刻各振荡纵模的

17、振幅同时到达极大值。（峰值功率）Pm=N2P0 锁模后所得脉冲的宽度为t=(2n+1) q-1=1/，式中：q为器件的纵模间隔； 为器件的振荡线宽。所以激光的带宽越宽，则所获得的脉冲宽度越窄。（脉冲宽度）53锁模激光器工作特性频域（光谱）时域（脉冲）输出经PD探测，输入频谱分析仪上得到频谱54主动锁模光纤激光器的典型结构示意图主动锁模光纤激光器55主动锁模建立过程（时域）通过调制腔损耗（Q值）实现主动锁模示意图 在激光器腔内插入强度调制器，对腔损耗进行调制。由于激光器在损耗最低时发射较强的光，激光在腔内往复传播，当调制频率等于相邻两纵模之间的角频率间隔或者是它的整数倍时，初始产生的细微的强度差

18、别不断被增强，导致最终产生稳定的锁模脉冲序列。56主动锁模建立过程（频域） 从频域上看，在激光器腔内加入主动强度调制器，对腔内光场进行调制，则输出电场强度可表示为： 上式中M为调制系数，m为调制频率。该式表明角频率为0的纵模经过损耗调制后，除了原有的频率为0的模式外，还在附近激发了两个边频振荡，其频率分别为 和 ，它们与频率为0的模有相同的初始相位。0-m 0+ m 00+ m 0-m 57 如果使调制频率m等于纵模间隔，则两个边频正好对应邻近的两个纵模。同样这两个边频经过调制器后又会进一步产生以它们为中心的另外两对边频，如此继续下去，就可以将增益带宽之内的所有纵模都耦合激发起来。因此，锁模过

19、程就是由模式竞争中获胜的优势模通过调制器的作用，将其能量耦合到其它纵模上去。因所有纵模都是由优势模给予激发的，所以它们彼此间都保持着相位的同步，并经相干叠加，形成锁模脉冲。主动锁模建立过程（频域）58谐波锁模59主动锁模光纤激光器输出脉冲的波形输出脉冲的光谱60被动锁模技术（染料锁模） 利用非线性元件对光强的依赖性，来产生光脉冲的锁模方式。激光介质染料盒全反镜输出镜激光1、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸多光脉冲进行线性放大。2、非线性吸收：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉冲被吸收。3、非线性放大：工作物质对留下的强脉冲进行非线性放大，使脉宽被压缩。61tPtPtPtPtP线性放大

20、非线性 吸收 非线性 吸收 非线性 放大 62被动锁模技术63被动锁模光纤激光器64被动锁模光纤激光器65被动锁模光纤激光器66被动锁模光纤激光器67各类光纤激光器技术 单频（纵模）光纤激光器 脉冲光纤激光器调Q光纤激光器锁模光纤激光器可调谐光纤激光器多波长光纤激光器双包层大功率光纤激光器68可调谐激光器tunable laser 是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器波长可调谐光纤激光器69实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波