认识光纤激光器幻灯片

1、1.理解光纤激光器；2.激光特性。定向光束发散角非常小。单色单波长。光波场某些特征在不同空间点和不同时间的相关性。高亮度和高功率密度。激光器的输出功率不一定很高，但是因为光束很细，脉冲很窄，所以功率密度很高。太阳表面比蜡烛亮30万倍，比白炽灯亮数百倍。普通激光器的输出亮度是太阳表面亮度的10亿倍。上述四个特征本质上可以归结为一个特征，即激光具有高光子简并性。1960年，休斯实验室的迈曼制造了第一台红宝石固体激光器。3.激光和信息技术的应用：光通信、光存储、光放大、光计算、光隔离器检测技术的应用：长度测量、距离测量、速度测量、角度测量、三维形状测量。激光加工：焊接、钻孔、切割、热处理、快速成型医

2、疗应用：外科手术、激光射线照相术。眼科手术、激光血液照相术、验光科学研究中的应用：激光核聚变、重力场测量、激光光谱、激光对生物组织的作用、激光制冷、激光诱导化学过程的军事应用：激光武器、激光雷达、激光制导技术、4、激光应用、5、激光工作原理、激光必须具备能够产生受激辐射的物理条件。在一般激光中，这些条件是通过以下三个部分实现的，这三个部分也可以称为构成激光的三个元素。工作物质激光器的核心实现了粒子数的反转和受激辐射的放大。泵浦源为工作物质提供能量，实现粒子数的反转，并维持粒子数的反转。不同的工作物质有不同的泵送模式。谐振腔为激光振荡的建立提供正反馈，其参数影响激光器的输出质量。6、光纤激光器介

3、绍，激光可分为：气体激光器、液体激光器、固体(晶体和玻璃)激光器、半导体激光器和光纤激光器等。光纤激光器是使用光纤作为工作材料的激光器。目前，研究和使用最广泛的光纤激光器是使用稀土掺杂光纤作为工作材料的稀土掺杂光纤激光器。它有许多优点。(1)制造成本低、技术成熟和玻璃纤维的柔性带来的小型化和集约化的优势。(2)散热快，损耗低，转换效率高，激光阈值低。(3)光纤激光器的谐振腔中没有光学透镜，具有无需调节、无需维护、稳定性高的优点。(4)可以获得宽带可调谐激光输出。(5)某些波长的光纤激光器适用于光纤通信的低损耗窗口。由于上述优点，光纤激光器已经广泛应用于通信、工业加工、军事、医疗和光学信息处理。

4、7，光纤激光器的主要内容，工作物质掺杂光纤，双包层光纤泵浦源泵浦耦合技术谐振腔结构线性腔，环形腔光纤激光器调Q和锁模，8，工作物质掺杂光纤，Er3和Nd3在光纤中的电子能级图，9，掺杂光纤的光谱特性，Er3，Nd3，掺钕光纤：在900nm，1060nm和1350nm处使用800nm的泵浦光源获得激光其中1350纳米波长正好对应于从亚稳态到更高能量水平的吸收跃迁，使得激光输出相对困难。 掺铒光纤：使用波长为800纳米、900纳米、1480纳米和530纳米的泵浦光源，将获得波长为900纳米、1060纳米和1536纳米的激光，其中1536纳米波长对应于低损耗第三通信窗口的频率，因此掺铒光纤激光器发展

5、非常迅速。其他稀土掺杂技术相对成熟，包括镨(Pr3)、镱(Yb3)、铥(Tm3)等。此外，还开发了共掺杂技术。10，双包层光纤，纤芯：由掺杂稀土元素的二氧化硅组成，用作激光振荡通道，对于相关波长具有单模；内包层：内包层由纯二氧化硅组成，芯的横向尺寸和数值孔径比较大，折射率比芯小。它是一个泵浦光通道，对泵浦光波长是多模的。外包层：外包层由比内包层折射率低的软塑料材料制成；保护层：最外层被硬塑料材料包围，形成光纤保护层。11、双包层光纤和泵浦源，光纤激光器的泵浦源大多是激光二极管。传统的单包层光纤激光器需要将泵浦光耦合到直径小于10um的单模纤芯中，耦合效率低，限制了输出功率，因此发展缓慢。双包层

6、光纤的出现解决了耦合效率低的问题。泵浦光在多模内包层中传输，多模激光器阵列可以用作泵浦源。内包层的形状对纤芯对泵浦光的吸收率有很大影响。环形内包层和纤芯的同心结构降低了螺旋光的吸收率，因此改变这种通信结构可以提高泵浦光的吸收率。不同内包层对泵浦光吸收效果的比较。12 .泵浦耦合技术和泵浦耦合技术是获得高功率光纤激光器的核心技术之一。其目的是将几十瓦甚至几百瓦的激光二极管泵浦光功率耦合到直径只有几百微米的双包层光纤的内包层中，以获得高泵浦功率。泵耦合技术一般可分为两种类型：端泵和侧泵。端面泵浦方法有两种：透镜组耦合法和直接焊接法。透镜组端面泵浦耦合，端面直接熔融耦合，优点：结构简单，容易实现缺点

7、：耦合占用端面，无法与其他光纤级联，降低灵活性；透镜组与光纤分离，稳定性低，不易集成；优点是结构简单紧凑，实现了全光纤激光器的缺点；尾光纤和光纤尺寸不同，融合对准困难，附加损耗大；两种方法都只有两个端面用于泵浦，因此限制了最大功率。13、泵耦合技术、侧泵耦合技术：系统结构简单；泵浦光在光纤中分布更均匀。光纤两端不被占用，便于信号光的输入和输出；只有增加激光器的数量，才能提高输出功率。1。熔融锥侧泵联轴器，2。v型槽侧联轴器，14。泵耦合技术，3。角抛光侧联轴器，4。嵌入式反射镜侧面耦合，其他泵浦方法：平面波导圆盘耦合，15。各种泵耦合方法的技术参数比较，泵耦合技术，16。谐振腔、线性谐振腔光纤

8、激光器、F-P谐振腔、泵浦光必须通过腔镜进入光纤，高泵浦功率会破坏腔镜的薄膜，限制泵浦功率。另外，腔镜的输出线宽和掺杂光纤的增益线宽之间存在一个间隙，需要改进。使用光纤光栅(FBG1，FBG2)作为反射镜并放置在掺杂光纤的两端可以增强模式选择。光纤光栅可以熔合到掺杂光纤上，或者直接写入掺杂光纤。DBR光纤激光器，17、环形谐振腔、环形谐振腔光纤激光器，激光器在线性腔中振荡，在掺杂光纤中形成驻波，驻波的存在会产生烧孔效应，导致多模振荡，影响激光器的相干性。然而，环形腔中的激光以行波状态运行，不会产生烧孔效应。此外，环形腔采用封闭波导结构，抗干扰能力强，稳定性高，使用价值高。18，其它腔结构，光纤

9、环反射器(光纤环镜)包括定向耦合器和通过将耦合器的两个输出端口连接在一起形成的光纤环。工作原理：耦合器的耦合系数为0.5，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，另一半耦合到端口4，即一半输入光以顺时针方向传播，一半输入光以顺时针方向传播19，其它空腔结构，对应于端口1和3的臂形成一个谐振腔，对应于端口1和4的臂形成另一个谐振腔，并且两个腔耦合在一起形成一个复合谐振腔。两个谐振腔的频率不同，复合谐振腔必须同时满足两个子谐振腔的频率。只要L3和L4的值被适当地选择，使得它们之间的差足够小，复合谐振腔的频率间隔足够大，使得复合谐振腔的纵向模式间隔足够大。整个增益谱线中始终只有一个纵模

10、振荡，激光器可以实现单纵模工作。然而，空腔对温度波动和振动敏感，因为两者都会影响两个子空腔是否同时到达谐振点。福克斯-史密斯谐振腔，20，调Q技术，又称调Q技术，是一种获得高峰值功率和窄脉宽激光脉冲的技术。这种高峰值功率的窄脉冲称为巨脉冲。在激光技术中，Q值用来描述谐振腔的质量，称为谐振腔的质量因子。谐振腔的品质因数Q被定义为当激光被毫秒量级的脉冲光泵浦时，激光的输出由一些具有不同强度和微秒量级宽度的小尖峰组成。这种现象变成了弛豫振荡。在泵浦光源的作用下，激光达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度增加，激光输出。随着激光发射，高阶粒子的数量被大量消耗，这降低了反转粒子的密度。当密度低于阈值

11、时，激光发射停止。增加泵浦能量只能增加峰值的数量，但不能增加脉冲的峰值功率。在脉冲形成过程中，激光的阈值保持不变，这是弛豫振荡的最根本原因。调Q技术是通过某种方法使谐振腔的调Q值按照一定的程序随时间变化的技术。在泵浦开始时，腔被置于低Q状态，即，振荡阈值被提高，从而不会产生振荡，并且可以大量累积较高能级的反转粒子数。当反转粒子数累积到最大值(饱和值)时，腔损耗突然减小，Q值突然增加，激光振荡迅速建立。在很短的时间内，高能级的反转粒子数被消耗掉，在腔内转化为光能，能量在腔的输出端以单脉冲的形式释放出来，从而获得峰值功率很高的大脉冲激光输出。现在调Q技术可以实现峰值功率在兆瓦级(106瓦)以上、脉

12、宽在纳秒级(10-9秒)的激光脉冲。22、调Q光纤激光器、声光调Q光纤激光器、电光调Q光纤激光器、23、调Q光纤激光器、马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪光纤调Q激光器，压电陶瓷为压电陶瓷，施加正弦电压，压电陶瓷产生周期性变形，固定有压电陶瓷的光纤的光路随之周期性变化，在第二耦合器处形成干涉，可视为腔损耗的周期性变化，实现调Q。锁模技术和超短脉冲(纳秒或更短的光脉冲ps-fs)技术是物理、化学、生物、光电子学、激光光谱学等学科研究微观世界和揭示新的超快过程的重要手段。光纤通信也需要超短脉冲光源。20世纪90年代，超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁定锁模、附加脉冲锁模、耦

13、合腔锁模、自锁锁模等阶段。其中，随着20世纪90年代自锁模技术的出现，掺钛蓝宝石自锁模激光器获得了8.5飞秒超短光脉冲序列。(1)各纵模的初始相位之间没有确定的关系，完全独立且随机。(2)频谱由于激光中的频率牵引和排斥，相邻的频率间隔不同频率的三个光波的叠加：i=1，2，3，假设三个振动频率为 1， 2， 3的光波以相同的方向传播，锁模前后的对如下图所示。26是频率为c的光波，经施加频率为(1/2)m的调制信号调制后，其频谱包括三个频率，即c、上频率(c m)和下频率(cm)，三个频率的光波相位都相同。主动锁模，27，调制激发的边频实际上是0附近的两个纵模频率，因此与其相邻的两个纵模开始振荡，

14、并且它们具有一定的振幅和与0相同的相位关系。然后， 1和1被增益介质放大并被调制器调制，调制结果激励新的边频2=1 c/2L和2=1c/2L和3=2 c/2L和3=2c/2L等。如图所示，这个过程一直持续到所有落在激光线宽内的纵模被激发。假设增益曲线中心的纵向模式频率为 0，因为它的增益最大，所以它首先开始振荡。电场表达式是当光波通过腔内调制器时，受到损耗调制，调制结果产生两个边频分量 0 m。当损耗变化的频率m等于腔内纵模的频率间隔时，E(t)=E00t，28，被动锁模，在激光谐振腔内插入可饱和吸收体来调节腔内损耗。当满足锁模条件时，可以获得一系列锁模脉冲。饱和吸收体、饱和吸收体的吸收特性：吸收系数随光强的增加而减小，强信号的透射率高于弱信号，即高强度脉冲信号可以使吸收体饱和。该图显示了通过可饱和吸收体的激光透射率随激光强度I的变化。强信号和弱信号粗略地除以染料的饱和光强Is。大于1的光信号是强信号，否则是弱信号。使用较多的可饱和吸收体包