掺铒光纤激光器

? 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
l)激光器产生激光的 阈值条件 即
G0
?
?
i
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
?
1 ln 2L
1 R1 R2
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
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 。
受激辐射
激 励 源
图2. Er3? 的主要能级图
Eergy-level configuration of Er 3?
980nm
I4 11/ 2
亚稳态
I4 13/ 2
1480nm 1530nm
I4 15/ 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；
? 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；
掺铒光纤激光器
目录
? 早期 ? 原理 ? 现状 ? 展望
早 期
摸 索 中 前 进
? 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;
? 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 , 具有很高的转换效率和闭值功率 ,能够在室温下连续工作；
? 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；
中得到加强 ,即 ? ? ? 2? 2L ? 2?q，q ? 1,2,3?
?q
?
q为光在激光工作物质中
传播时的波长，2? ?q
为光在激光物质中传播单位长度时的相位变化。
Er 3?的基本组态：[ Xe]4 f 11 5s2 5 p6
L 2S?1 J
无辐射跃迁 受激吸收
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。
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。
? 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；
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。
? 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 ;
? 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%；
? 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;
谐振腔的选择
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 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。