光纤激光器简介

目录

第一章、激光基础

第二章、激光器

第三章、光纤的特性

第四章、光纤激光器

第五章、实验室激光器型号及操作安全

第一章激光基础

1.1什么是激光？

激光在我国最初被称为“莱赛”，即英语“Laser”的译音，而“Laser”是“Light amplification by stimulated emission of radiation”的缩写。意为“辐射的受激发射光放大”，大约在1964年，根据钱学森院士的建议，改名为“激光”。激光是通过人工方式，用光或者放电等强能量激发特定的物质而产生的光。

激光的四大特性：高亮度、高单色性、高方向性、高相干性。具有高亮度的激光束经过透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能够加工几乎所有材料。由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。

1.2激光产生的基本理论

1.2.1原子能级和辐射跃迁

按照玻尔的氢原子理论，绕原子核高速旋转的电子具有一系列不连续的轨道，这些轨道称为能级,如图1-1。

图1-1 原子能级图

当电子在不同的能级时，原子系统的能量是不相同的，能量最低的能级称为基态。当电子由于外界的作用从较低的能级跃迁到较高的能级时，原子的能量增

图1-2 电子跃迁图

加，从外界吸收能量。反之，电子从较高能级跃迁到较低能级时，向外界发出能量。在这个过程中，若原子吸收或发出的能量是光能（辐射能），则称此过程为辐射跃迁。发出或吸收的光的频率满足普朗克公式（hv=E2-E1）。

1.2.2受激吸收、自发辐射、和受激辐射

受激吸收：处于低能级上的原子，吸收外来能量后跃迁到高能级，则称之为受激吸收。

自发辐射：由于物质有趋于最低能量的本能，处于高能级上的原子总是要自发跃迁到低能级上去，如果跃迁中发出光子，则这个过程称为自发辐射。

两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。如同弹琴，如果用力拉紧琴弦，琴发出的音调频率就高，反之则低。自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射……如此循环不止地进行下去。每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。以电灯为例：接通电源后，电流流经灯泡中的发光物质——钨丝，钨丝被灼热，使钨原子跃迁至高能态，然后又自发跃迁回低能态并同时辐射出光子，于是灯泡就亮了。

受激辐射：处于高能级E2上的原子，受外来频率（满足hv=E2-E1）的光子的激励，从E2跃迁到E1，发出一个和外来光子完全相同的光子，称为受激辐射。

受激辐射和自发辐射有本质的区别：前者是受激产生，跃迁时产生的光子与外来光子在频率、相位、方向、和偏振方向上完全一致，吸收一个光子，放出两个光子，产生的光子相当于加强了外来光子，即光放大作用。而自发辐射的光子频率不同，是杂乱无章的，完全不相干的。

光放大作用简单地说，就是输入是一个外来光子，而输出的则是性质与外来光子一模一样的两个光子，因为在输出的两个光子中，一个就是外来光子本身，而另一个则是在受激辐射过程中释放出来的，即是被外来光子“激”出来的。一个光子激发一个粒子产生受激辐射，得到两个完全相同的光子，这就是光的“放大”。这两个光子再去激发两个粒子产生受激辐射，就可以得到完全相同的4个光子，4、8、16……如此链锁反应，完全相同的光子数目便会越来越多，可见受激辐射过程也就是光放大的过程。在受激辐射过程中产生并被放大了的光，便是激光。

1.2.3粒子反转分布

从光的放大作用可以看出，要想实现放大，则必须输入外来光子（即种子光，后面要讲的泵浦光），并且要有可供受激辐射的处在高能级的原子。在平衡状态下，粒子（原子、分子等）在各能级的分布满足玻尔兹曼公式，即能级的能量愈高，上面的粒子数越少。这时如果给粒子系统提供一个外来能量，使低能级上的粒子吸收能量跃迁至高能级上，使高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数，这个过程即称为粒子集居数反转。只有在两个形成了粒子数反转的能级之间，受激辐射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。

1.2.4激光产生的三要素：激励源，工作介质，谐振腔

一、激励源

要想把处于低能态的粒子送到高能态去，就得借助外力工具来实现。这个过程类似于把水位很低的河水或井水抽运到水塔上的蓄水池里，必须要有足够功率

的水泵作功才成。同理，要实现粒子数反转，首先必须消耗一定的能量把大量粒子从低能级“搬运”到高能级，这种过程在激光理论上叫做泵浦或激励。由于其作用原理和水泵抽水相类似，所以把能使大量的粒子从低能态抽运到高能态的激励装置通称之为“光泵”。

“光泵”只是在解释粒子数反转时借用的一种形象的说法。实际上粒子都是甘居低能态的，而且很顽固，并不是象水一样很容易地就被泵抽运走了。即使费了很大劲把一部分抽运到了高能态，但它们很快就又自发地跃回低能态了。怎么办呢，那就需要加大能量不停顿地来轰击。就是说，激励不仅要快，而且要强有力。激励作用总是通过消耗一定的能量来实现的，产生受激辐射所需要的最小激励能量定义为激光器的阈值。阈值是描述激光器整体性能的一个重要参数。

二、工作介质

在大千世界里，各种各样的物质都是由分子、原子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统。

下图是红宝石激光器的铬离子(Cr3+)的简化能级图，这是一个典型的三能级系统。图中所示的E1,E2,E3中，E2是亚稳态级。