稀土掺杂光纤激光器和放大器

大功率稀土掺杂光纤激光器和放大器,High-Power Rare-earth-doped Fiber Laser and Amplifier,张 帆 北京交通大学光波技术研究所,课件：fiber.waveguide 草稿箱附件 用户名：fiber.waveguide 密码：guangbosuo 考试分值：2530分 考试范围：PPT 题型：填空，简答 光波所314室， 办公室：010-51684276，手机： 13811681770 E-mail: fzhang1,大功率稀土掺杂光纤激光器和放大器相关技术概述,学 习 大 纲,1. 基础部分：激光器基础，稀土元素； 2. 主讲部分：掺稀土光纤激光器和放大器 (1). 掺Er： 原理，结构，发展，典型结构参数和应用； (2). 掺Yb：双包层光纤，大功率，多芯和光子晶体光 纤，包层泵浦耦合技术，激光合束，Er-Yb 共掺； (3). 掺Tm：原理，需求与应用； (4). 稀土光纤的制造和拉丝技术,1. 激光器基础知识,1. 光子的概念 2. 能级的概念 3. 光与物质的相互作用 3.1 自发辐射 3.2 受激吸收 3.3 受激辐射 4. 粒子数反转与光放大,1. 光量子说：光子概念,光量子学说认为，辐射能（即光波能）不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。这种小微粒叫做光量子。能量大小为h，其中h=6.628×1034 J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，是光波频率。 光与物质作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。,2.玻尔的原子能级假说,1913年玻尔在前人工作的基础上提出了原子能级假说，即 1）单个原子存在某些定态，处于这些定态的原子能量只能取一些分立的值，这些定态称为原子能级。,2）当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，则发出或吸收电磁辐射。跃迁过程满足方程,3.光与物质的相互作用,光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收、三种物理过程。 1.自发辐射； 2.受激辐射； 3.受激吸收；,(1). 自发辐射,(1). 自发辐射 这种与外界影响无关、自发地进行辐射称为自发辐射。,自发辐射的特点： 每个发生辐射的原子都可看成是一个独立的发光体，它们之间毫无联系。且各原子开始发光的时间参差不一，虽然光波的频率相同，但是震动方向、相位都不一定相同。即大量原子自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。,自发辐射过程,(2). 受激辐射,(2). 受激辐射：处于高能级E2上的电子在外来光子的激发下，由高能级E2跃迁到低能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，这种原子发光过程叫受激辐射。,a.只有外来光子能量hf21E2-E1时，才能引起受激辐射； b.受激辐射产生的光子和外来光子具有完全相同的特征，即频率、相位、振动方向和传播方向均相同，（称为“全同光子”），为相干光； c.在受激辐射过程中，通过一个光子的作用，可以得到两个全同光子，依次类推，此现象称为“光放大”。,受激辐射过程,光放大器,自发辐射与受激辐射的区别,相干光与非相干光的比较,(3). 受激吸收,受激吸收：是受激辐射的相反过程，处于低能级E1原子受到外来光子的激发，完全吸收此光子的能量而跃迁到高能级E2的过程。,a.只有外来光子能量hf21E2-E1时，才能引起受激吸收； b.受激吸收的过程不是释放出能量，而是消耗外来光能；,受激吸收过程,受激辐射和受激吸收的区别与联系,1. 受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即 E2-E1=hf12 式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。 2. 受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。 受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。 自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。,产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。 设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为N1和N2。 当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布,式中， k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。 这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。,4. 粒子数反转与光放大,受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 2. 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。 即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为 粒子（电子）数反转分布。,粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。,粒子数反转,2. 激光器的工作原理,如何才能产生激光？,激光器包括以下3个部分： 1.必须有产生激光的工作物质（激活物质-处于粒子反转态）； 2.必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 3.必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,（1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质，它是产生激光的必要条件。,（2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。,（3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 1.使工作物质的受激辐射连续进行； 2.不断给光子加速； 3.限制激光输出的方向。,要有一个能使受激幅射和光放大过程持续的构造：,全反 射镜,半反 射镜,实物图,原理图,激光工作物质,光学谐振腔,激光工作物质,全 反 射 镜,半 反 射 镜,out,光放大原理,谐振腔产生激光振荡过程,工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 (1). 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。 (2). 当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。 (3). 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。,光放大器概述,光放大器的作用: 光纤通信系统中，光信号在光纤中传输并在与其它器件之间连接会引起光信号的能量损耗。为了解决光纤衰减对光源和光接收机之间光纤长度的限制，必须对光信号进行放大，以补偿光信号的损耗。 光放大： 光电中继器（传统） 光放大器,光放大器是基于受激辐射或受激散射原理实现入射光信号放大的一种器件。其工作机制与激光器完全相同。实际上，光放大器在结构上是一个没有反馈（谐振腔）或反馈较小的激光器。 在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转，然后通过受激辐射实现对入射光的放大。 光放大器的功能：提供光信号增益，以补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的无中继传输距离。,受激辐射过程,光放大器的出现，可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。 光放大器出现之前，光纤通信的中继器采用光电光(O-E-O)变换方式。 特点:装置复杂、耗能多、不能同时放大多个波长信道，在WDM系统中复杂性和成本倍增，可实现1R、2R、3R中继 光放大器（O-O） 特点:多波长放大、低成本，只能实现1R中继,电光中继器与光放大器,信号放大,输入光纤,光信号,光放大器,输出光纤,放大后的光信号,光信号,光电转换,电光转换,电信号处理,信号的再生与放大,光放大器的类型,1.利用稀土掺杂的光纤放大器（EDFA、PDFA、TDFA） 2.利用半导体制作的半导体光放大器（SOA） 3.利用光纤非线性效应制作的非线性光纤放大器（FRA、FBA）,稀土掺杂光纤放大器,光纤放大器的应用,线路放大(In-line)：周期性补偿各段光纤损耗,功率放大(Boost)：增加入纤功率,延长传输距离,前置预放大(Pre-Amplify):提高接收灵敏度,局域网的功率放大器：补偿分配损耗，增大网络节点数,实现激光器和放大器的条件,如何才能产生激光或激光放大？,激光器包括以下三个部分（放大器只需要前两个部分）： 1.必须有产生激光的工作物质（激活物质-处于粒子反转态）； 2.必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 3.必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。,激活物质-稀土元素,稀土元素的发现,稀土金属是芬兰学者加多林(Johan Gado1in)在1794年发现的。当时在瑞典的矿石中发现了矿物组成类似“土”状物而存在的钇(yttrium)土，由于这些元素发现的比较晚，又难以分离出高纯的状态，最初得到的是元素的氧化物，它们的外观似土,且又认为稀少，便定名为,“稀有的土”,Rare Earths,稀土元素的组成,稀土元素：周期系B族中原子序数为21、39和5771的17种化学元素的统称。 其中原子序数为57 71的15种化学元素又统称为镧系元素。 稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。 目前比较成熟的掺入光纤中的稀土离子有Er3+ (铒) 、Nd3+ (钕)、Pr3+ (镨) 、Tm3+ (铥) 、 Yb3+ (镱) 、Ho3+（钬）,稀土元素的光谱特性,为什么