光纤激光器简介 PPT课件
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在工业领域,可用于激光打标、激光焊接、激光切割等。
谢谢!
光纤激光器的特点
1.光束质量好,具有非常好的单色性、方向性和稳定性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟,并使用相对廉价的半导 体激光二极管作为泵浦源,降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质,因此泵浦 光的耦合效率非常高;纤芯直径小,纤内易形成高功率密度,加上光纤 激光器能方便地延长增益长度,使泵浦光充分吸收,转换效率较高。 4.输出波长多,调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤,稀土离子拥有 极为丰富的能级结构,能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段,可实 现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光 谱相当宽,插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器,调谐范 围宽。
5.温度稳定性好。基质材料是SiO2,具有极好的温度稳定性;而且光 纤结构具有较高的面积-体积比,所以其散热效果很好。
6.结构简单,小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸,容易耦合 到系统中,采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设 计和制作,加上光纤极好的柔韧性,可设计得小巧灵活。
7.谐振腔内无光学镜片,腔镜可直接制作在光纤截面上,或采用光纤 耦合器方式构成谐振腔,具有免调节、免维护、高稳定性的优点。
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
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
(1565-1620nm) 脉冲激光器、连续激光器
光纤激光器的基本理论
• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
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。
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
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
4I1ห้องสมุดไป่ตู้/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
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。
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)。
光纤圈谐振腔,与环形谐振腔结 构类似,基于定向耦合器。不同的是 进入光纤圈的光波可以通过另一端输 出,还可以再次通过输入端输出,成 为向后传播的光波,这两种波分别为 透射波和反射波。这个装置本质上来 说是一个干涉仪。
两个光纤圈串联的激光器结构
光纤激光器的谐振腔结构还有“8”字形腔、Fox-Smith谐振腔及一 些输出可调谐振腔等。
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
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。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器(光纤环形镜),结 构如下图所示,包含一个定向耦合器和 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:假设耦合器耦合系数为 0.5,若光波从端口1进入耦合器,耦合 器将一半光功率耦合到端口3,将另一半 耦合到端口4,即有一半输入光沿光纤圈 顺时针方向传播,另一半沿逆时针传播。 当它们再次在输入端相遇时经历了相同 的相移,干涉相长的结果使其完全反射 回腔内。实际中有部分光从2端口输出。
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
8.兼容性好。与常规传输光纤在材料和几何尺寸上具有自然的通融性 和兼容性,因此易于进行光纤集成,耦合损耗低,使用方便。
9.可在恶劣的环境条件下工作,如高冲击、高震动、高温度等。 注:缺点有:线宽窄,噪声高,相对一般半导体激光器价格高。
光纤激光器应用
光纤激光器有着波导式结构,可容强泵浦,具有高增益、转换效率高、阈 值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特点,在通信、传感、 军事、工业加工、医疗、光信息处理、激光印制等领域有着广阔的前景。
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。
在通信方面,光纤激光器提供的1.30µm和1.55µm波段的激光是通信的两个 低损耗窗口。光纤激光器不仅能产生连续激光输出,而且能实现ps-fs超短光脉 冲的产生,在DWDM系统有巨大的潜在应用。光纤激光器使通信系统有更高的传 输速度,更远的传输距离,起着不可替代的作用。
在医疗方面,光纤激光器因其体积小、光纤柔软性好,光束质量好,且不 需冷却系统,已经得到了广泛的应用。光纤激光器使能缩短组织脱落和光致凝 结的手术时间;同时使得眼科疾病如角膜成形、近视、远视等的治愈成功率大大 提高。还在整容、切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色。
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。
谢谢!
光纤激光器的特点
1.光束质量好,具有非常好的单色性、方向性和稳定性。 2.成本低。硅光纤的工艺现在已经非常成熟,并使用相对廉价的半导 体激光二极管作为泵浦源,降低了成本。 3.转换效率高。光纤既是激光增益介质又是光的导波介质,因此泵浦 光的耦合效率非常高;纤芯直径小,纤内易形成高功率密度,加上光纤 激光器能方便地延长增益长度,使泵浦光充分吸收,转换效率较高。 4.输出波长多,调谐方便。作为激光介质的掺杂光纤,稀土离子拥有 极为丰富的能级结构,能级跃迁覆盖了从紫外到红外很宽的波段,可实 现激光振荡的跃迁能级很多。由于稀土离子能级宽加上玻璃光纤的荧光 谱相当宽,插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器,调谐范 围宽。
5.温度稳定性好。基质材料是SiO2,具有极好的温度稳定性;而且光 纤结构具有较高的面积-体积比,所以其散热效果很好。
6.结构简单,小型化。由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸,容易耦合 到系统中,采用光纤光栅、耦合器等光纤元件极大地简化了激光器的设 计和制作,加上光纤极好的柔韧性,可设计得小巧灵活。
7.谐振腔内无光学镜片,腔镜可直接制作在光纤截面上,或采用光纤 耦合器方式构成谐振腔,具有免调节、免维护、高稳定性的优点。
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
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
(1565-1620nm) 脉冲激光器、连续激光器
光纤激光器的基本理论
• 光纤激光器的基本结构
腔镜
腔镜
泵浦光
掺杂光纤
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。
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
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
4I1ห้องสมุดไป่ตู้/2 4I13/2
高能态
无辐射跃迁
亚稳态
980nm泵浦
1550nm
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。
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)。
光纤圈谐振腔,与环形谐振腔结 构类似,基于定向耦合器。不同的是 进入光纤圈的光波可以通过另一端输 出,还可以再次通过输入端输出,成 为向后传播的光波,这两种波分别为 透射波和反射波。这个装置本质上来 说是一个干涉仪。
两个光纤圈串联的激光器结构
光纤激光器的谐振腔结构还有“8”字形腔、Fox-Smith谐振腔及一 些输出可调谐振腔等。
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
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。
pump laser PC
EDF 980/1550 nm
WDM
ISO
coupler
波长选 择器件
filter
output
环形腔掺铒光纤激光器结构图
3.其它腔型结构
光纤圈反射器(光纤环形镜),结 构如下图所示,包含一个定向耦合器和 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:假设耦合器耦合系数为 0.5,若光波从端口1进入耦合器,耦合 器将一半光功率耦合到端口3,将另一半 耦合到端口4,即有一半输入光沿光纤圈 顺时针方向传播,另一半沿逆时针传播。 当它们再次在输入端相遇时经历了相同 的相移,干涉相长的结果使其完全反射 回腔内。实际中有部分光从2端口输出。
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
8.兼容性好。与常规传输光纤在材料和几何尺寸上具有自然的通融性 和兼容性,因此易于进行光纤集成,耦合损耗低,使用方便。
9.可在恶劣的环境条件下工作,如高冲击、高震动、高温度等。 注:缺点有:线宽窄,噪声高,相对一般半导体激光器价格高。
光纤激光器应用
光纤激光器有着波导式结构,可容强泵浦,具有高增益、转换效率高、阈 值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特点,在通信、传感、 军事、工业加工、医疗、光信息处理、激光印制等领域有着广阔的前景。
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。
在通信方面,光纤激光器提供的1.30µm和1.55µm波段的激光是通信的两个 低损耗窗口。光纤激光器不仅能产生连续激光输出,而且能实现ps-fs超短光脉 冲的产生,在DWDM系统有巨大的潜在应用。光纤激光器使通信系统有更高的传 输速度,更远的传输距离,起着不可替代的作用。
在医疗方面,光纤激光器因其体积小、光纤柔软性好,光束质量好,且不 需冷却系统,已经得到了广泛的应用。光纤激光器使能缩短组织脱落和光致凝 结的手术时间;同时使得眼科疾病如角膜成形、近视、远视等的治愈成功率大大 提高。还在整容、切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色。
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。