光纤传感器作业.doc

1. 讨论掺稀土（铒、钕）光纤受激辐射的基本原理1)掺铒光纤激光器EDF作为EDFL的增益介质，其基本原理是在光纤的纤芯中能产生激光的稀有元素（如铒、钕、镨等），通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大利用掺铒光纤的非线性效应，把泵浦光输入到掺铒光纤中，使光线中的铒原子的电子能级升高当高能级向低能级跃迁时，向外辐射出光子当有光信号输入时，辐射光的相位和波长会自发与信号光传输一致这样在输出端就可以得到功率较强的光信号，实现光信号放大信号光在掺铒光纤的输出过程中可不断被放大用半导体二极管或其他固体激光器作泵辅源还可产生可调谐激光用掺铒光纤作成的光纤激光器，是光纤通信中不可缺少的部分　　　2)钕光纤激光器掺钕光纤中形成受激辐射的是三价钕离子，对于1.06um激光波长，以800nm波长的光源作为泵浦源，钕离子是一个四能级系统，参与激光过程的能级有四个，辐射波长为1.06um，四能级系统的激光下能级不是基态，而是中间能级，中间能级在热平衡状态上是空的，因而四能级的系统很容易实现E3和E2间的粒子数反转，四能级系统激光器的阙值比三能级系统低的多，因而掺钕光纤激光器的效率要比掺饵光纤激光器的高。

2. 举例说明三种谐振腔的原理和应用？1)光纤环行谐振腔泵浦光由1端进入，经耦合器进入环行腔激励的激光与泵光无关产生的激光由4端到3端经耦合器分为2束：一束从2端输出；另一束由4端返回并被谐振放大；如此反复其中储存了能量2）光纤圈反射器假设光波从端口1进入耦合器，耦合器将一半功率耦合到端口3，而将另一半功率耦合到端口4（即耦合系数k=0.5）.50%的输入光沿光纤圈顺时针传播，而将另一半沿光纤圈逆时针传播跨过耦合器的光波比光波直通的光波相位滞后π/2.端口2的投射功能是两个场的叠加，即具有任意相位φ的顺时针场和相位为φ-π的逆时针场的叠加，两者的幅度相等，正好抵消，结果投射输出为0.由能量守恒可知，所有输入光都沿端口1返回3)光纤圈谐振腔光纤圈为非谐振的干涉仪结构其中没有能量储存光波既可以通过另一端输出；又可以再从输入端反射3. 举例说明2种光纤激光器构成和产生激光的原理1)掺Er 3+光纤激光器由合适长度的掺Er 3+光纤、980nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成当半导体激光器泵浦掺饵光纤时，大量处于4I15/2(基态E1）上的Er 3+受激跃迁到能级4I11/2(E3)上，但Er 3+在4I11/2上是很不稳定的，其寿命只有纳秒量级，跃迁到4I11/2上的Er 3+粒子各自纷纷放出能量(E3-E2)而很快地跃迁到4I13/2上。

4I13/2是亚稳态，寿命较长(约10ms)，释放出来的能量给了Er 3+周围的玻璃介质，而使光纤发热这个过程是无辐射跃迁，与发射和吸收光子无关处在4I13/2上的Er 3+不断自发跃迁，回到基态4I15/2并发出1.536μm的自发辐射荧光如果此时半导体激光器的泵浦功率不足以产生粒子数反转，则掺铒光纤只能发出荧光当泵浦功率增加到足够强而使.N2>N1,即把.光纤中多于一半的Er 3+从4I15/2能级抽运到4I13/2而达到粒子数反转分布时，掺铒光纤就转化为1.536μm波长的光放大器如果再提供适当的反馈，那么当泵浦功率增加到阈值时激光器开始振荡，并发出1.536μm波长的激光掺铒光纤中参与形成受激辐射的Er 3+是三能级系统激光下能级是基态，在热平衡时，几乎全部离子都处在此能级上(N1=N,N2≈0) 因此，为了实现粒子数反转至少要将大于N/2的基态能级上的Er 3+离子抽运到4I13/2能级上这就要求有很强的激励光源所以三能级激光器效率不高2)掺Nd3+光纤激光器由合适长度的掺Nd 3+光纤、800nm大功率半导体激光器泵浦源和谐振腔构成用一段合适长度的掺钕光纤和输出波长合适的大功率激光二极管，再加上谐振腔即可构成掺钕光纤激光器。

掺钕光纤中形成受激辐射的是三价钕离子Nd3+，对于1. 06μm激光波长，以800 nm波长的光源作为泵浦源Nd3+是一个四能级系统，参与激光过程的能级有4个E1(4 I9/2)为基态．E4(4F5/2)为吸收带，受激辐射产生于E3(4 F3/2)与E2(4I11／2)之间，辐射波长为1. 06 μm四能级系统的激光下能级不是基态E1，而是中间能级E2E2能级在热平衡态下基本上是空的(N2≈0)．因而四能级的系统很容易实现E3和E2间的粒子数反转(N3>N2)四能级系统激光器的阈值比三能级系统低得多，因而掺钕光纤激光器的效率要比掺铒光纤激光器的高。