光通信系统光源光纤激光器.ppt

第三章第三章光通信系统光源光通信系统光源---光纤激光器光纤激光器第三章第三章 光纤激光器光纤激光器3.1 光纤激光器简介光纤激光器简介Ø什么是光纤激光器什么是光纤激光器Ø光纤激光器的发展及分类光纤激光器的发展及分类3.2 光纤激光器的基本理论光纤激光器的基本理论Ø光纤激光器的基本结构光纤激光器的基本结构Ø掺杂离子的能级结构掺杂离子的能级结构Ø谐振腔结构谐振腔结构3.3 光纤激光器的特点及应用光纤激光器的特点及应用光纤激光器的简介光纤激光器的简介 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：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 20世纪世纪60年代初年代初：美国光学公司的：美国光学公司的Snitzer（斯尼泽）（斯尼泽）首次提出光纤激光器的概念。

首次提出光纤激光器的概念 20世纪世纪70年代初年代初：美国、苏联等国的研究机构开展：美国、苏联等国的研究机构开展初步研究工作初步研究工作 1975年至年至1985年年：由于半导体激光器工艺和光纤制：由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞英国的造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的日本的NTT、美国的斯坦福大学和、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果显著开展了光纤激光器的研究工作，成果显著光纤激光器的发展光纤激光器的发展3.1 光纤激光器的简介光纤激光器的简介19851985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩：：Ø 用用 MCVDMCVD方法制作成功单模光纤激光器方法制作成功单模光纤激光器 Ø 光纤激光器的调光纤激光器的调Q Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作研究工作英国通信研究实验室英国通信研究实验室(BTRL )(BTRL )：：Ø 19871987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置装置Ø 在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作Ø 在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。

做了开拓性的工作 2020世纪世纪8080年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化光纤激光器的发展光纤激光器的发展u 1988年年 , E. Snitzer等提出了双包层光纤等提出了双包层光纤 ,从而使一直被认从而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破 u 90年代初年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功率水平提高了功率水平提高了4－－5个数量级，是光纤激光器发展史上的个数量级，是光纤激光器发展史上的又一个里程碑又一个里程碑 u 进入进入 21世纪后世纪后 ,高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进 ,最高输出功率记录在短时间内接连被打破最高输出功率记录在短时间内接连被打破 ,目前单纤输出功目前单纤输出功率率 (连续连续 )已达到已达到 2000W 以上光纤激光器的发展光纤激光器的发展光纤激光器的发展光纤激光器的发展 近近年年来来，，美美国国IPG Photonics公公司司异异军突突起起，，展展示示S、、C、、L Bands 的的各各种种光光纤放放大大器器，，高高功功率率的的EDFA，，Raman光光纤激激光光器器和和双双波波长Raman光光纤激激光光器器，，并并推推出出各各种种商商用用掺Yb高高功功率率光光纤激激光光器器，，最最大大功功率率达达1万万瓦瓦；；单模模输出功率高达出功率高达1000W,光束光束质量非常好。

量非常好光纤激光器的分类光纤激光器的分类 u按谐振腔结构分类按谐振腔结构分类：：F-P 腔、环形腔、环路反射器光纤谐腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及振腔以及“8”字形腔字形腔DBR 光纤激光器、光纤激光器、DFB 光纤激光器光纤激光器u按光纤结构分类按光纤结构分类：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器：单包层光纤激光器、双包层光纤激光器u按增益介质分类按增益介质分类：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光：稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器纤激光器u按掺杂元素分类按掺杂元素分类：掺铒（：掺铒（Er3+）、钕（）、钕（Nd3+）、镨）、镨（（Pr3+）、铥（）、铥（Tm3+）镱（）镱（Yb3+）、钬（）、钬（Ho3+））u按输出波长分类按输出波长分类：：S-波段（波段（1280~1350nm）、）、C-波段波段（（1528~1565nm））L-波段（波段（1561~1620nm））u按输出激光分类按输出激光分类：脉冲激光器、连续激光器：脉冲激光器、连续激光器 第三章第三章 光纤激光器光纤激光器3.1 光纤激光器简介光纤激光器简介Ø什么是光纤激光器Ø光纤激光器的发展及分类3.2 光纤激光器的基本理论光纤激光器的基本理论Ø光纤激光器的基本结构Ø掺杂离子的能级结构Ø谐振腔结构3.3 光纤激光器的特点及应用光纤激光器的特点及应用激光器原理激光器原理 激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的叫作构成激光器的三要素三要素。

1. 1. 产生粒子数反转产生粒子数反转Ø 任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电子数Ø 当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电子寿命很短，处于高能态电子又很快回到低能态，这种向上和子寿命很短，处于高能态电子又很快回到低能态，这种向上和向下的跃迁几乎是同时进行的向下的跃迁几乎是同时进行的Ø 为了获得粒子数反转，就需要极大的激发强度，能够一下子为了获得粒子数反转，就需要极大的激发强度，能够一下子把低能态电子大部分激发到高能态上去具有这样大激发强度把低能态电子大部分激发到高能态上去具有这样大激发强度的光源是很难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很的光源是很难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很大的激发功率也可能损坏材料大的激发功率也可能损坏材料3.2 光纤激光器的基本结构光纤激光器的基本结构2．谐振腔．谐振腔 激光器谐振腔一般为激光器谐振腔一般为F-P干涉共振腔结构，它是由两个干涉共振腔结构，它是由两个反射率很高的相互平行的端面组成的腔体，激光材料产生反射率很高的相互平行的端面组成的腔体，激光材料产生的受激光发射就是在共振腔里形成的。

的受激光发射就是在共振腔里形成的 如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发么共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出受激辐射，由受激辐射产生的光子加入到传播方向平行出受激辐射，由受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生受激跃迁的光于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生受激跃迁的光场越来越强场越来越强 LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi激光输出激光输出 虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔共振频共振频率的限制率的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。

所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有抑制所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有特特定频率定频率的足够强的激发光场的足够强的激发光场 另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共振另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射所以，只要在共振腔来，在共振腔内继续激发出受激辐射所以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的受激光发射受激光发射2．谐振腔．谐振腔3．功率源．功率源 为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子数反转达到一数反转达到一·定的程度，称为阈值反转密度定的程度，称为阈值反转密度 因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源，因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源，它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。

在它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度在半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发功率的光纤激光器基本结构光纤激光器基本结构光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光质，使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成激光输出激光输出 未转换的泵浦光未转换的泵浦光稀土掺杂光纤稀土掺杂光纤泵浦光泵浦光稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器稀土元素包括稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行目前种元素，在元素周期表中位于第五行目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、、 Nd3+ 、、Pr3+、、 Tm3+、、 Yb3+u 掺铒掺铒(Er3+)光纤在光纤在1.55 m波长具有很高的增益，正对应波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。

光纤激光器发展十分迅速u 掺镱掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长光纤激光器是波长1.0-1.2 m的通用源，的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带具有相当宽的吸收带(800—1064nm)以及相当宽的激发带以及相当宽的激发带(970—1200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收有受激态吸收u 掺铥掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为光纤激光器的激射波长为1.4 m波段，也是波段，也是重要的光纤通信光源重要的光纤通信光源T．．Komukai等人获得了输出功率等人获得了输出功率100mw、斜率效率、斜率效率59％的％的1.47 m掺掺Tm3+光纤激光器光纤激光器掺杂离子的能级结构1. 三能级系统的能级结构铒离子（铒离子（Er3+）能级结构）能级结构4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦无辐射跃迁1550nm基态高能态亚稳态2. 四能级系统的能级结构钕离子（钕离子（Nd3+）能级结构）能级结构4G7/24F5/24F3/24I15/24I13/24I11/24I9/2800nm泵浦920nm1060nm1350nm激发态吸收 1330nm无辐射跃迁下能级高能态亚稳态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。

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1060nm泵浦1060nm泵浦1480nm1G43F23H43H53F43H61060nm泵浦铥离子（铥离子（Tm3+）上转换能级图）上转换能级图对于通讯应用，目前认为掺对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它光纤激光器最适宜，因为它能工作在石英光纤最低损耗波长能工作在石英光纤最低损耗波长1.51 m处，调谐范围处，调谐范围50nm，可供多路光频复用它的泵浦波长可在，可供多路光频复用它的泵浦波长可在0.807 m、、0.980 m和和1.490 m，但目前最易得到的是，但目前最易得到的是0.980 m的激的激光二极管，它能提供连续输出几百光二极管，它能提供连续输出几百mw，，Q开关开关15ns脉冲功脉冲功率率100w理论上有可能获得理论上有可能获得1kw 世界上第一台掺世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的光纤激光器由英国南安谱敦大学的L. Reekie教授于教授于1987年实现。

年实现稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器其他的掺杂光纤激光器，如其他的掺杂光纤激光器，如2.1 m工作的掺钬工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在光纤激光器，由于水分子在2.0 m附近有很强的中红附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景阔的应用前景世界上第一台掺世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱敦大学的光纤激光器由英国南安谱敦大学的R.J. Mears教授于教授于1985年实现稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器光纤激光器的谐振腔结构1.线形腔泵浦光掺杂光纤M1M2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 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。

M1全反M2部 分反射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 EDFFBGFBG1FBG2DBR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简单的光纤环形谐振腔结构简单的光纤环形谐振腔结构 PCISODoped fiberWDMoutputpump环形腔光纤激光器结构图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）980/1550 nmWDMEDFpump laseroutputISO环形腔掺铒光纤激光器结构图环形腔掺铒光纤激光器结构图filtercouplerPC波长选择器件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光纤光纤Fox-Smith谐振腔谐振腔 一般地，一般地，1——4段及段及1——3段的谐振频率不同。

段的谐振频率不同复合腔的纵模频率间隔为：复合腔的纵模频率间隔为：选择适当的选择适当的l3、、l4以致于在以致于在整个荧光线宽内只有一个整个荧光线宽内只有一个纵模在振荡则可以纵模在振荡则可以实现实现单纵模运转单纵模运转•复合腔结构泵浦环形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF可调谐光纤激光器可调谐光纤激光器 光光纤纤激激光光器器有有较较宽宽的的波波长长调调节节范范围围，，比比染染料料激激光光器器的的化学性质更稳定，不需低温运行化学性质更稳定，不需低温运行，潜在应用价值显著潜在应用价值显著1、反射镜、反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔光栅形式可调谐输出谐振腔 使使用用闪闪耀耀光光栅栅，，若若对对激激光光中中心心的的闪闪耀耀级级次次为为M级级，，闪闪耀耀角为角为 ，光栅常数为，光栅常数为d，则光栅方程为：，则光栅方程为： 只只要要转转动动衍衍射射光光栅栅，，使使光光束束相相对对于于光光栅栅法法线线的的入入射射角角在在  附附近近变变化化，，就就能实现调节波长能实现调节波长  可调谐激光器可调谐激光器 采采用用这这种种结结构构，，利利用用氩氩离离子子激激光光器器的的514nm的的光光作作为为泵泵浦浦光光，，分分别别激激励励掺掺铒铒光光纤纤及及掺掺钕钕光光纤纤,可可调调谐谐的的波波长长范范围围分分别别为为25nm和和80nm。

由由于于分分束束器器与与光光学学元元器器件件带带来来了了腔腔内内损损耗耗，，导导致致阈阈值值功功率率提高14 nm11 nm窄带输出的光纤激光器窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用：通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带达到窄带输出 B是布拉格波长，是布拉格波长， d是光栅周期，是光栅周期，ne是有效折是有效折射率激光线宽激光线宽0.06 nm Littrow结构外腔调谐激光器结构外腔调谐激光器 调谐范围：1040nm~1107.6nm ，功率：34mW——可调谐可调谐掺Yb光纤激光器输出功率随激光波长的变化关系——可调谐可调谐掺Yb光纤激光器重要参数重要参数斜率效率：斜率效率： 输出激光功率的变化量输出激光功率的变化量/泵浦功率的变化量泵浦功率的变化量 也就是输出激光功率随泵浦功率变化曲线也就是输出激光功率随泵浦功率变化曲线线性部分的斜率，一般用百分数表示线性部分的斜率，一般用百分数表示 窄带输出的光纤激光器窄带输出的光纤激光器 通过光纤光栅的选模作用：通过光纤光栅的选模作用： 达到窄带达到窄带输出。

输出 B是布拉格波长，是布拉格波长， d是光栅周期，是光栅周期，ne是有效折是有效折射率激光线宽激光线宽0.06 nm 单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关注，得到了长足发展但是，由于泵浦光较难有效地耦注，得到了长足发展但是，由于泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，光－光转换效率合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，光－光转换效率较低；同时，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模较低；同时，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这也限制了其输出功率的水平所以一式必须为基模，这也限制了其输出功率的水平所以一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，研究工作般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，研究工作和开发应用大都集中在光通信和光传感领域和开发应用大都集中在光通信和光传感领域 双包层光纤激光器双包层光纤激光器双包层光纤激光器有许多的优点双包层光纤激光器有许多的优点（1）高功率激光输出，多个多模半导体激光二极管并行泵浦，可设计出极高功率输出的光纤激光器 （ 2）由于光纤的表面积与体积之比很大，高功率光纤激光器工作时一般无需复杂的冷却装置。

（3）由于光纤掺稀土元素离子，有一个宽而平坦的吸收光谱区，因此有很宽的泵浦波长范围 （4）多模二极管泵浦源的稳定性(其可靠运转寿命超过l00万小时)决定了这种激光器具有高可靠性 （5）具有极高的光束质量，这是其他高功率激光器无法相比的 （6）电光转换效率高，插头效率高达20％以上 （7）结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境双包层掺杂光纤的结构内包层内包层内包层内包层光纤芯光纤芯外包层外包层保护层保护层激光输出激光输出泵浦光泵浦光——双包层光纤激光器双包层光纤激光器双包层掺杂光纤的结构 光纤芯：由由掺掺稀稀土土元元素素的的SiO2构构成成，，它它作作为为激激光光振振荡荡的的通道，对相关波长为单模；通道，对相关波长为单模； 内包层：：内内包包层层由由横横向向尺尺寸寸和和数数值值孔孔径径比比纤纤芯芯大大的的多多、、折折射射率率比比纤纤芯芯小小的的纯纯SiO2构构成成，，它它是是泵泵光光通通道道，，对对泵泵光光波长是多模的；波长是多模的； 外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成； 保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。

最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层——双包层光纤激光器双包层光纤激光器双包层光纤结构双包层光纤结构双包层光纤激光器的泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术端面泵浦耦合技术端面泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术端面泵浦耦合技术端面泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术双包层光纤激光器的泵浦耦合技术侧面泵浦耦合技术侧面泵浦耦合技术 圆形内内包包层层的的掺掺Yb3+双双包包层层光光纤纤内内包包层层直直径径：：125μm, 数数值值孔孔径径（（NA)：：0.38；；芯芯径径：：5.5μm，，NA：：0.11；在；在976nm出的吸收系数：出的吸收系数：64dB/km；； 矩形内内包包层层的的掺掺Yb双双包包层层光光纤纤内内包包层层尺尺寸寸：：100μm×70μm；；NA：：0.38；；芯芯径径：：5.5μm；；NA：：0.11；在；在976nm出的吸收系数为出的吸收系数为73dB/km——双包层光纤激光器双包层光纤激光器双包层光纤激光器结构双包层光纤激光器结构美国IPG公司的掺Yb双包层高功率激光器的输出功率水平超过700瓦，几百瓦几千瓦的双包层光纤激光器的商品也已问世。

——高功率掺Yb光纤激光器 瓦级全光纤掺Yb双包层光纤激光器 高高功功率率的的光光纤纤激激光光器器一一般般仍仍采采用用二二色色镜镜等等传传统统的的体体器器件件构构成成谐谐振振腔腔，，未未能能实实现现全全光光纤纤化化，，这这不不仅仅极极大大地地限限制制了了光光纤纤激激光光器器的的结结构构紧紧凑凑性性和和工工作作可可靠靠性性，，也也增增加加了了抽抽运运光光的的耦耦合合难难度度，，同同时时不不利利于于光光纤纤激激光光器器与与后后续续光光纤纤光光学学系系统统的的匹匹配配兼兼容容为为解解决决上上述述问问题题，，采采用用光光纤纤Bragg光光栅栅（（FBG））作作为为腔腔镜镜的的全全光纤高功率激光器光纤高功率激光器——高功率掺Yb光纤激光器 光光纤纤：：掺Yb双包层光纤的内包层形状为正方形，截面尺寸为125μm×125μm，数值孔径约为0.38单模纤芯的模场半径为7μm，数值孔径为0.11纤芯中掺杂有较高浓度的Yb离子，对976nm抽运光的吸收损耗约为1.7dB/m光纤长度为20m 谐谐振振腔腔：：一对中心反射波长为1060nm的FBG作为选频反馈腔镜，构成驻波腔，相应的峰值反射率分别为99%和5%。

图3-5——高功率掺Yb光纤激光器 泵浦源：为一台带有输出尾纤的为一台带有输出尾纤的LD模块，中心模块，中心波长为波长为976nm在LD模块与光纤激光器注入端之间模块与光纤激光器注入端之间专门设计了一个专门设计了一个taper型光纤耦合器，以提高抽运光型光纤耦合器，以提高抽运光的注入效率的注入效率 性能指标： 阈值功率：阈值功率： 300mW 输出功率输出功率 ：：1.18W 光光转换效率：光光转换效率：53.1% 斜率效率：斜率效率：68％％ 中心波长：中心波长： 1060nm 光谱半宽光谱半宽 ：： <0.1nm——高功率掺Yb光纤激光器IPG万瓦级光纤激光器万瓦级光纤激光器（一）调（一）调Q光纤激光器基本结构及特点光纤激光器基本结构及特点 声声 光光 调调QA.非光纤型非光纤型Q开关开关 电电 光光 调调Q 机械转镜调机械转镜调Q 可饱和吸收体调可饱和吸收体调Q 光纤马赫光纤马赫-曾特尔干涉仪曾特尔干涉仪B.光纤型光纤型Q开关开关 光纤迈克尔逊干涉仪光纤迈克尔逊干涉仪 基于光纤中的基于光纤中的SBS调调Q 调调Q光纤激光器光纤激光器调调Q光纤激光器光纤激光器￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿通过改变激光共振腔通过改变激光共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术。

共振腔的激光脉冲宽度的技术共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔损耗大小的量光学损耗低的腔，其描述激光器共振腔损耗大小的量光学损耗低的腔，其Q值高   ￿   ￿Q值定义：值定义：Q＝２＝２πν腔内存储的能量／每秒损失的能量腔内存储的能量／每秒损失的能量   ￿￿￿￿   ￿￿￿￿当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便产生激光振荡如果泵浦源继续泵浦，维荡阈值时，激光器便产生激光振荡如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就连续输出激光激光振荡阈值与共持激光器在阈值以上，它就连续输出激光激光振荡阈值与共振腔的光学损耗（Ｑ值）有关如果激光器的工作物质在受泵振腔的光学损耗（Ｑ值）有关如果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的Ｑ值保持很低，则激光器因振荡阈值很浦的期间，让共振腔的Ｑ值保持很低，则激光器因振荡阈值很高而不能发生激光振荡，大高而不能发生激光振荡，大￿ ￿量的泵浦能量继续存在工作物质内量的泵浦能量继续存在工作物质内当工作物质已当工作物质已““吸饱吸饱””能量时，突然升高Ｑ值，相应地，激光能量时，突然升高Ｑ值，相应地，激光振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发内发￿ ￿射出来，形成功率很高的激光脉冲。

用这个方法得到的能射出来，形成功率很高的激光脉冲用这个方法得到的能量虽然比自由振荡时得到的激光能量低一个数量级，但是，自量虽然比自由振荡时得到的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的脉冲宽度是毫秒级，而采由振荡激光器输出的脉冲宽度是毫秒级，而采￿ ￿用Ｑ开关后得到用Ｑ开关后得到的激光脉冲宽度是几十纳秒量级使激光器输出功率增加的激光脉冲宽度是几十纳秒量级使激光器输出功率增加104倍达到倍达到105~106KWA. 非光纤型：声光（AOM）调Q特点：开关时间较快，消光比大，脉冲宽度一般十几到几 十ns，但插入损耗大，稳定性较差—— 调调Q光纤激光器光纤激光器A.非光纤型：电光（EOM）调Q特点：开关时间快（几ns），消光比大（>95％），但插 入损 耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生 的电子干扰大—— 调调Q光纤激光器光纤激光器A.非光纤型：可饱和吸收体被动调Q特点：在1.53mm得到0.1mJ能量，开关速度慢，插入损耗大—— 调调Q光纤激光器光纤激光器B. 光纤型Q开关：光纤迈克尔逊干涉仪调Q特点：开关速度较慢，能产生ms量级脉冲，要求两臂光纤 光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作， 消光比不高—— 调调Q光纤激光器光纤激光器B.光纤型Q开关：光纤马赫－曾特干涉仪调Q特点：全光纤型主动调Q，可产生ms脉冲，低插入损耗 ， 但开关时间较慢—— 调调Q光纤激光器光纤激光器 锁锁模模光光纤纤激激光光器器可可作作为为高高速速通通信信系系统统的的光光源源，，有着光明的前途。

有着光明的前途 高高速速光光纤纤通通信信要要求求超超短短脉脉冲冲光光源源的的脉脉宽宽为为ps，，重重复复频频率率1GHz－－100GHz，，同同时时输输出出波波长长可可调调谐谐，，因因此此研研究究工工作作集集中中在在：：高高重重复复频频率率锁锁模模技技术术；；多多波波长长和和可可调调谐谐锁锁模模光光纤纤激激光光器器；；锁锁模模光光纤纤激激光光稳稳频频技技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光器术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光器—— 锁模光纤激光器锁模光纤激光器锁模光纤激光器锁模光纤激光器所谓锁模就是相位锁定，光纤激光器同时所谓锁模就是相位锁定，光纤激光器同时运转在位于增益带宽内的大量纵模上，当运转在位于增益带宽内的大量纵模上，当各纵模相位同步，任意相邻纵模相位差恒各纵模相位同步，任意相邻纵模相位差恒定为一常数值时，就实现了锁模定为一常数值时，就实现了锁模如图所示，腔长为如图所示，腔长为L的普通光纤激光器在未的普通光纤激光器在未经锁模时，同时运转在位于增益带宽范围内经锁模时，同时运转在位于增益带宽范围内超过阈值的大量纵模上，各个纵模的等频率超过阈值的大量纵模上，各个纵模的等频率间隔为间隔为:基于Bragg光纤光栅调谐的锁模光纤激光器 实验结果实验结果: 波长：1558.4nm, 脉宽：50ps 调谐范围：1553.92nm～1561.27nm—— 锁模光纤激光器锁模光纤激光器基于啁啾光栅色散的锁模光纤激光器 实验结果： 波长：1555.12nm, 脉宽：60ps, 啁啾度： 5.2—— 锁模光纤激光器锁模光纤激光器实验结果： 波长：1552.24nm，1559.32nm； 脉宽：60.0psRF driver—— 锁模光纤激光器锁模光纤激光器双波长主动锁模光纤激光器 第三章第三章 光纤激光器光纤激光器3.1 光纤激光器简介光纤激光器简介Ø什么是光纤激光器什么是光纤激光器Ø光纤激光器的发展及分类光纤激光器的发展及分类3.2 光纤激光器的基本理论光纤激光器的基本理论Ø光纤激光器的基本结构光纤激光器的基本结构Ø掺杂离子的能级结构掺杂离子的能级结构Ø谐振腔结构谐振腔结构3.3 光纤激光器的特点及应用光纤激光器的特点及应用光光纤激光器的特点激光器的特点 1.光束质量好，具有非常好的单色性、方向性和稳定性。

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，降低了成本导体激光二极管作为泵浦源，降低了成本 3.转换效率高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。

范围宽 5.温度稳定性好温度稳定性好基质材料是基质材料是SiOSiO2 2，具有极好的温度稳定性；而且光，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，具有耦合器方式构成谐振腔，具有免调节、免维护、高稳定性免调节、免维护、高稳定性的优点的优点 8.兼容性好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。

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可在恶劣的环境条件下工作，，如高冲击、高震动、高温度等如高冲击、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注：缺点有：线宽窄，噪声高，相对一般半导体激光器价格高光光纤激光器激光器应用用 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、通信、传感、军事、工业加工、医疗、光信息处理、激光印制军事、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等领域有着广阔的前景 在在通信通信方面，方面，光纤激光器提供的光纤激光器提供的1.301.30µm m和和1.551.55µm m波段的激光是通信的两个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-fsps-fs超短光脉超短光脉冲的产生，在冲的产生，在DWDMDWDM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输速度，更远的传输距离，起着不可替代的作用 在在医疗医疗方面，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还在整容、切除肿瘤、治癌、皮肤病方面扮演重要的角色 在在工业工业领域，领域，可用于激光打标、激光焊接、激光切割等可用于激光打标、激光焊接、激光切割等不同材料加工所需光纤激光器功率如下: 金属切割:500w~2kw； 金属焊接和硬焊:500w~20kw； 金属淬火和涂敷:2~20kw； 玻璃和硅切割:500w~2kw； 聚合物和复合材料切割为200w~1kw； 快速印刷和打印:20w~1kw； 软焊和烧结为50~500w； 消除放射性沾染为300w~1kw。

光纤激光器用于材料加工和制造光纤激光器用于材料加工和制造高功率材料加工激光打标激光打标包括半导体芯片/晶元片/集成电路/电子器件，医疗器件，/计算机键盘，仪器面板/按键，服装钮扣，香烟/食品包装等CO2和和YAG激光器：激光器：体积大；高功耗；短体积大；高功耗；短寿命；高维护费用；寿命；高维护费用；使用不方便使用不方便掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命 ；；低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率密度高；光纤传输到工作面，使用方便密度高；光纤传输到工作面，使用方便深圳大族激光深圳大族激光YLP-10光纤激光打标机光纤激光打标机YLP-10光纤激光打标机技术参数打标打标激光雕刻激光雕刻精密电子元器件 精密金属标刻 问题与思考题？问题与思考题？1.简述什么是激光器构成的三要素，光纤激光器满足三简述什么是激光器构成的三要素，光纤激光器满足三 要素条件要素条件2.举例说明举例说明3种谐振腔的原理和应用范例种谐振腔的原理和应用范例3.不采用实际的腔镜，如何设计光纤激光器的不采用实际的腔镜，如何设计光纤激光器的F-P腔，给腔，给出设计方案并说明工作原理。

出设计方案并说明工作原理4.如何设计一种环形腔光纤激光器，给出设计方案同说明如何设计一种环形腔光纤激光器，给出设计方案同说明工作原理工作原理5.怎样才能得到波长可调谐激光？怎样才能得到窄谱激光怎样才能得到波长可调谐激光？怎样才能得到窄谱激光？说明理由说明理由。