掺铒光纤激光器.
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q
2 L 2q，q 1,2,3
2 q 为光在激光工作物质中 传播时的波长， 为光在激光物质中传播 单位长度时的相位变化 。 q
Er3的基本组态： [ Xe]4 f 11 5s 2 5 p 6
2 S 1
LJ
无辐射跃迁
5s和5p层的电子始终保持不变, 可以屏蔽4f层的内层电子，使其不 受外场的干扰，因此4f-4f跃迁的 光谱特性(荧光和吸收特性)不易受 宿主影响，所以 Er3具有很好的稳 定性。
耦合效率高：光纤激光器中,光纤既是激光介质又是光的波导介质 ,
因此泵浦光的耦合效率很高 , 加之光纤激光器可以方便地延长增益 介质的长度,使泵浦光被充分吸收,使光光转换效率超过60%；
结构紧凑：光纤具有极好的柔绕性,光纤激光器可以设计的相当小
巧灵活,能够采用多种封装方式,使激光器的结构更加紧凑；
镀在光纤端面上也可能存在光纤端面与纤轴不垂直、光纤端面有细 微缺陷等问题;
实际的 F-P 腔光纤激光器通常借助光纤光栅，光纤方向耦合器等 ,
可以构成多种谐振腔。
2、环形腔
空间烧孔效应会破坏均匀加宽激光器的模式竞 争，造成多模振荡，而加了隔离器以后，光在腔 内单向传播，形成行波场，行波场在腔内的场强 分布均匀，避免了空间烧孔，有利于实现窄线宽。
散热性能好：光纤结构具有较高的面积体积比,因而散热效果好 ,
光束质量高：掺铒光纤激光器可以实现单模运行 ,具有极窄的线
宽,良好的单色性和高稳定性；
稳定性高：全光纤的谐振腔结构更加稳定,受机械扰动影响更小 ,
并且具有相当多的可调参数和选择性 ,光学元件接入后不需要光学 准直；
谐振腔的选择
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势
工作波长合适：由于掺铒 (Er3+)光纤在 1550nm
波长具有很高的 增益，其40nm宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗 口，具有潜在的应用价值，在光纤通信领域获得越来越广泛的应 用，故发展最为迅速。 具有很高的转换效率和闭值功率,能够在室温下连续工作；
早 期
摸 索
中
前 进
产生激光的基本条件
图1.激光器的基本结构 The basic structure of laser
增益介质：要有能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状
态的增益介质；
激励源：在受激辐射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒 子数逐渐增多，所以要通过泵浦不断将粒子激励到高能级，破坏热平 衡,实现粒子数反转；泵浦光必须足够大,在泵浦阈值功率以上； 谐振腔：要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造——光 学谐振腔，利用光学谐振腔提高光子简并度；同时，对于光学谐振腔, 要获得光自激振荡 , 须令光在腔内来回一次所获增益至少能补偿传 播中的损耗。
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等就在光纤激光器领域进行 了开创性的工作;1963 年和 1964 年分别发表了多组分玻璃光纤 中的光放大结果,提出了光纤激光器和光纤放大器的构思;
1963年,由美国光学公司的Snitzer和Koester用掺杂钕(Nd3+)的 方法研制出世界上第一台光纤激光器,实现了以光纤作为增益介质 及谐振腔的设想，但由于当时光纤损耗较大; 1966年,英籍华人高馄博士通过分析玻璃纤维损耗的主要原因 , 首次提出只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就有可能使光纤损耗 降低到20dB/km,从而使光导纤维可用于光通信; 1970年 ,美国康宁公司研制出传输损耗仅为 20dB/km 的光纤 , 证 明高馄博士的预言,拉开了光纤通信的新篇章; 在 1975-1985十年间, 光纤通信进入了实用化阶段 , 由于相关条 件的限制,对光纤激光器的研究很少,不过在这十年中许多发展光 纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟; 80年代后期,英国Southhampton大学的S.B.Poole等用化学气相 沉积(MCVD)法制成了低损耗的掺铒光纤; R.J.Mears等人发现掺杂 稀土元素的光纤中存在激光振荡和光放大的现象 ;最终于1986年, 应用该掺铒光纤制作了世界上第一台掺铒光纤激光器；
4
受激吸收
受激辐射
I11/ 2
I13 / 2
激 励 源
3 图2. Er 的主要能级图 3 Eergy-level configuration of Er
亚稳态
4
980nm
1480nm
1530nm
4
I15 / 2
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势
高功率密度：由于光纤纤芯直径只有几个微米,光纤内易形成更高
泵浦功率密度 , 能够降低阈值功率（在泵浦光的作用下光纤内极易 形成高功率密度,造成粒子数反转），这种特性对于三能级系统尤为 重要；
可调谐：具有很宽的荧光谱,光纤可调参数多，选择范围大，因此
可产生多激光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范 围,适合于波分复用(WDM)光纤通信系统应用;
增益介质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光输出的先决条件。
除此之外,产生激光器还必须满足阈值条件和相位平衡条件 1 1 l)激光器产生激光的阈值条件即 G ln
0 i
2L
R1R2
G0为小信号增益系数 , i 为损耗系数, L为谐振腔的长度 , R1和R2为两个反射镜的折射率 。
2)在谐振腔中,还要满足相位平衡条件的波 ,才能在往复反射过程 中得到加强,即 2
1、线形腔(F-P腔)
图3.一般线行腔掺铒光纤激光器结构示意图 General schematic diagram of a linear cavity EDFL
优点：结构简单,而且谐振腔可以设计得很短，因此线形腔结构很
适合单纵模输出激光器;
缺陷：光纤端面与镜面存在间隙或成斜角；即使是将介质镜直接
产生激光的基本条件
在光学谐振腔内,沿轴线方向传播的光在两反射镜之间往复传播。
(这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发 光)往复传播作用,相当于延长了激光工作物质的长度,使其中的光 能密度不断增加 ,也使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率 ,从 而使沿光学谐振腔轴线传播的光 ,在粒子数反转分布的条件下 ,受 激辐射占了绝对优势。
q
2 L 2q，q 1,2,3
2 q 为光在激光工作物质中 传播时的波长， 为光在激光物质中传播 单位长度时的相位变化 。 q
Er3的基本组态： [ Xe]4 f 11 5s 2 5 p 6
2 S 1
LJ
无辐射跃迁
5s和5p层的电子始终保持不变, 可以屏蔽4f层的内层电子，使其不 受外场的干扰，因此4f-4f跃迁的 光谱特性(荧光和吸收特性)不易受 宿主影响，所以 Er3具有很好的稳 定性。
耦合效率高：光纤激光器中,光纤既是激光介质又是光的波导介质 ,
因此泵浦光的耦合效率很高 , 加之光纤激光器可以方便地延长增益 介质的长度,使泵浦光被充分吸收,使光光转换效率超过60%；
结构紧凑：光纤具有极好的柔绕性,光纤激光器可以设计的相当小
巧灵活,能够采用多种封装方式,使激光器的结构更加紧凑；
镀在光纤端面上也可能存在光纤端面与纤轴不垂直、光纤端面有细 微缺陷等问题;
实际的 F-P 腔光纤激光器通常借助光纤光栅，光纤方向耦合器等 ,
可以构成多种谐振腔。
2、环形腔
空间烧孔效应会破坏均匀加宽激光器的模式竞 争，造成多模振荡，而加了隔离器以后，光在腔 内单向传播，形成行波场，行波场在腔内的场强 分布均匀，避免了空间烧孔，有利于实现窄线宽。
散热性能好：光纤结构具有较高的面积体积比,因而散热效果好 ,
光束质量高：掺铒光纤激光器可以实现单模运行 ,具有极窄的线
宽,良好的单色性和高稳定性；
稳定性高：全光纤的谐振腔结构更加稳定,受机械扰动影响更小 ,
并且具有相当多的可调参数和选择性 ,光学元件接入后不需要光学 准直；
谐振腔的选择
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势
工作波长合适：由于掺铒 (Er3+)光纤在 1550nm
波长具有很高的 增益，其40nm宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗 口，具有潜在的应用价值，在光纤通信领域获得越来越广泛的应 用，故发展最为迅速。 具有很高的转换效率和闭值功率,能够在室温下连续工作；
早 期
摸 索
中
前 进
产生激光的基本条件
图1.激光器的基本结构 The basic structure of laser
增益介质：要有能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状
态的增益介质；
激励源：在受激辐射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒 子数逐渐增多，所以要通过泵浦不断将粒子激励到高能级，破坏热平 衡,实现粒子数反转；泵浦光必须足够大,在泵浦阈值功率以上； 谐振腔：要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造——光 学谐振腔，利用光学谐振腔提高光子简并度；同时，对于光学谐振腔, 要获得光自激振荡 , 须令光在腔内来回一次所获增益至少能补偿传 播中的损耗。
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等就在光纤激光器领域进行 了开创性的工作;1963 年和 1964 年分别发表了多组分玻璃光纤 中的光放大结果,提出了光纤激光器和光纤放大器的构思;
1963年,由美国光学公司的Snitzer和Koester用掺杂钕(Nd3+)的 方法研制出世界上第一台光纤激光器,实现了以光纤作为增益介质 及谐振腔的设想，但由于当时光纤损耗较大; 1966年,英籍华人高馄博士通过分析玻璃纤维损耗的主要原因 , 首次提出只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就有可能使光纤损耗 降低到20dB/km,从而使光导纤维可用于光通信; 1970年 ,美国康宁公司研制出传输损耗仅为 20dB/km 的光纤 , 证 明高馄博士的预言,拉开了光纤通信的新篇章; 在 1975-1985十年间, 光纤通信进入了实用化阶段 , 由于相关条 件的限制,对光纤激光器的研究很少,不过在这十年中许多发展光 纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟; 80年代后期,英国Southhampton大学的S.B.Poole等用化学气相 沉积(MCVD)法制成了低损耗的掺铒光纤; R.J.Mears等人发现掺杂 稀土元素的光纤中存在激光振荡和光放大的现象 ;最终于1986年, 应用该掺铒光纤制作了世界上第一台掺铒光纤激光器；
4
受激吸收
受激辐射
I11/ 2
I13 / 2
激 励 源
3 图2. Er 的主要能级图 3 Eergy-level configuration of Er
亚稳态
4
980nm
1480nm
1530nm
4
I15 / 2
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势
高功率密度：由于光纤纤芯直径只有几个微米,光纤内易形成更高
泵浦功率密度 , 能够降低阈值功率（在泵浦光的作用下光纤内极易 形成高功率密度,造成粒子数反转），这种特性对于三能级系统尤为 重要；
可调谐：具有很宽的荧光谱,光纤可调参数多，选择范围大，因此
可产生多激光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范 围,适合于波分复用(WDM)光纤通信系统应用;
增益介质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光输出的先决条件。
除此之外,产生激光器还必须满足阈值条件和相位平衡条件 1 1 l)激光器产生激光的阈值条件即 G ln
0 i
2L
R1R2
G0为小信号增益系数 , i 为损耗系数, L为谐振腔的长度 , R1和R2为两个反射镜的折射率 。
2)在谐振腔中,还要满足相位平衡条件的波 ,才能在往复反射过程 中得到加强,即 2
1、线形腔(F-P腔)
图3.一般线行腔掺铒光纤激光器结构示意图 General schematic diagram of a linear cavity EDFL
优点：结构简单,而且谐振腔可以设计得很短，因此线形腔结构很
适合单纵模输出激光器;
缺陷：光纤端面与镜面存在间隙或成斜角；即使是将介质镜直接
产生激光的基本条件
在光学谐振腔内,沿轴线方向传播的光在两反射镜之间往复传播。
(这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发 光)往复传播作用,相当于延长了激光工作物质的长度,使其中的光 能密度不断增加 ,也使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率 ,从 而使沿光学谐振腔轴线传播的光 ,在粒子数反转分布的条件下 ,受 激辐射占了绝对优势。