认识光纤激光器PPT演示课件

维持粒子数反转，工作物质不同，泵 浦方式也不同。 谐振腔 为激光振荡的建立提供正反馈，其参数 影响激光的输出质量。
激光器的原理图
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光纤激光器简介
激光器按工作物质分类可分为：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。
光纤激光器是用光纤作为工作物质的激光器，目前研究与使用最 广泛的光纤激光器是用掺杂稀土元素的光纤作为工作物质的掺稀土光 纤激光器，它具有诸多优点。 （1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型 化、集约化优势 。 （2）散热快、损耗低，所以转换效率较高，激光阈值低。 （3）光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳 定性的优点。 （4）可获得宽带的可调谐激光输出。 （5）光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗窗口。
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泵浦耦合技术
侧面泵浦耦合技术：系统结构简单；泵浦光在光纤中分布更趋均 匀；不占用光纤两端，方便信号光输入输出；只需通过增加LD数 量便可提高输出功率。
1. 熔锥侧面泵浦耦合
2. V形槽侧面耦合
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泵浦耦合技术
3. 角度磨抛侧面耦合
4. 嵌入反射镜侧面耦合
其他泵浦方式： 平面波导盘状耦合
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泵浦耦合技术
光纤激光器因上述优势在通信、工业加工、军事、医疗和光信息 处理等领域得到了广泛的应用。
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光纤激光器主要内容
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——线形腔，环形腔 光纤激光器调Q和锁模
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工作物质——掺杂光纤
光纤中Er3+和Nd3+电子能级图
能级分裂
4I13/2
外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成； 保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。
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双包层光纤和泵浦源
光纤激光器的泵浦源多是采用激光二极管（LD）。常规单包层光纤激光器因 需要将泵浦光耦合进入直径低于10um的单模纤芯，耦合效率低，限制了其输 出功率，因而发展缓慢。双包层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，可以采用多模LD阵列作为泵浦源。内包层的形状对 纤芯吸收泵浦光的比率有很大的影响，圆形内包层与纤芯的同心结构减少了 螺旋光的吸收比率，因此改变这种通信结构可提高泵浦光吸收率。
激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照，眼科手术，激光血照仪，
视光学测量 科学研究方面的应用：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 军事方面的应用：激光武器，激光雷达，激光制导技术
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激光的应用
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激光器的工作原理
各种泵浦耦合方式技术参数对比
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谐振腔
线型谐振腔光纤激光器
泵光
掺杂光纤
F-P谐振腔
DBR光纤激光器
激光输出
剩余泵光
泵浦光必须透过腔镜进入光纤，
高泵浦功率会损害腔镜的膜，限
制了泵浦功率。此外，腔镜的输
出谱线宽度与掺杂光纤的增益线
宽有差距，有必要进行改进。利
用光纤光栅（FBG1、FBG2）作
为反射镜，置于掺杂光纤的两端，
光
纤
内
芯
包
光层
泵
纤
浦 光
保 护
芯
保
激
激 光 输 出
护 层
泵 浦
外
光包
层
光 输 出
层
单包层与双包层掺杂光纤的结构
光纤芯：由掺稀土元素的SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对 相关波长为单模；
内包层：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率 比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光波长 是多模的；
E2
E2
E1
E1
E2
E1
hv
hv
E0
hv
E0
hv E0
hv
受激辐射示意图
激光器必须具备可以产生受激辐射的物理条件， 在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分 来实现的，也可以叫作构成激光器的三要素。 工作物质 激光器的核心，实现粒子数反转，产
生受激辐射放大。 泵浦源 为工作物质实现粒子数反转提供能量，
可以增强模式选择。光纤光栅可
以是熔接到掺杂光纤上，也可以
以功率密度非常大。太阳表面
的亮度比蜡烛大30万倍，比白
炽灯大几百倍。而普通的激光
器的输出亮度，比太阳表面的
亮度大10亿倍。
以上四种特性本质上可归结为一种特性，
即激光具有很高的光子简并度。
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激光的应用
信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器
检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状
4I 15/2
Er 3+
Nd 3+
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掺杂光纤的光谱特性
掺钕光纤：
使用800nm、900nm、 530nm波长的
泵浦光源，将在900nm、1060nm 、
1350nm波长处得到激光，其中
1350nm波长正好对应于从亚稳态到更
高能级的吸收跃迁，实现激光输出比
较难。
掺铒光纤：
使用800nm、900nm、 1480nm、
透镜组端面泵浦耦合
优点：结构简单、易于实现 缺点：耦合占用了端面，无法 同其他光纤级联，降低了灵活 性；透镜组与光纤是分立的， 稳定性低不易集成
优点：结构简单紧凑、实现了 激光器的全光纤化 缺点：尾纤与光纤尺寸不同， 熔接对准困难，附加损耗大
端面直接熔接耦合
两种方法都只有两个端面用于 泵浦，限制了最大功率。
认识光纤激光器
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激光的性质
方向性 光束发散角很小。
单色性 单一波பைடு நூலகம்。
相干性 在不同的空间点上，在不同
的时刻的光波场的某些特性
的相关性。
亮度高
很高的功率密度。激光器的 输出功率并不一定很高，但
美国休斯公司实验室的梅曼 (Maiman)于1960年制作出了 第一台红宝石固体激光器
由于光束很细，脉冲很窄，所
Nd 530nm波长的泵浦光源，将在900nm、
1060nm、 1536nm波长处得到激光，
3+
其中1536nm波长对应低损耗第三通信
窗口频率，因此掺铒光纤激光器发展
十分迅速。
其他的稀土元素掺杂技术也比较成熟，
有镨（Pr3+）、镱（Yb3+）、铥
（Tm3+）等，此外共掺技术也得到了
发展。
Er3+
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双包层光纤
不同内包层对泵浦光吸收效果比较
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泵浦耦合技术
泵浦耦合技术是获得高功率光纤激光器的核心技术之一，其目的是要 把几十瓦甚至数百瓦的LD泵浦光功率耦合入直径只有数百微米的双包层 光纤内包层，以获得高的泵浦功率。
泵浦耦合技术大体上可分为端面泵浦和侧面泵浦两种。 在端面泵浦方式中，有两类情况：透镜组耦合法，直接熔接法。