掺铒光纤激光器

掺铒光纤激光器2011 年1 月14 日

目录

1、设计背景 (2)

1.1激光器的历史 (2)

1.2激光器的原理 (2)

1.3激光器的产生和发展 (3)

1.4激光器的应用 (3)

2、方案论证 (4)

3、环形腔掺铒光纤激光器的制作 (7)

3.1实验原理 (7)

3. 2 泵浦源及其选择 (8)

3.3光纤环形谐振腔 (8)

3.4熔接 (9)

4、掺饵光纤激光器的P-I特性分析 (11)

5心得体会 (14)

参考文献 (15)

掺铒光纤激光器制作

一、设计背景

1.1激光器的历史

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和γ射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平[1]。

激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。

1.2激光器的原理

除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔[2]。

1.3激光器的产生和发展

1954年，美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。

汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，汤斯与姐夫阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案[3]。

1960年，美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。这就是第一台红宝石激光器。此后，陆续有科学家制造出了各种激光器，比如1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器，激光器的发展变的快速起来[4]。

1.4激光器的应用

正由于激光器具备的以上种种突出特点，因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面，并在许多领域引起了革命性的突破。比如，人们利用激光集中而极高的能量，可以对各种材料进行加工，能够做到在一个针头上钻200个孔；激光作为一种在生物机体上引起刺激、变异、烧灼、汽化等效应的手段，已在医疗、农业的实际应用上取得了良好效果；在通信领域，一条用激光柱传送信号的光导电缆，可以携带相当于2万根电话铜线所携带的信息量；激光在军事上除用于通信、夜视、预警、测距等方面外，多种激光武器和激光制导武器也已经投入实用。

随着人类对激光技术的进一步研究和发展，激光器的性能将进一步提升，成本将进一步降低，但是它的应用范围却还将继续扩大，并将发挥出越来越巨大的作用。

二、方案论证

因为时间和实验设备的关系，不能做太复杂的激光器，而环形腔激光器相对比较简单，其中最重要的器件就是光纤放大器。

20世纪80年代光纤放大器的出现解决了以下两种影响信号传输的问题：第一，由于吸收散射等各种因素的影响，光纤中存在一定的损耗，使得在传输过程中光信号的幅度越来越小，从而限制了光纤通信系统的传输距离。第二, 由于光纤宽带的限制, 光脉冲的宽度在传输过程中愈来愈宽,

从而限制了光纤通信系统特别是大量光纤通信传输系统的传送距离[5]。

光纤放大器中可分为半导体放大器、非线性光纤放大器、掺杂光纤放大器(包括掺铒光纤放大器)等。根据光纤放大器种类的不同，本实验设计了三种环形腔激光器的实验方案。

方案一：使用半导体放大器

半导体光放大器（SOA）是光子引起的受激辐射与放大，半导体光放大器体积小，功耗低，能与其他半导体光电子器件集成，价格适中[6]。但是,SOA中载流子较长的恢复时间以及转换过程中消光比退化严重,这制约了SOA在高速信号处理中的运用[7]。

方案二：用非线性光纤放大器

这是一种固体激光放大器。其工作原理是利用光纤的非线性效应，对光纤注入泵浦光，使声子数目增加，当有信号激光通过此光纤时, 其中的声子与光子相互作用，使得光子数量增大——放大了信号激光。作为增益介质的光纤可以是常规的传输光纤,也可以是特殊设计的光纤,如色散补偿光纤等。由于这类放大器独特的性能,如噪声低、增益带宽大、可以分布式放大等[8]。

方案三：用掺铒光纤放大器

掺铒光纤放大器(EDFA)是在光纤中掺入适量的铒稀土离子，以之作为增益介质来实现光放大的一种新型放大器。

EDFA由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器及光滤波器及电源和