光纤激光器简介
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光纤激光器：指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益 介质的激光器，可在光纤放大器的基础上开发出来。 在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成 激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加 入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器的发展
激光器 问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的 Snitzer 和Koester分别于1963年和1964年首先提出光纤激光器和放大器的构 思。1966年高锟和Hockham 提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通 信经历研究开发阶段（1966-1976），实用化阶段（1977-1986）。1986年以 后迅速进入大规模光纤通信建设阶段。随着光通信的迅猛发展，光纤制造 工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠 定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美 国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoya均在光纤激光器 研究中取得许多重要成果。近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器 和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最 大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好。
高能态 亚稳态
1350nm
444III111513///222 4I9/2
下能级
钕离子（Nd3+）能级结构
3.上转换能级的结构
可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自同一 （或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃迁到 能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高于泵 浦光频率的过程。
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺 杂 光 纤 为 非 保 偏 的 普 通 光 纤 ， 还 需 要 使 用 偏 振 控 制 器 （ PC ： Polarization Controller）。
光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输； 涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
光纤激光器的分类
分类依据
光纤激光器
谐振腔的结 F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形
构
腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器
光纤结构
单包层光纤激光器、双包层光纤激光器
增益介质 工作机制
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶 光纤激光器、塑料光纤激光器
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器
1480nm 泵浦
4I15/2
基态
铒离子（Er3+）能级结构
2. 四能级系统的能级结构
4G7/2
激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗， 降低泵浦效率。
激发态吸收 1330nm
4F5/2 4F3/2
800nm 泵浦
无辐射跃迁
920nm 1060nm
掺杂元素 输出波长 输出激光
钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、镨（Pr） 钬（Ho）等15种 S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段
（1565-162• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
1G4 1060nm泵浦
480nm
3F2
3H4 1060nm泵浦 3H5
3F4 1060nm泵浦
3H6 铥离子（Tm3+）上转换能级图
光纤激光器的谐振腔结构
1.线形腔
M1
M1全反
M2 部 分
M2
反射
泵浦光
掺杂光纤
输出激光
A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。
下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器。
EDF
FBG1
FBG2
FBG
DBR光纤激光器
DFB光纤激光器
2. 环形腔
环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点） 连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜” 的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。
光纤激光器
（Fiber Laser）
报告人：孔德欢 学号：201122607008
光纤激光器
（Fiber Laser）
光纤激光器简介
➢ 什么是光纤激光器 ➢ 光纤激光器的发展及分类
光纤激光器的基本理论
➢ 光纤激光器的基本结构 ➢ 掺杂离子的能级结构 ➢ 谐振腔结构
光纤激光器的特点及应用
光纤激光器的简介
B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。
为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或
光纤激光器的发展
激光器 问世不久，美国光学公司（American optical corporation）的 Snitzer 和Koester分别于1963年和1964年首先提出光纤激光器和放大器的构 思。1966年高锟和Hockham 提出了光纤通信的基本概念。1970年后光纤通 信经历研究开发阶段（1966-1976），实用化阶段（1977-1986）。1986年以 后迅速进入大规模光纤通信建设阶段。随着光通信的迅猛发展，光纤制造 工艺与半导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器和放大器的发展奠 定基础。英国的南安普敦大学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美 国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoya均在光纤激光器 研究中取得许多重要成果。近年来，美国IPG Photonics公司异军突起，展 示S、C、L Bands 的各种光纤放大器，高功率的EDFA，Raman光纤激光器 和双波长Raman光纤激光器，并推出各种商用掺Yb高功率光纤激光器，最 大功率达1万瓦；单模输出功率高达1000W,光束质量非常好。
高能态 亚稳态
1350nm
444III111513///222 4I9/2
下能级
钕离子（Nd3+）能级结构
3.上转换能级的结构
可见光波段激光的产生源于上转换过程。频率上转换是指来自同一 （或不同）泵浦激光器的多个光子被掺杂离子同时吸收，该离子跃迁到 能极差大于单个泵浦光子能量的能级上，使得激光器的工作频率高于泵 浦光频率的过程。
简单的光纤环形谐振腔结构
ISO PC
Doped fiber
WDM
pump output
环形腔光纤激光器结构图
波分复用（WDM）耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着 掺杂光纤；插入了隔离器（ISO:Isolator）以保证激光的单向运转。如果 掺 杂 光 纤 为 非 保 偏 的 普 通 光 纤 ， 还 需 要 使 用 偏 振 控 制 器 （ PC ： Polarization Controller）。
光纤：光导纤维的简称，主要由纤芯、包层和涂敷层 构成。纤芯由高度透明的介质材料制成，是光波的传输介 质；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，与 纤芯构成光波导，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输； 涂敷层一般由高损耗的柔软材料制成，保护光纤不受水汽 的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
光纤激光器的分类
分类依据
光纤激光器
谐振腔的结 F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形
构
腔DBR光纤激光器、DFB光纤激光器
光纤结构
单包层光纤激光器、双包层光纤激光器
增益介质 工作机制
稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶 光纤激光器、塑料光纤激光器
上转换光纤激光器、下转换光纤激光器
1480nm 泵浦
4I15/2
基态
铒离子（Er3+）能级结构
2. 四能级系统的能级结构
4G7/2
激发态吸收是指处于上能级的粒 子吸收泵浦能量向更高能级跃迁 的过程，是一种能量的无效损耗， 降低泵浦效率。
激发态吸收 1330nm
4F5/2 4F3/2
800nm 泵浦
无辐射跃迁
920nm 1060nm
掺杂元素 输出波长 输出激光
钕（Nd）、铒（Er）、镱（Yb） 、铥（Tm）、镨（Pr） 钬（Ho）等15种 S波段（1280-1350nm）、C波段（1525-1565nm）、L波段
（1565-162• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
1G4 1060nm泵浦
480nm
3F2
3H4 1060nm泵浦 3H5
3F4 1060nm泵浦
3H6 铥离子（Tm3+）上转换能级图
光纤激光器的谐振腔结构
1.线形腔
M1
M1全反
M2 部 分
M2
反射
泵浦光
掺杂光纤
输出激光
A）腔镜在光纤端面耦合。要求：1）腔镜紧密地贴近光纤端面 ，从而避免 散射损耗。2）高精度地调整光纤或腔镜的相对位置，因为只要光纤端面或腔镜 稍有倾斜，损耗就会迅速增大，给调整带来困难。
输出激光
激光产生的条件：形成粒子数反转，提供光反馈，满足激光振荡的 阈值条件。
激光器一般由三部分组成：激光工作物质（掺杂光纤）、泵浦源 （半导体激光二极管）、光学谐振腔（线形腔、环形腔等）。
掺杂离子的能级结构
1. 三能级系统的能级结构
4I11/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
将刻好的FBG熔结在腔内光纤上。光纤Bragg光栅可取代F-P腔两端的高反 射镜，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗。
下图分别为分布Bragg反射（DBR）和分布反馈（DFB）结构光纤激光 器。
EDF
FBG1
FBG2
FBG
DBR光纤激光器
DFB光纤激光器
2. 环形腔
环形腔的优点在于可以不使用反射镜构成全光纤腔，最简单的设计是 将WDM耦合器的两个端口连接起来形成一个连着掺杂光纤的环腔，如下图所 示。光纤环形结构的核心部分是光纤定向耦合器。耦合器的两个臂（1,2点） 连接在一起，构成了光在其中传输的循环行程。耦合器起到了“介质镜” 的反馈作用，并形成了一环形谐振腔。
光纤激光器
（Fiber Laser）
报告人：孔德欢 学号：201122607008
光纤激光器
（Fiber Laser）
光纤激光器简介
➢ 什么是光纤激光器 ➢ 光纤激光器的发展及分类
光纤激光器的基本理论
➢ 光纤激光器的基本结构 ➢ 掺杂离子的能级结构 ➢ 谐振腔结构
光纤激光器的特点及应用
光纤激光器的简介
B）将腔镜直接镀在抛光后的光纤端面上。缺陷：面反射镜要求光纤端面抛 光性能好，没有细微缺陷；高功率密度的泵浦光透过端面腔镜，会对腔镜的绝缘 镀层损坏，降低激光器的性能。
为了避免泵浦光对腔镜的损坏： 1）用波分复用耦合器直接将泵浦光耦合进入腔内； 2）用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜，将FBG直接刻在腔内的光纤上或