稀土掺杂光纤激光器和放大器
319页1、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.
2、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=6.6281034 Js(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
3、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
4、能量都要满足波尔条件,即 E2-E1=hf12 式中,h=6.62810-34Js,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=1.38110-23J/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
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