认识光纤激光器

激光的应用
激光器的工作原理
E2 E1 E2 E1 E2 E1
hv hv
hv E0
hv
E0 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， 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。
DBR光纤激光器
环形谐振腔
线形腔中激光在掺杂光纤中振荡形成驻波，驻波的存在会产生烧孔效 应，导致多模振荡，影响激光的相干性。而环形腔中激光运行在行波 状态，不会产生烧孔效应。此外，环形腔具有封闭式波导结构，抗干 扰能力强，稳定性高，具有很高的使用价值。 耦合器 掺杂光纤
泵浦光
耦合器 隔离器
激Байду номын сангаас输出
激光器的原理图
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。 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。
认识光纤激光器
激光的性质
方向性 单色性 相干性
光束发散角很小。 单一波长。 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 美国休斯公司实验室的梅曼 (Maiman)于1960年制作出了 输出功率并不一定很高，但 第一台红宝石固体激光器 由于光束很细，脉冲很窄，所 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。
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 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
锁模原理
锁模定义： 各振荡纵模初相位锁定，即 q1 q 常数；各振荡纵模频率间隔相 等，并固定为 f =c/2nL。将各纵模的初相位锁定，故锁模也可以叫做 锁相。 三个不同频率光波的叠加： Ei E0 cos(2 vi t i ) i=1,2,3，设三个 振动频率分别为ν1 、ν2 、ν3 的三个光波沿同一方向传播，锁模前 和锁模后的对比如下图。
不同内包层对泵浦光吸收效果比较
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。
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
工作物质——掺杂光纤
光纤中Er3+和Nd3+电子能级图
4I
13/2
能级分裂
4I 15/2
Er
3+
Nd 3+
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、 530nm波长的泵浦光源，将在900nm、 1060nm、 1536nm波长处得到激光， 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。
Nd3+
Er3+
双包层光纤
光 纤 芯
泵 浦 光
保 护 层
激 光 输 出
内 包 光层 纤 芯 保 护 泵 层 浦 光
外 包 层
激 光 输 出
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； 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。
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。
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
泵浦耦合技术
3. 角度磨抛侧面耦合 其他泵浦方式： 平面波导盘状耦合
4. 嵌入反射镜侧面耦合
泵浦耦合技术
其他腔型结构
Fox-Smith谐振腔
端口1和3对应的臂组成一个谐振腔，端口1和4对应的臂组成另一个谐 振腔，两个腔耦合在一起构成复合谐振腔。两个谐振腔频率不同，复 合谐振腔必须同时满足两个子谐振腔的频率。复合谐振腔的频率间隔 为 c
f
2n( L3 L4 )
只要适当选择L3和L4的值，使它们的差值足够小，就可以使复合腔的 纵模间隔足够大，一直在整个增益谱线内只有一个纵模在振荡，该激 光器就可以实现单纵模运转。但该腔对温度波动和振动都很敏感，因 为两者都会影响两个子腔是否同时达到谐振点。
Wp
(a)
max
Q
t (b )
min
t
ni nt n f
(c )
t
t p
max
(d )
min
t
调Q光纤激光器
Pump Systerm R=100% A O M
Output Yb-DC fiber Coupler
声光调Q光纤激光器
掺铒光纤 透镜
980nm 抽运 隔离器 输入耦合器
f.锁模 输出信 号
假设处于增益曲线中心的纵模频率为υ 荡，电场表达式为 E(t)=E0cosω 0t
分量υ 0±υ
0
，由于它的增益最大，首先开始振
当该光波通过腔内的调制器时，受到损耗调制，调制的结果产生了两个边频
m
。当损耗变化的频率υ m和腔内纵模的频率间隔相等时，
由调制激发的边频实际上是与υ 0相邻的两个纵 模频率，这样使得与它相邻的两个纵模开始振 荡，它们具有确定的振幅和与υ 0相同的相位关 系。而后 ，υ1和υ-1通过增益介质被放大，并通 过调制器得到调制，调制的结果又激发新的边 频υ2= υ1+ c/2L和υ-2= υ-1- c/2L 及υ3= υ2+ c/2L 和υ-3 = υ-2- c/2L等等。此过程继续进行，直到 落在激光线宽内的所有纵模被激发为止，如图 所示。
环形谐振腔光纤激光器
其他腔型结构
光纤圈反射器（光纤环形镜）包 含一个定向耦合器和由该耦合器 两输出端口连接在一起形成的一 个光纤圈。 工作原理：耦合器耦合系数为0.5， 光波从端口1进入耦合器，耦合器 将一半的功率耦合到端口3，另一 半耦合到端口4，即在光纤圈顺时 针方向和逆时针方向传播的输入 光各一半。跨过耦合器的光波比 直通的光波相位滞后π/2。在端口2 处的透射功率是任意相位φ的顺时 针场和相位为φ-π的逆时针场的叠 加，正好相互抵消，透射输出为 零，所有输入光沿端口1返回。
各种泵浦耦合方式技术参数对比
谐振腔
线型谐振腔光纤激光器 掺杂光纤 泵光 激光输出 剩余泵光
F-P谐振腔
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， 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 直接写到掺杂光纤上。
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
透镜组端面泵浦耦合
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 两种方法都只有两个端面用于 泵浦，限制了最大功率。
端面直接熔接耦合
电光 调制器 75% 输出镜
偏振器
电光调Q光纤激光器
调Q光纤激光器
马赫-曾特（M-Z）干涉仪光纤调Q激光器
PZT为压电陶瓷，在PZT上加正弦电压，PZT产生周期性形变，与其 固定在一起的光纤的光程随之发生周期性变化，在第二个耦合器出 形成干涉，便可以视作腔的损耗周期性变化，实现调Q。
锁模技术
超短脉冲（纳秒以下的光脉冲ps-fs）技术是物理学、化学、生物学、光 电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过 程的重要手段。在光纤通信中也需要超短脉冲光源。超短脉冲技术的发 展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及 90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。 其中，90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了 8.5fs的超短光脉冲序列。 一般多纵模自由振荡激光器的输出特性 （1）各纵模初相位彼此无确定关系，是 完全独立、随机的。 （2）频谱由于激光器中存在频率牵引和 推斥作用，各相邻纵模之间的频率间隔 不是严格相等的。因此，各纵模间是不 干涉的。 （3）输出光强度由于各纵模间的非干涉 迭加，而呈现出随机的无规则起伏，平 均光强度为各纵模光强度之和。
调Q技术
调Q技术也叫Q开关技术，是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技 术。将这种高峰值功率的窄脉冲叫做巨脉冲。激光技术中，用Q值来描述 一个共振腔的品质，称其为共振腔的品质因子。 共振腔的品质因子Q定义为 腔內储存的激光能量 Q 2 v0 每秒损耗的激光能量 激光器在毫秒量级的脉冲光泵浦下，激光的输出时由一些强度不等，宽 度为微秒量级的小尖峰组成，这种现象成为驰豫振荡。随着泵浦光源的作用， 激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。随 着激光的发射，上能阶粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于 阈值时，激光发射停止。增加泵浦能量只能增加尖峰个数，无法提高脉冲峰 值功率。在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变，是产生弛豫振 荡最根本的原因。
主动锁模
a.调制信 号 一个频率为ωc的光波，经过外 加频率为（1/2）ωm的调制信 号调制后，其频谱包括了三个 频率，即ωc ，上边频(ωc + ωm)，下边频(ωc –ωm) ，而 且这三个频率的光波的相位均 相同。 b.腔内损 耗 c.调制 器透过 率 d.腔内未 调制信 号 e.腔内调 制后信 号
调Q技术
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。在泵浦开 始时使腔处在低Q 值状态，即提高振荡 阈值，使振荡不能生成，上能级的反转 粒子数就可以大量积累，当积累到最大 值（饱和值）时，突然使腔的损耗减小， Q值突增，激光振荡迅速 建立起来，在 极短的时间内上能级的反转粒子数被消 耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出 端以单一脉冲形式将能量释放出来，于 是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输 出。 现在调Q技术可以实现峰值功率在兆 瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s) 的激光脉冲。