稀土掺杂光纤激光器和放大器

1、大功率稀土掺杂光纤激光器和放大器,High-Power Rare-earth-doped Fiber Laser and Amplifier,张 帆 北京交通大学光波技术研究所,课件： 草稿箱附件 用户名：fiber.waveguide 密码：guangbosuo 考试分值：2530分 考试范围：PPT 题型：填空，简答 光波所314室， 办公室手机：E-mail: ,大功率稀土掺杂光纤激光器和放大器相关技术概述,学 习 大 纲,1. 基础部分：激光器基础，稀土元素； 2. 主讲部分：掺稀土光纤激光器和放大器 (1). 掺Er： 原理，结构

2、，发展，典型结构参数和应用； (2). 掺Yb：双包层光纤，大功率，多芯和光子晶体光 纤，包层泵浦耦合技术，激光合束，Er-Yb 共掺； (3). 掺Tm：原理，需求与应用； (4). 稀土光纤的制造和拉丝技术,1. 激光器基础知识,1. 光子的概念 2. 能级的概念 3. 光与物质的相互作用 3.1 自发辐射 3.2 受激吸收 3.3 受激辐射 4. 粒子数反转与光放大,1. 光量子说：光子概念,光量子学说认为，辐射能（即光波能）不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。这种小微粒叫做光量子。能量大小为h，其中h=6.6281034 Js（焦耳秒），称为普朗克常数，是光波频率。 光与物

3、质作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,2.玻尔的原子能级假说,1913年玻尔在前人工作的基础上提出了原子能级假说，即 1）单个原子存在某些定态，处于这些定态的原子能量只能取一些分立的值，这些定态称为原子能级。,2）当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，则发出或吸收电磁辐射。跃迁过程满足方程,3.光与物质的相互作用,光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收、三种物理过程。 1.自发辐射； 2.受激辐射； 3.受激吸收；,(1). 自发辐射,(1). 自发辐射 这种与外界影响无关、自发地进行辐射称为自发辐射。,自发辐射的特点：每个发生辐射的原子都

4、可看成是一个独立的发光体，它们之间毫无联系。且各原子开始发光的时间参差不一，虽然光波的频率相同，但是震动方向、相位都不一定相同。即大量原子自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。,自发辐射过程,(2). 受激辐射,(2). 受激辐射：处于高能级E2上的电子在外来光子的激发下，由高能级E2跃迁到低能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，这种原子发光过程叫受激辐射。,a.只有外来光子能量hf21E2-E1时，才能引起受激辐射； b.受激辐射产生的光子和外来光子具有完全相同的特征，即频率、相位、振动方向和传播方向均相同，（称为“全同光子”），为相干光； c.在受激辐

5、射过程中，通过一个光子的作用，可以得到两个全同光子，依次类推，此现象称为“光放大”。,受激辐射过程,光放大器,自发辐射与受激辐射的区别,相干光与非相干光的比较,(3). 受激吸收,受激吸收：是受激辐射的相反过程，处于低能级E1原子受到外来光子的激发，完全吸收此光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。,a.只有外来光子能量hf21E2-E1时，才能引起受激吸收； b.受激吸收的过程不是释放出能量，而是消耗外来光能；,受激吸收过程,受激辐射和受激吸收的区别与联系,1. 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hf12

6、 式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。 2. 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布,式中， k=1.38110-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0

7、，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,4. 粒子数反转与光放大,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 2. 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。 即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数）

8、，这种粒子数的反常态分布称为 粒子（电子）数反转分布。,粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,粒子数反转,2. 激光器的工作原理,如何才能产生激光？,激光器包括以下3个部分： 1.必须有产生激光的工作物质（激活物质-处于粒子反转态）； 2.必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 3.必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,（1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。,（2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激

9、辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。,（3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 1.使工作物质的受激辐射连续进行； 2.不断给光子加速； 3.限制激光输出的方向。,要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：,全反 射镜,半反 射镜,实物图,原理图,激光工作物质,光学谐振腔,激光工作物质,全 反 射 镜,半 反 射 镜,out,光放大原理,谐振腔产生激光振荡过程,工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐

10、射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 (1). 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 (2). 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。 (3). 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。,光放大器概述,光放大器的作用: 光纤通信系统中，光信号在光

11、纤中传输并在与其它器件之间连接会引起光信号的能量损耗。为了解决光纤衰减对光源和光接收机之间光纤长度的限制，必须对光信号进行放大，以补偿光信号的损耗。 光放大： 光电中继器（传统） 光放大器,光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其工作机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈（谐振腔）或反馈较小的激光器。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转，然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。,受激辐射过程,光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 光

12、放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。 特点:装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继 光放大器（O-O） 特点:多波长放大、低成本，只能实现1R中继,电光中继器与光放大器,信号放大,输入光纤,光信号,光放大器,输出光纤,放大后的光信号,光信号,光电转换,电光转换,电信号处理,信号的再生与放大,光放大器的类型,1.利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA、TDFA） 2.利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 3.利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）,稀土掺杂光纤放大器,光纤放

13、大器的应用,线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗,功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离,前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度,局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数,实现激光器和放大器的条件,如何才能产生激光或激光放大？,激光器包括以下三个部分（放大器只需要前两个部分）： 1.必须有产生激光的工作物质（激活物质-处于粒子反转态）； 2.必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 3.必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,激活物质-稀土元素,稀土元素的发现,稀土金属是芬兰学者加多林(Johan Gado1in)在

14、1794年发现的。当时在瑞典的矿石中发现了矿物组成类似“土”状物而存在的钇(yttrium)土，由于这些元素发现的比较晚，又难以分离出高纯的状态，最初得到的是元素的氧化物，它们的外观似土,且又认为稀少，便定名为,“稀有的土”,Rare Earths,稀土元素的组成,稀土元素：周期系B族中原子序数为21、39和5771的17种化学元素的统称。 其中原子序数为5771的15种化学元素又统称为镧系元素。 稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。 目前比较成熟的掺入光纤中的稀土离子有Er3+ (铒) 、Nd3+ (钕)、Pr3+ (镨) 、Tm3+ (铥) 、

15、Yb3+ (镱) 、Ho3+（钬）,稀土元素的光谱特性,为什么稀土离子具有丰富的光谱特性和丰富的能级结构，可以实现粒子反转和多种激光跃迁？,1. 主量子数: 玻尔认为原子内的电子按一定壳层排列，即第一主壳层电子的主量子数为1，第二主壳层电子的主量子数为2，依次类推，分别用大写的K，L，M，N，O，P，Q表示n=1，2，3，4，5，6，7的主壳层。 2. 轨道角量子数l: 在每一个主壳层中又有若干个次壳层，也就是说有若干种轨道的形状。用轨道角量子数l来描述，l=0，1，2，3，4，5，6分别用小写的s, p,d,f,g,h,i表示。次壳层的数量由主壳层决定，共有n个次壳层，l最大取(n-1)。,

16、原子的壳层结构,3. 轨道的取向 ml: 每一种形状的轨道又有若干种轨道的取向 ml=2l+1. 如:p电子的轨道有3种可取的方向，d电子的轨道有5种可取的方向。用ml表示，ml最大为l,最小为-l，中间依次差1。 4. 电子的自旋取向ms: 每个电子的轨道确定后，还要考虑它的自旋，有两种取向，一正一负，用 表示，分别为1/2和-1/2。,原子结构示意图,以上四个量子数知道后才能确定一个电子的状态。,1、根据泡利不相容原理：在原子中不能有两个或两个以上电子处在同一状态。,比方：在一栋楼中，有不同的楼层（即为主壳层，这是一个大的范围）；每层有不同的房间（次壳层，更小一点的范围），而且第一层，只有

17、一个房间0号，第二层有两个房间0号和1号，第三层3个0号1号和2号；房间里有些双人桌（桌子好比轨道，双人好比电子自旋），0号房间只有一张双人桌，所以最多坐2个人，因为它只有两个位置（不能有两个以上的人坐同一个位置），2号房间则有3张桌子，所以最多能坐6个人。 这里的同一状态是指4个量子数都相同，好比这里的楼层、房间、桌号以及同一桌子的左和右。,原子的壳层结构,2、能量最小原理,在满足泡利不相容原理的基础上还应满足能量最小原理：基态时原子中电子的排布总是使整个原子的能量最小。,因为体系的能量越低，系统越稳定，这是物理学中的普遍规律。换句话说，电子在原子中排布时，总是先占据能量最低的壳层和位置。（

18、好比你看电影时总是在不和别人争位置的基础上找一个最好的位置。）,电子在壳层中的填充与排列,那么哪个位置最好呢？前先肯定靠前一点的更好，但并不是说前面的就比后面的好，第一排最边上的位置肯定没有第二排中间的位置好。,原子的能级高低也一样，并不是完全由主量子数决定，轨道角量子数也会影响能级的大小，某些n小而l大的能级可能要高于n大而l小的能级。从而打乱了能级的正常次序，电子的填充次序也跟着改变。,镧系元素原子的基态电子组态,Xe 4fn6s2 Xe 4fn-15d16s2,镧系元素原子的基态电子组态,根据能量最低原理，镧系元素原子的基态电子组态由两种类型：Xe4fn6s2和Xe4fn-15d16s2

19、,稀土离子的特点：有一个未被填充满的4f电子层； 根据能量最低原理，镧系元素原子的基态电子组态由两种类型：Xe4fn6s2 和Xe4fn-15d16s2。当原子受热或电磁辐射的激发，分别失去它们的5d16s2或4f16s2三个外层电子之后，都变成正三价的离子。,为什么稀土离子具有丰富的光谱特性，丰富的能级结构， 可以实现多种激光跃迁？,由于镧系离子具有未充满的4f壳层以及4f电子的自旋轨道耦合作用，加上4f、5d、6s电子能量比较相近，产生数目很多的能级。 镧系离子的吸收光谱或激发光谱，主要来源于f组态内的电子跃迁，即f-f跃迁；从高能级向低能级的跃迁就产生相应的发射光谱。,掺稀土光纤激光器和

20、放大器,掺稀土光纤的发展 掺铒光纤放大器 掺镱光纤激光器 铒、镱共掺光纤放大器 掺铥光纤及光纤激光器 掺稀土光纤的制造方法 掺稀土光纤的发展方向,掺稀土光纤的发展,1960年第一台红宝石固体激光器问世； 1961年在掺钕玻璃包层波导中发现了激光； 1964年在掺钕硅酸盐光纤中实现了对1.06m波长的47dB的增益放大； 1966年高锟和Hockham在研究了玻璃光纤损耗的主要原因后提出了基于光学全反射原理的光导纤维的全新概念； 1970年，Corning公司成功研制出在0.63 m损耗为20dB/km的石英玻璃光纤。,掺稀土光纤的发展,到了上世纪八十年代，随着激光器技术特别是半导体激光器工艺技

21、术的发展，使掺稀土光纤激光器的泵浦源问题得到解决。基于MCVD工艺的稀土离子的掺杂技术，解决了稀土离子掺杂进光纤的难题。 1985年报道了第一个掺钕光纤激光器； 随后的研究中，人们又陆续把传统激光器中的调Q和锁模技术引入了掺钕光纤激光器中，得到了窄脉冲，这些技术拓宽了光纤激光器的应用范围。 1986年，英国南安普顿大学首次用MCVD研制成纤芯掺杂的铒光纤，并实现了1.55m低损耗窗口的激光辐射 ，由于正好处于光纤的最低损耗窗口，很快掺铒光纤应用于掺铒光纤放大器并迅速实用化。,掺稀土光纤的发展,掺稀土光纤制造技术的进步,各种波长泵浦激光器的发展,EDFA的成功商用,多种稀土掺杂：Er、Yb、Nd

22、、Tm、Ho、Pr、Sm等； 多种基质材料：石英玻璃、氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、铋酸盐和碲酸盐玻璃 多种波长的光纤激光器,掺稀土光纤的发展 掺铒光纤放大器 掺镱光纤激光器 铒、镱共掺光纤放大器 掺铥光纤及光纤激光器 掺稀土光纤的制造方法 掺稀土光纤的发展方向,Technical break-through in the history of OFC,1980s： Quantum Well Laser Technique,掺铒光纤和放大器发展历史,1985年英国南安普顿大学佩恩（Payne）等人首先发现掺杂稀土元素的光纤（Rare Earth Doped Fiber）有激光振荡和光放大的现象，它是

23、光纤通信中最伟大的发明之一； 1987年南安普顿大学掺铒光纤放大器（EDFA）研制成功，它是光纤通信发展历史上重要里程碑。,掺铒光纤放大器光放大原理,掺杂光纤放大器利用掺入石英光纤的稀土离子作为增益介质，在泵浦光的激发下实现光信号的放大，放大器的特性主要由掺杂元素决定. 目前，EDFA最为成熟，是光纤通信系统必备器件。,EDFA中的Er3+能级结构,泵浦波长可以是520、650、800、980、1480nm 波长短于980nm的泵浦效率低，因而通常采用980和1480nm泵浦。,铒离子简化能级示意图,EDFA的工作原理,EDFA采用掺铒离子单模光纤为增益介质，在泵浦光作用下产生粒子数反转，在信

24、号光的激发下实现受激辐射放大.,信号光与波长较其为短的光波(泵浦光)同沿光纤传输，泵浦光的能量被光纤中的稀土元素离子吸收而使其跃迁至更高能级，并可通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿光纤长度得到放大，泵浦光沿光纤长度不断衰减。,EDFA的基本结构,掺铒光纤：当一定的泵浦光注入到掺铒光纤中时，Er3+从低能级被激发到高能级上，由于在高能级上的寿命很短，很快以非辐射跃迁形式到较低能级上，并在该能级和低能级间形成粒子数反转分布。 半导体泵浦二极管：为信号放大提供足够的能量，使物质达到粒子数反转。 波分复用耦合器：将信号光和泵浦光合路进入掺铒光纤中。 光隔离器：使光传输具有单向性，放大器不

25、受发射光影响，保证稳定工作。,掺铒光纤放大器结构示意图,EDFA的放大波段,EDFA主要可用于C+L-Band光放大,光通信波段,三种泵浦方式的EDFA,同向泵浦(前向泵浦)型：好的噪声性能,反向泵浦(后向泵浦)型：输出信号功率高,双向泵浦型：输出信号功率比单泵浦源高3dB，且放大特性与信号传输方向无关,三种泵浦方式的用途,功率放大器,前置放大器,线路放大器,不同用途对铒纤的要求,功率放大器（功放）： 要求掺铒光纤饱和输出功率高（13-22dBm），对应铒离子掺杂浓度高； 前置放大器（预放） 要求掺铒光纤满足高增益(Gain20dB)、低噪声（NF4.5)，对应铒离子掺杂浓度低； 线路放大器（

26、线放） 对掺铒光纤要求介于功放和预放之间；,掺铒光纤放大器按波长分类,C-Band单波长光纤放大器 C-Band多波长光纤放大器 L-Band光纤放大器,不同放大波长对铒纤的要求,C-Band单波长用掺铒光纤已不存在技术问题 饱和输出功率，主要用于功放 C-Band多波长用掺铒光纤： 增益平坦度 光纤一致性 L-Band掺铒光纤： 高掺杂浓度 光纤一致性 转换效率,C-Band用铒纤典型参数,L-Band用铒纤结构和典型参数,EDF折射率剖面,石英基铒纤缺陷,稀土掺杂量低，无法通过敏化来提高发光效率 EDFA带宽窄（1530-1625nm，典型带宽1530-1565nm） 光敏性（紫外光致折射

27、率变化）较差,掺铒光纤芯层成分,掺Al： 优点：EDF的吸收截面和发射截面展宽； 增加Er 的溶解度，比掺Ge提高10倍左右 缺点：掺杂量太高会导致析晶,其它基质掺铒光纤,氟化物、磷酸盐、碲酸盐、铋酸盐、硫化物等 优点： 可以实现高浓度，使用铒纤长度只需要几厘米，而常规石英基铒纤长度在10m左右；掺杂增益谱更宽，更平坦。 缺点：制造成本高； 对传输光纤的接续不好解决；化学稳定性差 因此，几种非石英基质的高浓度掺饵光纤在通信领域的应用受到了一定的条件限制,超高掺杂浓度多组分光纤实现器件小型化,The smallest size ：(26.333.512mm3 ),Gain per length(

28、cm) 5dB/cm(1999)5.4dB/cm(2002),为什么要用掺铒光纤放大器,1. 工作频带正处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)； 2. 频带宽，可以对多路信号同时放大-波分复用； 3. 对数据率/格式透明，系统升级成本低； 4. 增益高(40dB)、输出功率大(30dBm)、噪声低(45dB)； 5. 全光纤结构，与光纤系统兼容； 6. 增益与信号偏振态无关，故稳定性好； 7. 所需的泵浦功率低(数十毫瓦)。,EDFA给光纤通信领域带来的革命,1. EDFA解决了系统容量提高的最大的限制光损耗 2. 补偿了光纤本身的损耗，使长距离传输成为可能 3. 大大增加了功率预算的冗

29、余，系统中引入各种新型光器件成为可能 4. 支持了最有效的增加光通信容量的方式-WDM 5. 推动了全光网络的研究开发热潮,掺稀土光纤的发展 掺铒光纤放大器 掺镱光纤激光器 铒、镱共掺光纤放大器 掺铥光纤及光纤激光器 掺稀土光纤的制造方法 掺稀土光纤的发展方向,自上个世纪60年代激光发明以来，已广泛应用于工业、军事、通信、医学和科学研究等诸多领域，对经济和社会发展起到了巨大的推动作用。 全固态激光器由于其具有效率高、寿命长、结构紧凑等特点，是激光研究中最为活跃的领域之一。 高功率激光器在工业和军事国防等领域均有大量的需求 ，在这些应用中，对激光器的效率、光束质量、体积、重量等提出了越来越高的要

30、求。,高功率固体激光器的发展,固体激光器的发展遇到了问题,Nd:YAG 掺Nd钇铝石榴石晶体,1964 世界上第一个玻璃激光为钕玻璃光纤激光器(Appl.Opt.,3.1964.1182） (光纤损耗、光纤拉制工艺、室温半导体激光器技术限制了光纤激光器的发展) 1987 EDFA成功应用，但由于用单模光纤，不易实现高功率 1988 年提出泵浦光进入包层的思想，提出双包层光纤，但圆形内包层效率低 (Proc.Conf.Optical Fiber Sensors.,PD5.41.1988) 1993 长方形内包层的双包层光纤大大提高了效率和功率（光光效率50，功率5W）Elect.Lett.,29

31、.1993.1500）,光纤激光器的发展,2004年1月，英国SPI在Photonics West2004上，报告单根光纤实现了1千瓦的激光功率输出; 2005年，英国、德国报道单根光纤激光实现了1300W的激光输出; 2007年，IPG实现单纤单模3000W的激光输出 2008年，IPG实现单纤输出6000瓦。,1999 用4只45W半导体激光泵浦双包层光纤，实现110W输出，波长1120nm的激光输出（ Elect.Lett.,35.1999.1158） 2002年 采用双波长泵浦钕镱共掺杂的双包层光纤，获得150W激光输出（CLEO,2002） 2003年1月Jena的IPHT报道了其采

32、用双重涂覆的掺Yb光纤的200W光纤激光（SPIE，4974） 2月，Southampton Photonics, Inc.（SPI） 宣布掺Yb光纤和掺Er光纤分别实现了270 W（1080nm）和100W（1565nm）的单模激光输出 5月，IPG公司宣布实现了300 W 的单模掺Yb光纤激光 7月，英国SPI公司实现了600W的掺Yb光纤激光,单根连续双包层光纤激光的输出功率,Yb3+离子的特性： Yb3+电子构型为4f13，有2个电子态，即基态和激发态(27/2、25/2)。在配位场作用下，基态和激发态产生Stark分裂，形成准四能级的激光运行机构。普遍认为，作为能级结构最简单的激活离

33、子，Yb3+不存在上转换、激发态吸收和浓度淬灭，极大降低了材料的热负荷，具有很高的能量转换效率，可获得很好的激光输出光束；具有较长的荧光寿命，能有效储存能量。,Yb3+离子的激光放大机理,Yb3+离子的能级图：在石英基质中,Yb3+离子的能级结构见下图,Yb3+的吸收和发射谱,Yb3+离子在SiO2-GeO2玻璃基体和SiO2-Al2O3玻璃基体中吸收光谱的比较：,纤芯成分对激光输出的影响,常规光纤和双包层光纤的比较,双包层光纤,内包层对光纤性能的影响,典型的内包层形状,双包层掺镱光纤的应用光纤激光器,单端泵浦,双端泵浦,大芯径双包层掺镱光纤的优点：可以降低激光功率密度，提高光纤端面的损伤阈值

34、；芯/内包层增大，泵浦吸收增加，所需光纤长度变短，降低光纤非线性效应的产生；使光纤储能增加，提高激光输出功率等。 大芯径双包层掺镱光纤的缺点：制造技术比较困难（掺杂容易造成不均匀、预制棒制备可靠性较差等）、光束质量变差等。 大芯径双包层掺镱光纤的特性：以纤芯为100m的双包层光纤为例：激光单模输出的要求纤芯数值孔径小于0.008。,双包层掺镱光纤的发展大模面积,多芯双包层掺镱光纤的特点：多芯双包层掺镱光纤常见有双芯、3芯、7芯、19芯等结构。每个纤芯的直径、掺杂浓度等都相同,且都为单模,纤芯间的距离很近、有多种排列方式。,双包层掺镱光纤的发展多芯,有关多芯双包层掺镱光纤的理论：由于振荡激光瞬逝

35、波的耦合,使得各纤芯受激发射的激光相互作用,达到同相位激光输出。根据耦合模式理论，N个纤芯将产生N个同相位的超级模式，从而使得光束质量M2最小。该技术可在保持高光束质量的同时，达到高能的激光输出。,双包层掺镱光纤的发展多芯,十九芯双包层掺镱光纤的近场和远场三维超级模式图 ：,双包层掺镱光纤的发展多芯,双包层掺镱光纤的发展光子晶体光纤,光子晶体光纤的奇异的特性,双包层掺镱光子晶体光纤的实际照片：,双包层掺镱光纤的发展光子晶体光纤,双包层掺镱光子晶体光纤的特点： 内包层周期排列的空气孔通过对纤芯的数值孔径的有效调节； 可以获得较大的内包层数值孔径； 由于光纤不再使用有机物涂料，因此耐热性能大大提高

36、。,双包层掺镱光纤的发展光子晶体光纤,高功率(1.53kW)光子晶体光纤激光器,1.全光纤化的光纤激光器 2.单根连续高功率光纤激光器 3.短脉冲光纤激光器 4.光纤激光组束,大功率光纤激光器的发展,1.全光纤化的光纤激光器,全光纤结构激光器结构示意图,包层泵浦方式：端面泵浦,大功率泵浦源：激光二极管Bar条,激光二极管Bar条的输出光束特性,The most undesirable optical property: astigmatic output beam! Fast axis: width-1um; divergence angle-60o(38o FWHM); because of

37、 the small aperture size the output in the fast axis direction is still a single transverse mode. Slow axis: length-1cm divergence angle-100(5o FWHM); 49 broad area emitter array Each area: 100um Space between each area: 100um,An incoherent line pump source!,包层泵浦方式：端面泵浦,对于数千瓦级的光纤激光器来说，目前端面泵浦依然是首选。,商

38、用化的光纤激光器,宽带光源波长范围可达到4002400nm，并且在整个宽谱范围内都具有单模特性，在可见光范围内输出功率可以达700mW，从而在整个光谱范围内具有较高的功率密度。频率80MHz,包层泵浦方式：侧面泵浦,1. 侧面V型槽耦合技术（imbedded v-groove coupling） 2. 内嵌棱镜的侧面耦合技术（embedded-mirror side pumping） 3. 微型棱镜侧面耦合技术 4. 光纤角度磨抛侧面耦合技术（the fibre angle-polished method (FAPM)） 5. 熔锥侧面泵浦耦合技术 6. 利用光栅进行侧面泵浦耦合技术（side

39、-pumping of fibre lasers usingbinary gold diffraction gratings） 7. 利用柱体-光纤侧面耦合器进行侧面耦合,1.利用柱体-光纤侧面耦合器进 行侧面耦合,上海光机所-报道于2005,7, 1=arcsin(n0sin 0/n2) 全反射临界角为： c=arcsin(n1/n2),2. 熔锥侧面泵浦耦合技术,04年9月报道,在锥区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去祛除露出纤芯，同时双包层的外包层也要祛除露出内包层，并且要使其能够融合在一起，因此生产工艺较为复杂。,Evanescent-field,理论最大耦合效率为：64%,3.光纤角度

40、磨抛侧面耦合技术 (fiber angle polish method),一个LD泵浦时：282mw-55.6% 两个LD泵浦时：898mw-51.1% 三个LD泵浦时：1.38w -48.9%,4. 微型棱镜侧面耦合技术,上海光机所报道于2003年七月 最早是95年在optics communication 上由Weber提出,耦合效率可达：90%,5. 内嵌棱镜的侧面耦合技术,报道于2003年4月,6. 利用光栅进行侧面泵浦耦合技术,报道于2003年2月,7.侧面V型槽耦合技术（imbedded v-groove coupling）,Keopsys公司,小 结,1.从制作工艺上分： (1)

41、剥除双包层光纤的外包层，在其上面用光学粘合剂粘附上各种耦合器（微棱镜，光纤圆柱体，光栅，多模光纤）； (2)在双包层光纤的侧面进行刻槽（横向和纵向刻制V型槽）； (3)以上两种方式的结合（内嵌棱镜的侧面耦合技术：先进行刻槽然后粘附上微型棱镜）,2.从耦合原理上分： (1)利用模耦合原理，通过泵浦光的瞬逝场耦合进双包层光纤； (2)利用内包层的全反射，先通过一个包层外的耦合器将泵浦光耦合进内包层，并设置入射角使其在内包层满足全反射原理，多次通过纤芯进行泵浦，以达到高的耦合效率。,实用化的侧面泵浦光纤激光器,2.单纤连续高功率光纤激光器,尽可能地提高单根光纤激光器的输出功率，并保持其单模特性！ 单

42、纤的功率极限？在技术上能实现的最高功率？10kW？,垃圾模式(Garbage),环形模式,选模后的模式,利用外腔、缠绕或拉锥等技术进行选模，在粗芯光纤中也可获得高光束质量的激光输出。,主振荡放大（MOPA）实现脉冲激光输出,种子激光,预放大,功率放大,3. 短脉冲光纤激光器,1. 调Q 2. 锁模,通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。,既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上

43、能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。,调的基本原理,当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数 积累的有效方法!,Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量）,所以 （2.1-2),从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为,(2.1-1),式

44、中，g 是模式数目，A21自发辐射几率，c是光子在腔内的寿命，,而,c是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间,调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。,锁模的基本原理,所谓模，就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型。纵模，也叫轴模。 在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加强反射的条件， 2nL= k, 即 2nL= k11 = k22 = k33 = ki（正整数）是纵模模数。,如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互

45、联系起来，使之有一确定的关系(q+1 -q常数)，那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象；激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲,激光器各模的相位已按照q+1 -q常数的关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。,3. 短脉冲光纤激光器,对于连续工作的光纤激光器，光纤本身就是工作物质，一般采用结构简单的F-P腔结构，这样无需在腔内放置其它光学元件就可以获得高功率的激光输出，结构相对简单。 但如果从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光可实现更高的激光亮度，或许更为有用。,内置声光调Q的光纤激光器,激光脉冲啁啾放大

46、和压缩（CPA）系统,131 W、220 fs的光纤激光系统,平均功率131W，73MHZ 峰值功率8.2MW， 峰值功率比连续时大6104倍。,德国 Jena, 2005年 Optic Letter,光纤激光器功率增长的限制因素,一. Thermal limitations 1. Thermal fracture 2. Melting of the core 3. Thermal lens 二. Non-linear optics limitations 1. Stimulated Raman Scattering 2. Stimulated Brillouin Scattering 三.

47、Damage limitations 四. Pump power limitations,单模宽谱光纤激光器的输出功率极限,单频光纤激光的输出功率极限,单频(一般谱宽小于或与布里渊增益的线宽量级相同，即小于100 MHz),由于非线性、热破坏等效应的限制，单根光纤激光的输出毕竟有限。在实际应用中，特别是一些特殊目标的应用中，对激光亮度（功率和光束质量）有非常高的要求。通过单根增益光纤无法获得这种高亮度激光源。与此同时，构建模块化的光纤激光阵列，对阵列的输出光束进行相干合成是获得高功率高光束质量输出的必然途径之一。 光纤激光技术发展目标： 提升激光功率的同时，保持其良好的光束质量。 发展高功率光

48、纤激光组束技术!,4. 光纤激光的组束技术,IPG公司将多个100瓦级光纤激光器的输出直接并束，可以提升光纤激光系统的总功率，实现几千瓦甚至上万瓦的光纤激光系统。但相对于单根光纤激光来说，这种组束系统的光束质量变差,IPG的2000瓦多模光纤激光器用于扫雷，在25-300米范围内平均30秒可以引爆一颗地雷。,采用常规组束技术的高功率光纤激光器可以满足在一定工作距离的任务需求！,激光合束技术（Laser Beam Combining ）,Side-by-side beam combining ; 2. Wavelength beam combining (WBC); 3. Coherent be

49、am combining (CBC);,1. Side-by-side beam combining,1. Side-by-side beam combining : the array elements may (or may not) operate at the same wavelength, but nothing is done to try to control the relative spectra or phases of the elements. (非相干合束) Eg: Diode-laser arrays (linear bars, two-dimensional a

50、rrays),2. Wavelength beam combining (WBC);,(1) Serial-(WDM) (2) Parallel-(BC),(1),(2),WBC for high power diode array and fiber laser array,Optical Letter(2003),“Wavelength beam combining of ytterbium fiber lasers”,an array of three Yb-doped fiber lasers with 104Wand M2 = 2.7 was demonstrated using a

51、 fused-silica transmission grating for the dispersive element.,3. Coherent beam combining (CBC),All of the array elements operate with the same spectrum and the relative phases of the elements are controlled such that there is constructive interference. （相干合束）,相干叠加和非相干叠加,相干条件,1.频率相同 2.振动方向相同 3.相位差恒定

52、 4.两光波在相遇点所产生的振动的振幅相差不悬殊 5.两光波在相遇点的光程差不能太大,光纤激光器的相干合成技术,采用相位控制技术锁定各路激光的相位是实现相干合成的基本条件; 相位控制技术可以分为： 1.主动相位控制 2.被动相位控制,光纤激光器的相干合成技术,1.主动式相干合成 (1) 外差锁相; (2)自参考锁相; (3)自适应锁相；,2. 被动式相干合成 (1)干涉仪合成: 麦克尔逊型干涉仪; 马赫-曾德型干涉仪； (2) 外腔相干合成: 自成像共振腔; 自傅立叶共振腔； 光栅腔外合成； (3) 倏逝波耦合合成: 光纤耦合器倏逝波耦合; 多芯光纤倏逝波耦合；,外差锁相,图 . 外差锁相原理

53、.,优点：结构简单； 易实现合成数目的扩展. 缺点：复杂的相位探测和校正系统.,光纤放大器相干合成实验原理图,自参考锁相,自适应锁相,干涉仪合成：迈克尔逊干涉仪,N=8迈克尔逊型光纤激光器相干列阵实验装置图,优点：无需额外的相位控制系统. 缺点：合成效率随N增加和功率提高而下降； 单横模输出.,N=8,N=2 马赫曾德型光纤激光器相干列阵实验装置图,干涉仪合成：马赫-曾德型干涉仪,干涉仪合成,Coherent combining of widely tunable laser sources,外腔相干合成:自成像共振腔,维光纤激光器阵列的相干组束的实验,维的光纤激光器阵列的相干组束的实验,外腔

54、相干合成:自傅立叶共振腔,实 验 结 果,外腔相干合成:光栅腔外合成,相干最佳条件: Ai=A0; 1 = 2 , 3 =,实 验 结 果,倏逝波耦合合成：光纤耦合器,19个光纤激光器的耦合列阵,2004年，HRL研究光纤耦合器的相干合成； 2007年，实现了19元列阵的9个锁相输出.,倏逝波耦合：多芯光纤,19芯光纤端面,实验装置图,最早提出利用多芯光纤进行相干合束: Talbot腔,高功率光纤激光器的发展对光纤的要求,掺稀土光纤的发展 掺铒光纤放大器 掺镱光纤激光器 铒、镱共掺光纤放大器 掺铥光纤及光纤激光器 掺稀土光纤的制造方法 掺稀土光纤的发展方向,高功率光纤放大器的应用需求,波分复用

55、(WDM)传输系统信道数目的增加要求总输入信号功率增加，提供1组1550 nm WDM信号，要求EDFA输出功率也要高。EDFA的输出功率随掺铒光纤(EDF)的转换效率和泵浦源激光二极管的功率而变化。EDF的纤芯直径至多为10 m，这就限制了可耦合的泵浦功率。,采用传统EDFA的 级联式放大方案,采用传统EDFA存在的问题,由于采用了多级结构，所以光学结构十分复杂，而且由于内部采用了多个激光器，所以相应的控制方案十分复杂； 由于多级结构在两级光放之间插入了分波器，相对于在光路中插入了一定的损耗，所以整个EDFA的噪声指数将会恶化； 传统EDFA采用单模纤芯泵浦技术，高输出功率的单模泵浦激光器会

56、因技术和成本上的原因而受到极大限制； EDFA价格昂贵，不易降低成本。,基于包层泵浦的高功率光纤放大器,实现高功率泵浦， 实现高功率放大； 放大器结构简单； 成本大大降低。,EYDFA,铒镱共掺问题提出的原因,Er3+高掺杂浓度下会产生严重的离子聚集,出现浓度淬灭（铒元素在掺杂过程中，不可能达到理想的均匀分布，这样会造成铒掺杂的局部浓度过高，从而导致局部铒元素间距过小，相邻铒元素之间出现非辐射交叉弛豫过程，这种局部的过高浓度，还会导致玻璃基质中产生结晶现象。），解决这个问题有效的方法: Er3+与Yb3+进行联合掺杂。Yb3+吸收截面较大,吸收波段宽,可以从800 nm到1 100 nm,增加

57、了泵浦光波长的选择性。共掺后, Yb3+可以通过能量传递把吸收的能量传递给Er3 + ,使得更多的Er3+被激发到高能态。,铒镱能级图,对于1550nm波段光纤放大器，采用铒、镱共掺的双掺杂技术，利用镱元素的高吸收和铒镱之间能量的高效传递，能够获得铒元素的高效泵浦,铒镱共掺光纤典型参数,铒镱共掺光纤结构,EYDF通常用双包层结构，主要有：,考虑熔接损耗，实用化的EYDF内包层结构有六边形、八边形、梅花形等对称形状,铒镱共掺光纤光学特性,吸收光谱,EYDFA结构示意图,大功率铒镱共掺光纤放大器应用领域,掺稀土光纤的发展 掺铒光纤放大器 掺镱光纤激光器 铒、镱共掺光纤放大器 掺铥光纤及光纤激光器