光电技术实验-光纤激光器

1、 光纤激光器参数测量一、实验目的：了解光纤光栅的工作原理及相关特性；了解光纤激光器的工作原理及相关特性；掌握光纤激光器性能参数的测量方法；二、实验原理：全光纤可调谐激光器是高速大容量光通信系统中的关键部件，特别是它的较宽的增益带宽和简便稳定的调谐结构，以及其激光波长恰好处在光通信1500nm波段等诸多独特优点，越来越引起广大光通信工作者的极大重视，已成为激光器研制领域的一个热点。在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点：不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码率前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。光纤激光器的激射波长由基质材料的稀土

2、掺杂剂所决定，不受泵浦光波长的控制。光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。通过定向耦合技术和Bragg反射器技术，可以制作出窄线宽、可调谐的光纤激光器。光纤激光器可以作为光孤子源。掺铒光纤锁模激光器能直接产生足够功率的变换极限超短光脉冲；同时由于光脉冲在光纤谐振腔中传输时的非线性效应，在适当的条件下，可产生脉宽为数十或数百飞秒的变换极限双曲正割形光脉冲，是光孤子通信的理想光源。掺铒光纤激光器是以石英光纤作为基质，利用掺杂的铒（Er3+）离子作为激活离子从而发射激光。选择在光纤中掺稀土离子构成光纤激光器，部分原因

3、就是稀土离子的吸收范围正好与半导体激光器的辐射范围重合，因而能方便地采用成本低廉的、工艺较为成熟的半导体激光器作为泵浦光源。产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与发射光波长取决于介质的能级结构。图1展示了铒离子（Er3+）的能级结构。由于石英的非晶态特性，Er3+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子从下能级（4115/2）向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，这就被

4、称为离子数反转，基态上的粒子数越少则反转程度越高，基态离子数被抽空时即为全反转。随后产生粒子数反转分布的Er3+由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对Er3+,存在如下有实际意义的跃迁过程：41（对应800nm泵浦）9/2吸收过程：从基态4iJ41（对应980nm泵浦）15/211/241（对应1480nm泵浦）13/2激光发射过程：从激发态4i4i（对应1536nm）13/215/2图1掺铒光纤中Er34能级图，14ms为上能级平均寿命1基本结构掺铒光纤激光器的基本结构与其它激光器基本相同，主要由泵浦源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。泵源由一个或多个大功率半导体激

5、光器构成，其发出的泵浦光经耦合器进入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦光的能量被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激辐射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成光输出，光纤激光器的基本结构示意图如图2所示。图2光纤激光器基本结构示意图（1）激光工作物质光纤激光器是以掺稀土元素光纤作为增益介质，均以三价离子作为激活物质。15种稀土元素中比较常用的掺杂离子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、H03+,上述几种稀土离子的输出激光波长一次为1060nm、1340nm、1030nm1550nm、1150nm、1.9卩m2卩m。Yb3+具有较宽的吸收带（800nmlOOOnm）和相当宽的激发带（1030n

6、m1150nm）,以掺Yb3+光纤激光器为泵源的拉曼光纤激光器可形成1.2卩m1.6卩m的激光输出。掺Er3+光纤激光器的输出波长对应光通信主要窗口1.5卩m,是目前应用最广泛和技术最成熟的光纤激光器。掺Tm3+、掺Ho3+光纤激光器的输出波长在2.0卩m左右，由于水分子在该波长附近有很强的中红外吸收峰，因此用该波段激光器进行手术时，激光照射部位血液迅速凝结，手术创面小，止血性好，又由于该波段激光对人眼是安全的，所以掺Tm3+、掺Ho3+光纤激光器在医疗和生物研究方面有广泛的应用前景。（2）谐振腔掺铒光纤激光器一般采用光纤光栅做谐振腔，光纤光栅是透过紫外诱导在光纤纤芯形成折射率周期性变化的低损

7、耗器件，具有非常好的波长选择性。光纤光栅的采用，简化了激光器的结构、窄化了线宽，同时提高了激光器的信噪比和可靠性，进而提高了光束质量。另外，采用光纤光栅做谐振腔可以将泵浦源的尾纤与增益光纤有机地熔接为一体，从而降低了光纤激光器的阈值，提高了激光器的能量转换效率。根据对激光器特性的不同要求可选择单模光纤光栅和多模光纤光栅作为谐振腔的反射镜。单模光纤光栅具有单一的反射峰值和很窄的反射线宽，对应的激光输出为单模，光束质量高，单色性好，但输出功率低；多模光纤光栅是在多模渐变折射率光纤上通过紫色诱导写入的光纤光栅，能反射多个波长，反射线宽较宽，应用多模光纤光栅做腔镜的光纤光器输出光束为多模，可实现高功率

8、的激光输出，但输出光光束质量较差。光纤调谐激光器常用的调谐方法有旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用声光滤波器、电调液晶标准具、可调谐光纤光栅等等，调谐范围为几nm到几十nm。非光纤调谐器件与光纤之间的耦合将不可避免地增大腔内的插入损耗，从而导致激光器的低斜率效率和高阈值。可调谐光纤光栅是光纤器件，用光纤光栅作为调谐装置能与光纤兼容，可有效克服用非光纤调谐方法所造成的插入损耗问题。本实验使用光纤光栅调谐装置调谐环形腔掺铒光纤激光器的输出波长，实现窄线宽可调谐激光输出。实验装置如图3所示。1480inn图3可调谐光纤光栅激光器原理图三、实验装置：图3：可调谐光纤光栅激光器实验装置示意图在图3所示的

9、实验平台中，1480nm半导体激光器作为泵浦源，为铒离子在掺铒光纤中基态和亚稳态之间形成粒子数反转分布提供能量。泵浦源发出的泵浦激光首先通过1480nm/1550nm波分复用器耦合到光纤环路中，从而进入环路中的铒光纤EDF。在铒光纤中通过受激辐射过程产生激光后，该激光将沿着光纤环路逆时针绕行进入光纤耦合器的1端口。这样在耦合器3、4端口可获得等功率的激光输出，3端口做为整个光纤激光器的输出端口，将其输出连接至光功率计可实时监测光纤激光器输出光功率数值。而4端口输出的激光将进入右侧的光纤光栅，利用光纤光栅的反射选模功能，该部分激光将被反射输出，重新注入到耦合器4端口。当耦合器4端口有激光注入时，

10、在耦合器1、2端口等功率输出重新返回闭合的光纤环形成稳定的光振荡，从而使掺铒光纤中不断循环产生受激辐射过程，使初始激光功率不断得到放大，这样就可以获得稳定、大功率的激光输出。四、实验内容：按图示光路连接实验装置。光纤激光器PoPp曲线测量连接光纤激光器输出端至光功率计OPM,测量波长置于1550nm。连接1480nm泵浦激光器控制信号至LD2.OUT，设置LD2工作模式（MOD）为恒流模式（ACC），驱动电流（Ic）置为0。旋转主机面板上的圆形旋钮缓慢增加1480nm泵浦激光器驱动电流，0至300mA每隔5mA记录一次泵浦光功率（泵浦光功率在主机液晶面板右侧自动显示）和激光器输出功率（即光功率计测量数据），填入下表。表中Ic（mA）为泵浦光（即1480nm激光器）驱动电流，Pp（mW）为泵浦光功率，Po（卩W）为激光器输出功率。利用表中数据作“泵浦驱动电流Ic泵浦光输出功率Pp”曲线和“泵浦光输出功率Pp激光器输出功率Po”曲线。利用第二条曲线读出并记录光纤激光器的泵浦阈值。表1OPM功率数据Ic(mA)Pp(mW)Po(卩W)Ic(mA)Pp(mW)Po(卩W)01555160101651517020175251