掺铒光纤激光器.ppt

1、掺铒光纤激光器、目录、早期原理现状展望，1961年，美国光学公司的E.Snitzer等人在光纤激光器领域开展独创工作的1963年和1964年分别发表了多组分玻璃光纤的光放大结果， 在提出光纤激光器和光纤放大器构想的1963年，美国光学公司Snitzer和Koester用掺钕(Nd3)的方法研制了世界上第一个光纤激光器，实现了以光纤为增益介质和谐振器的构想，当时光纤损失大吗？ 英籍华人高馒头博士通过对玻璃纤维损失的主要原因进行分析，提出如果首次能够降低玻璃纤维中的杂质，就可以将光纤损失降低到20dB/km，将光纤用于光通信。 1970年，美康宁公司研制了传输损耗为20dB/km的光纤，证明了高馒

2、头博士的预言，揭开了光纤通信的新篇章从1975年到1985年，光纤通信进入了实用化阶段，由于相关条件的限制，对光纤激光器在这10年中，发展众多光纤激光器所需的工艺技术正在成熟的80年代后半期，英国Southhampton大学的S.B.Poole等人发现了化学气相沉积(MCVD ) 法制作低损耗掺铒光纤的R.J.Mears等人发现掺杂稀土元素的光纤存在激光振荡和光放大的现象，终于在1986年，使用该掺铒光纤制作了世界第一个掺铒光纤激光器， 增益介质：需要能够通过外部激发能量形成粒子数的反转分布状态的增益介质的激发源：在激发辐射过程中，高能级的粒子数逐渐减少，低能级的粒子数逐渐增加，因此通过泵不断

3、地将粒子激发到高能级，破坏热平衡， 必须实现粒子数的反转的泵浦光充分大，必须在泵浦阈值功率以上的谐振腔室：需要可持续激发宽度和光放大过程的结构的光谐振腔室，利用光谐振腔室提高光子的退化度，另一方面，对于光谐振腔，为了得到光自振荡，光在谐振腔内往复1次产生激光的基本条件，图1 .激光器的基本结构在光学谐振腔中沿轴向传播的光在两个镜之间往复传播。 往复传播作用(在这个过程中一边传播一边激发高能级的电子向低能级的发光转变)延长激光器工作物质的长度，增加其中的光能密度，激发放射的概率也远大于自发放射的概率，沿光谐振器轴线传播的光粒子数增益介质、泵浦源、光学谐振腔是产生激光输出的前提条件。 另外，所产生

4、的激光器必须满足阈值条件和相位平衡条件l )激光器所产生的激光器的阈值条件2 )谐振器中，必须满足相位平衡条件的波，往复反射的过程中不能增强，即，产生激光器的基本条件， 图2 .的主要能级图Eergy-level configuration of 4f层的内层电子能够屏蔽而不受外场的干扰，因此4f-4f迁移的光谱特性(荧光和吸收特性)不易受宿主的影响，稳定性优异。掺铒光纤具有的优点，高功率密度：光纤芯直径仅为几微米，因此光纤内容易形成更高的泵功率密度，能够降低阈值功率(由于泵浦光，光纤内该特性对三能级系统可调谐：具有宽荧光光谱，光纤可变残奥仪多，选择范围宽，产生多激光光谱线，配合波长选择器，可

5、得到相当宽的调谐范围，波长复用(适合光纤通信系统应用的耦合效率高：在光纤激光器中，因为光纤是激光介质和光波导介质，所以泵浦光耦合效率高，光纤激光器延长了增益介质的长度，泵浦光被充分吸收， 光转换效率超过60%的紧凑结构：光纤具有极其优异的柔性卷绕性，光纤激光器可设定、修改相当紧凑、柔软，可采用多种封装方式，激光器结构更紧凑，添加铒的光纤的优点，工作波长适当：掺铒(Er3)光纤在1550nm波长具有高增益，其40nm宽的增益光谱轮廓与光纤通信的低损耗最佳窗口相对应，具有潜在的应用价值， 在光纤通信领域散热性能越来越好：由于光纤结构具有高面积体积比，散热效果好，转换效率高，闭值功率高，室温下能够连

6、续工作的光束质量高：掺铒光纤激光器能够单模运行，线宽极窄， 具有良好的单色性和高稳定性，稳定性高：全光纤谐振器结构更稳定，机械干扰影响更小，且有相当多的可调残奥仪表和选择性，光学元件访问后不需要光学准直，谐振器的选择、优点：结构简单，谐振器设定较短线性谐振器结构适用于单纵模输出激光器的缺陷：光纤端面与镜面有间隙，或者即使将倾斜的电介质镜直接镀在光纤端面，光纤端面也不与光纤轴垂直， 实际F-P腔光纤激光器(其可能具有例如在光纤端面上的精细缺陷)通常可以经由光纤光栅、光纤定向耦合器等来配置多个谐振器。 图3 .一般线型腔掺铒光纤激光器的结构示意图generalschematicdiagramofa

7、linearcavityedfl，1、线型腔(F-P型腔)为，在不使用反射镜的情况下， 由于可以通过在光纤激光器的环形腔中插入隔离器来强制激光，因此在没有过滤器的情况下，通常， 环状腔构造对于在输出功率及输出激光频率方面比线性腔构造稳定的掺铒光纤的增益的利用效率更高的环状腔构造的谐振器纵型间隔为线性腔的2倍的谐振器内存在多种光纤器件(光纤光栅， 光纤滤光器等)可以访问，这些设备虽然有高门光反射，但是通过使用光隔离器可以消除反射光的影响。 2、环形腔、空间烧孔效应破坏了均匀扩幅激光器的模式竞争，引起多模式振荡，但加入隔离器后，光在腔内单向传播，形成行波场，行波场腔内的电场强度分布均匀，避免了空间

8、烧孔，狭窄环形谐振腔掺铒光纤激光器的基本结构Basic ring cavity EDFL、可调光纤激光器、可调光纤激光器：是可在不同范围内连续地改变激光器输出波长的激光器。 这种激光器可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监控、半导体加工、信息处理和通信等。 近年来，可调谐光纤激光器发展迅速，其调谐范围多为c波段(1530-1565nm )或l波段(1565-1610nm )，包括旋转F-P滤波器、光纤光栅的轴向压缩调谐、轴向拉伸调谐和悬臂梁迄今为止，已经成为可调谐窄线宽输出和波长范围宽带调谐的光纤激光器的主要研究方向。目前有温度和应变调谐光纤激光器、可调掺铒光纤激光器(EDFL

9、)、可调q光纤激光器、集成阵列波导光栅(AWG )可调光纤激光器、高重复率超高速光纤激光器、 光纤放大器的可调谐光纤激光器以及超连续光谱可调谐特别是可调谐的环型EDFL因其具有较大的调谐范围和较高的功率，已成为可调谐激光器的主流，成为高速大容量长距离传送的光纤通信系统和DWDM通信系统掺铒光纤环形谐振器激光器是以掺铒光纤为增益介质，环形谐振器为谐振器形式的光纤激光器。1991年，美国电话电报公司(AT同时，要注意选择最佳EDF长度。 图8 .单模光纤损耗光谱，图9 .掺铒光纤的吸收和增益光谱，在国内从90年代初开始光纤激光器的研究，取得了一些阶段性成果。 在宽带可调谐掺饵光纤激光器的研究领域，

10、南开大学现代光学所引人注目。 2000年以来董新永等人发表了多种可调谐饵料光纤激光器的研究报告，他们通过理论模拟着重分析了饵料离子簇对光纤可调谐饵料光纤激光器输出特性的影响，发现铒离子簇的存在对激光的输出和平坦度在董新永等人仍强调降低谐振器损耗、优化掺铒光纤长度和选择输出耦合比的重要性的2003年，董新永等人开发了使用线性腔结构和环形腔结构性能良好的可调谐光纤激光器，波长调谐范围超过IOOnm，复盖了整个c 1波段通过在线性腔两端的环形镜上分别插入可调谐的窄带F-P滤波器和宽带滤波器，降低插入损失。 实验分析并选择了最佳长度掺铒光纤和最佳耦合比的输出耦合器，得到了超宽带连续可调的高功率单频激光

11、。 图10 .宽带可调环形谐振器掺铒光纤激光器schematicdiagramoftheproposedtunableedfrl，国内发展，2006年，天津大学王德颖，胡智勇等研制了一款新型环形谐振器可调多波长光纤以半导体放大器为增益介质，采用高双折射光纤环镜进行波长选择，得到17波长的激光输出。 各波长的线宽约0.102nm，信噪比大于25dB，波长间隔符合ITU-T标准100GHz。 调节环内的偏光控制器，实现波长范围最大50GHz的调谐。 2007年，韩国汉阳大学的Young-Geun Han等人将特别制作的啁啾光纤光栅固定在有锯齿和齿轮的可动平台上，成为了多通道滤波器。 分别设置在掺铒

12、光纤放大器和多波长喇曼散射放大器的激光腔内，实现了一定波长间隔0.51nm的多波长激光器输出。 使EDFA和多波长拉曼激光同时作用于CFBG，得到波长间隔可在大范围内连续调整的激光，灵敏度测定为0.033nm/mm。 在2011年，剑桥大学的D. Popa等人在环形谐振腔光纤激光器内加入作为新材料的50m厚的石墨烯作为可饱和吸收体，在此同时，通过调节多波长拉曼激光器的泵浦功率，可以得到不同波长数的激光泵功率达到40mW时，输出连续波长的激光。泵功率达到74mW时，脉冲激光开始运转，其重复频率可根据泵功率的变化，从36kHz连续调整到103kHz，输出光谱从1522nm到103kHz 2012年

13、，浙江大学孙兵们在M-Z一臂上连接偏振控制器，在另一臂上连接可变延迟线，构成光纤光学残奥量度振荡器，构建了波长间隔可调的多波长光纤激光器。 结构以高非线性色散移位光纤为增益介质，mz为梳状滤波器，实现了波长范围在1541nm到1558nm的24个波长输出。同时，波长间隔可以调整为0.08nm、0.2nm、0.4nm、0.8nm。 2013年，北京交通大学的邹慧等人在双通道M-Z端插入偏振光纤，构成M-Z梳状光谱被侑弦调制的滤波器，此外还构成高精细滤波器和复合滤波器，使线宽变窄。 在此基础上，建立了稳定、可调谐、高边模抑制比的线偏振单波长光纤激光器。 泵浦功率达到200mW时，激光器的侧模抑制比

14、超过72dB，1小时内峰值功率变动小于0.08dB，波长漂移小于0.02nm，通过调节偏振控制器，波长从1560.37nm到1568.56nm为止波长调谐范围宽、泵斜率效率高的同一光源发出的1束光分解为2束光，在同一环内沿相反方向跟踪1周，然后在画面上产生干涉。 这就是“萨格纳克效应”。 图11.Sagnac环的基本结构是传统的掺铒光纤，其能够通过向Sagnac环附加不同的光纤器件来配置不同的光纤滤波器首先，对带单一FBG的Sagnac环进行了仿真，并对带双FBGs的Sagnac环滤波器进行了实验研究，构建了激光器，实现了室温下可单一双波长开关的激光输出。 其次，提出了基于高双折射光纤的Sag

15、nac环路和mz级联的滤波器。 图12.FBG-FSI结构图，FBG 3360光纤布拉格光栅，用于嵌入FBGs的Sagnac环滤波器，以及图12 .与常规两个FBGs串并行结构相比，耦合器具有相对昂贵的磷原理：入射光从耦合器1端口入射，由耦合器分为3、4两束光，与布拉格的中心波长一致的光被反射，再次由耦合器耦合而输出，FBG :通过以特定的方式向光纤照射特定波长的激光，光纤内部的折射率沿轴向其特性是反射某一频带内的光，发挥光波的选择作用。 此外，通过温度变化和机械装置调谐光纤光栅，改变布拉格波长，可以进行波长调谐。 具有良好的调谐速度、带宽和良好的稳定性，可用于通信、传感、各种测试等。 图13

16、是不同耦合比的FBG-FSI的透射光谱，图13是耦合比越接近0.5，滤波器的滤波性能越好，远大于消光比为0.2和0.3时的消光比。 因此，在激光实验中使用耦合比为0.5的耦合器构成滤波器系统，测得的透射峰的波长分别为1545.34nm、1548.20nm。 图14 .选择不同偏振状态下的FBG-FSI的透射光谱和FBG-FSI中的耦合器作为3dB耦合器以调整环路中的PC，并且输出的透射光谱最大化到图14所示的：实线的消光比，此时，滤波性能最好。 由于虚线在布拉格波长下的透射率比两侧的透射率小，因此在两个布拉格波长下无法激发激光。 相应地，可以通过调节环中的PC实现双波长切换。 结合了fbgs sag NAC环的双波长开关掺铒光纤激光器，980nm的激发源(LD )经由980/1550nm波分复用器(WDM )耦合到光纤激光器腔内，7m波长掺铒光纤将两个FBGs和一个偏振控制