1、第九章第九章有源光纤器件和有源光纤器件和光纤光栅光纤光栅 内容提要：内容提要：9.19.1光纤激光器及放大器的结构和发展光纤激光器及放大器的结构和发展9.29.2稀土掺杂光纤的光谱稀土掺杂光纤的光谱9.39.3稀土掺杂光纤激光与放大过程稀土掺杂光纤激光与放大过程9.49.4光纤激光技术光纤激光技术9.59.5光纤放大技术光纤放大技术9.69.6光纤光纤ASEASE光源光源9.79.7光敏光纤光栅光敏光纤光栅9.1光纤激光器及放大器的结构和发展光纤激光器及放大器的结构和发展光纤激光器及放大器是一种新颖的有源器件。属于这类器件光纤激光器及放大器是一种新颖的有源器件。属于这类器件的大体上有三类：的大
2、体上有三类：1.利用光纤的利用光纤的非线性效应非线性效应：例光纤喇曼激光器与放大器例光纤喇曼激光器与放大器2.利用利用晶体光纤晶体光纤：例利用例利用YAG，BSO晶体光纤制作的光纤激光器晶体光纤制作的光纤激光器3.利用利用掺杂光纤掺杂光纤：例光纤掺杂稀土离子可使之激活以制作掺杂例光纤掺杂稀土离子可使之激活以制作掺杂 光纤激光器和放大器光纤激光器和放大器在这三类器件中，掺杂光纤，尤其是稀土掺杂石英玻璃光纤在这三类器件中，掺杂光纤，尤其是稀土掺杂石英玻璃光纤制作的激光器和放大器，发展极为迅速，在光通制作的激光器和放大器，发展极为迅速，在光通信领域得到广泛应用，因此，本章着重讨论这类器件。信领域得到
3、广泛应用，因此，本章着重讨论这类器件。9.1.19.1.1光纤激光器的基本结构和特点光纤激光器的基本结构和特点光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同：光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同：光纤激光器光纤激光器激光介质激光介质谐振腔谐振腔其结构如下图其结构如下图9.1.1所示：所示：图图9.1.1光纤激光器谐振腔光纤激光器谐振腔光纤激光器有如下优点光纤激光器有如下优点:a.转换效率高，散热快，损耗小，阈值相当低转换效率高，散热快，损耗小，阈值相当低b.光纤激光器可以设计的非常小巧。光纤激光器可以设计的非常小巧。c.玻璃光纤的荧光光谱很宽，插入适当的波长选择器可得到玻璃光纤的荧光光谱很宽，插
4、入适当的波长选择器可得到 很宽的调谐范围和很好的单色性。很宽的调谐范围和很好的单色性。泵光掺Er3石英光纤激光输出剩余泵光泵浦光泵浦光9.1.29.1.2光纤放大器的结构形式和发展光纤放大器的结构形式和发展光纤放大器与激光器的实质性区别是光纤放大器与激光器的实质性区别是没有反馈环路没有反馈环路，即没有，即没有谐振腔，图谐振腔，图9.1.2列出了光纤放大器在实际应用中的三种结构形式列出了光纤放大器在实际应用中的三种结构形式其中：其中：a.作为激光作为激光功率放大功率放大的结构形式的结构形式 b.作为全作为全光中继光中继器使用的结构形式器使用的结构形式 c.作为光作为光前置放大前置放大器使用的结构
5、形式器使用的结构形式图图9.1.2 光纤放大器的结构光纤放大器的结构上述三种结构形式中，全光中继器的发展前景最引人注目。因为上述三种结构形式中，全光中继器的发展前景最引人注目。因为其无需光电光转换，而且其结构简单造价低，具有很高的其无需光电光转换，而且其结构简单造价低，具有很高的可靠性。可靠性。光纤激光器及放大器发展历史：光纤激光器及放大器发展历史：1963年，法国斯尼基尔首次提出光纤激光器和放大器的概念。年，法国斯尼基尔首次提出光纤激光器和放大器的概念。1975年后，单模低损耗光纤及光纤耦合技术进入实用化。年后，单模低损耗光纤及光纤耦合技术进入实用化。1985年，英国南安普顿大学研制出掺铒石
6、英光纤。年，英国南安普顿大学研制出掺铒石英光纤。1986年，第一个掺铒光纤放大器诞生。其后，掺铒光纤放大器年，第一个掺铒光纤放大器诞生。其后，掺铒光纤放大器 研究进展十分迅速，现已进入商品实用阶段。研究进展十分迅速，现已进入商品实用阶段。9.29.2稀土掺杂光纤的光谱稀土掺杂光纤的光谱当光纤中掺入一些稀土元素后，其物理性质将会发生一些变化，当光纤中掺入一些稀土元素后，其物理性质将会发生一些变化，因此，为了掌握其物理性质将如何变化，我们有必要研究稀土掺因此，为了掌握其物理性质将如何变化，我们有必要研究稀土掺杂光纤的光谱。杂光纤的光谱。9.2.19.2.1稀土元素及其离子稀土元素及其离子稀土元素或
7、镧系元素一种稀土元素或镧系元素一种15个，他们都具有相同的外电子结构个，他们都具有相同的外电子结构 ，我们用，我们用Xe表示氙的结构，则他们的结构表示如下，在表示氙的结构，则他们的结构表示如下，在4f内占据的电子数决定这元素的化学性质内占据的电子数决定这元素的化学性质262556sps57La镧镧265sd铈铈58Ce264 5sf d镨镨59Pr2364sf钕钕60Nd2464sf铒铒68Er21264sf铥铥69Tm21364sf镱镱70Yb21464sf镥镥71Lu2116 45s fdXeXeXeXeXeXeXeXe9.2.29.2.2掺杂光纤基质材料的影响掺杂光纤基质材料的影响 光纤
8、基质材料是玻璃。稀土离子对玻璃的基质的掺杂，实际光纤基质材料是玻璃。稀土离子对玻璃的基质的掺杂，实际上是稀土离子通常作为网格改体存在或填隙于玻璃网格中。玻璃上是稀土离子通常作为网格改体存在或填隙于玻璃网格中。玻璃基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响：基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响：一一.导致导致斯塔克分裂斯塔克分裂 能级中存在的任何简并都是因基质院子键能级中存在的任何简并都是因基质院子键 引起的电场非均匀分布的影响而退简并，因此对于给定的电引起的电场非均匀分布的影响而退简并，因此对于给定的电 子跃迁，其光谱显示出某些亚结构子跃迁，其光谱显示出某些亚结构二二.导致导致能级展宽能级展宽，展宽
9、的机制有声子展宽和基质电场扰动展宽，展宽的机制有声子展宽和基质电场扰动展宽 光谱展宽的性质与幅度对于光纤激光器来说是非常重要的。光谱展宽的性质与幅度对于光纤激光器来说是非常重要的。因为对于给定的泵浦功率，激光增益反比于谱宽。因为对于给定的泵浦功率，激光增益反比于谱宽。这样，稀土元素因受益于参与吸收和发射电子的被屏蔽的作这样，稀土元素因受益于参与吸收和发射电子的被屏蔽的作用，故其较之于无屏蔽作用的过渡元素更易产生好的激光。用，故其较之于无屏蔽作用的过渡元素更易产生好的激光。9.2.39.2.3稀土离子掺杂浓度稀土离子掺杂浓度对于光纤激光器来说，存在一最佳掺杂浓度。对于光纤激光器来说，存在一最佳掺
10、杂浓度。如果如果掺杂过低掺杂过低，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部位，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部位，基态上的离子可能被耗尽，信号放大则受限于可被利用的离子数。基态上的离子可能被耗尽，信号放大则受限于可被利用的离子数。如果如果掺杂过高掺杂过高，会出现两个问题：其一是浓度抑制问题，会出现两个问题：其一是浓度抑制问题，即在高掺杂时相邻稀土离子之间即出现非辐射交叉驰豫，即在高掺杂时相邻稀土离子之间即出现非辐射交叉驰豫，以以致使激光上能级的有效粒子数减少；另一个问题是高掺杂将致使激光上能级的有效粒子数减少；另一个问题是高掺杂将导致玻璃基体出现结晶现象，而这对激光的形成是不利的。导致玻璃基体出现
11、结晶现象，而这对激光的形成是不利的。多次实验多次实验表明，对于光纤激光器的掺杂光纤，其最佳掺杂均为表明，对于光纤激光器的掺杂光纤，其最佳掺杂均为几百个几百个ppm的浓度。的浓度。9.2.49.2.4激发态吸收（激发态吸收（ESAESA）激发态吸收主要指：处于激光上能态的电子吸收泵浦光子激发态吸收主要指：处于激光上能态的电子吸收泵浦光子后进入更高的激发态，随后通过某种非辐射驰豫过程进入一中后进入更高的激发态，随后通过某种非辐射驰豫过程进入一中间能态，最后重新回到激光上能态。即间能态，最后重新回到激光上能态。即ESA 这种这种ESA过程削减了泵浦功率，为了获得同样大小的激光过程削减了泵浦功率，为了
12、获得同样大小的激光输出，在存在输出，在存在ESA时则需要更高的泵浦功率。时则需要更高的泵浦功率。ESA是限制掺是限制掺 光纤激光器和放大器增益的主要因素。光纤激光器和放大器增益的主要因素。对掺铒光纤器件也有严重的影响。对掺铒光纤器件也有严重的影响。可见，可见，ESA作为有害的因素，我们应该设法解决这个问题作为有害的因素，我们应该设法解决这个问题3Er9.2.59.2.5玻璃中稀土离子的光谱玻璃中稀土离子的光谱这里我们着重讨论掺这里我们着重讨论掺 和和 光纤激光器和放大器，因为其光纤激光器和放大器，因为其 对光纤对光纤通信有重要意义。图通信有重要意义。图9.2.1示出了稀土金属离子的能级示出了稀
13、土金属离子的能级3Nd3Er图图9.2.1稀土金属离子的能级稀土金属离子的能级下图给出了玻璃基体下图给出了玻璃基体成分是成分是 .Nd的的荧光带对应的中心波长分别在荧光带对应的中心波长分别在0.90um,1.06um,1.32um处。其中处。其中在在0.90um处吸收谱与荧光谱重叠，这意味着在这个波长上产处吸收谱与荧光谱重叠，这意味着在这个波长上产生的激光必定是三能级系统；对于掺生的激光必定是三能级系统；对于掺Er，在，在1.48um处吸收谱与处吸收谱与荧光谱重叠，也意味着这个波长上产生的激光是三能级系统。荧光谱重叠，也意味着这个波长上产生的激光是三能级系统。222594.55.00.5SiO
14、GeOPO图图9.2.2掺掺 和和 的荧光谱及吸收谱的荧光谱及吸收谱3Nd3Er我们考查我们考查Nd和和Er离子中电子能级图。如下图所示。其中对应的离子中电子能级图。如下图所示。其中对应的重要跃迁有：重要跃迁有：图图9.2.3 和和 的电子能级图的电子能级图3Nd3Er3Nd的吸收：的吸收：从基态从基态49/2I29/25/2(0.8)HFm4和43/2(0.9)Fm3Nd的荧光的荧光从激发态从激发态49/2I411/2I413/2I（0.9um）（1.06um）（1.35um）3Er的吸收：的吸收：基态基态43/2F415/2I49/2I411/2I413/2I（0.81um）（1.48um
15、）（0.98um）3Er的荧光的荧光激发态激发态413/2I415/2I（1.55um）产生激光和激光放大的原则是：在其吸收带对应的波长提供产生激光和激光放大的原则是：在其吸收带对应的波长提供必要的泵浦，在其荧光谱对应的波长上提供形成增益和振荡的必要的泵浦，在其荧光谱对应的波长上提供形成增益和振荡的条件条件.我们不仅可以改变掺杂的物质浓度等问题，我们还可以变化我们不仅可以改变掺杂的物质浓度等问题，我们还可以变化基质种类和成分，来促进掺杂离子所处环境发生改变，进而基质种类和成分，来促进掺杂离子所处环境发生改变，进而使光谱产生变化，这样，我们可以人为的选择适宜的泵浦波长使光谱产生变化，这样，我们可
16、以人为的选择适宜的泵浦波长在有实际意义的波长上产生激光和激光放大。在有实际意义的波长上产生激光和激光放大。9.39.3稀土掺杂光纤激光与放大过程稀土掺杂光纤激光与放大过程9.3.19.3.1光的吸收与发射光的吸收与发射 当介质吸收一定频率的光子后，其电子会跃迁到激发态，由于当介质吸收一定频率的光子后，其电子会跃迁到激发态，由于激发态是非稳态，激发态电子通过辐射回到基态，这其中有两种激发态是非稳态，激发态电子通过辐射回到基态，这其中有两种辐射：辐射：自发辐射自发辐射和和受激辐射受激辐射。而受激辐射产生的是一种同频率同相位的光，也就是可以形成而受激辐射产生的是一种同频率同相位的光，也就是可以形成相
17、干性极好的激光。但其产生要造成能级间相干性极好的激光。但其产生要造成能级间“粒子数反转粒子数反转”，这需，这需要一定条件：要一定条件：a.参与过程的能级应超过两个参与过程的能级应超过两个b.应有泵浦源提供能量，应有泵浦源提供能量，并且在数值上要超过上能级的能量。并且在数值上要超过上能级的能量。上面所说产生激光存在一定的阈值，当泵浦能量低于该阈值上面所说产生激光存在一定的阈值，当泵浦能量低于该阈值时便不能产生激光。这里不再详述，有关内容可以参考一些参考时便不能产生激光。这里不再详述，有关内容可以参考一些参考书书.9.3.29.3.2四能级和三能级的光纤激光过程四能级和三能级的光纤激光过程下图下图
18、9.3.1示出了四能级和三能级的激光原理。示出了四能级和三能级的激光原理。图图9.3.1四能级和三能级的激光原理图四能级和三能级的激光原理图图中分别示出了三能级和四能级的泵浦过程和产生激光过程。图图中分别示出了三能级和四能级的泵浦过程和产生激光过程。图中主要区别是前者的激光的下能级是基态而后者不是。这说明三中主要区别是前者的激光的下能级是基态而后者不是。这说明三能级较之四能级有更高的阈值。一般来说，四能级的激光阈值应与光纤长度能级较之四能级有更高的阈值。一般来说，四能级的激光阈值应与光纤长度成反比，而对于三能级系统，则存在一个最佳光线长度，在这个长度上方可成反比，而对于三能级系统，则存在一个最
19、佳光线长度，在这个长度上方可出现最低的激光阈值。因而我们着重讨论一下三能级光纤激光放大理论出现最低的激光阈值。因而我们着重讨论一下三能级光纤激光放大理论9.3.39.3.3三能级光纤激光放大理论三能级光纤激光放大理论我们结合激光理论和光纤理论来分析光纤激光器和放大器。我们结合激光理论和光纤理论来分析光纤激光器和放大器。由前面的讨论可知，三能级激光是在由前面的讨论可知，三能级激光是在 和和 能级之间，这样我能级之间，这样我们可以将其简化为两能级系统。如下图们可以将其简化为两能级系统。如下图9.3.2所示。所示。23E13E泵浦光频率泵浦光频率信号光频率信号光频率图图9.3.2简化的二能级系统简化
20、的二能级系统2WN1WN 和和 分别代表受激发射和受激吸收过程，根据爱因斯坦理分别代表受激发射和受激吸收过程，根据爱因斯坦理论，三能级速率方程为：论，三能级速率方程为：2121212112W NNW NW NNNtt(9.3.1)我们考察速率方程的局域形态，这里需引入一些变量我们考察速率方程的局域形态，这里需引入一些变量：R（r，t）泵浦光子）泵浦光子密度，密度，S(r,t)-激光（信号光）光子数密度，激光（信号光）光子数密度，掺杂粒子数密度，掺杂粒子数密度，和和 分别是下能级和上能级粒子数密度。分别是下能级和上能级粒子数密度。()tn r1(,)n r t2(,)n r tpspcsc和和
21、分别是泵浦光速和信号光光速；分别是泵浦光速和信号光光速；和和 分别是泵浦光和信号光分别是泵浦光和信号光与掺杂离子作用截面。与掺杂离子作用截面。因为光纤中存在传输因为光纤中存在传输色散，故色散，故spcc2112ssppfnncSncRnntt(9.3.2)一段时间后光纤进入稳态一段时间后光纤进入稳态：速率方程变为：速率方程变为：120nntt21ssppfncSncRn(9.3.3)光在光纤中的传输包括激光产生和介质损耗过程。我们以信号光在光纤中的传输包括激光产生和介质损耗过程。我们以信号光为例，取光为例，取dz一段光纤来看信号光光子密度一段光纤来看信号光光子密度S(r,t)的局域变化率为：的
22、局域变化率为：123SSSStttt(9.3.4)激光产生而引起的，为激光产生而引起的，为sscnS光在介质中的损耗对变化率光在介质中的损耗对变化率的影响的影响ssc S而最后一项是由光子在而最后一项是由光子在z端和端和z+dz端通量差引起的端通量差引起的：3,sssSSdzc S t zc S t zdzctz(9.3.5)综合考虑以上三个过程有：综合考虑以上三个过程有：1sssSnSSctz(9.3.6)s是比尔吸收系数是比尔吸收系数以上考虑的是信号光，对泵浦光同样有：以上考虑的是信号光，对泵浦光同样有：1pppRnRRctz(9.3.7)在稳态（在稳态（）情况下得到稳态传输方程：）情况下
23、得到稳态传输方程：0t1ppRn RRz 1ssSn RRz(9.3.8a)(9.3.8b)我们引入两个归一的分布函数我们引入两个归一的分布函数f和和g,我们这样定义：我们这样定义：,pppPz tR x y z tf x yhc,sssP z tS x y z tg x yh c(9.3.9)(9.3.10)为泵浦光和信号光为泵浦光和信号光功率功率其中其中f和和g满足归一条件：满足归一条件：,1f x y dxdyg x y dxdy我们用柱坐标表示：我们用柱坐标表示：,pppPRf rhc sssPSg rh c(9.3.12)(9.3.11)光纤中模式特征光纤中模式特征函数函数对于阶跃光
24、纤，它们分别为：对于阶跃光纤，它们分别为：22122211/cos,/coslJUr alf rJ UK WKWr alra(9.3.13)2022000/JUr ag rJUKWKWr ara(9.3.14)上面些式子中上面些式子中a是纤芯半径，而是纤芯半径，而U，W为光纤横向归一化传播常数为光纤横向归一化传播常数假设掺杂粒子径向分布均匀，则有分布：假设掺杂粒子径向分布均匀，则有分布：0,tn rzN n r(9.3.15)01n r rdr满足满足现在我们需引入光强函数：现在我们需引入光强函数：pppsssIhc RIh c S，ppPI dxdyssPI dxdy(9.3.16)这样上面
25、所讨论的光纤激光和放大的基本方程可写成如下这样上面所讨论的光纤激光和放大的基本方程可写成如下形式：形式：2112121sppfppsstnnScn RRn RRzSnSSznnnnnns速 率 方 程：c传 输 方 程：（光 子 守 恒）粒 子 数 方 程：(9.3.17)化简上面诸式，并将前面的一些表达式代入得到方程组：化简上面诸式，并将前面的一些表达式代入得到方程组：1212112112112121ssfptpssfppfppfstsssfppfppftssfppfssftssfppfssfppftssfppfcSRRnRzcScRcRSSnSzcScRcRnncScRcSnncScRcS
26、cRnncScR (9.3.18)以上就是对光子密度的耦合放大方程及粒子数分布方程。以上就是对光子密度的耦合放大方程及粒子数分布方程。我们需要得到光强的耦合放大方程，得引入饱和光强我们需要得到光强的耦合放大方程，得引入饱和光强 ，。及无量纲参数。及无量纲参数A和和BpoIsoI1111popfpsosfsIhIh /ppossoAIIBII(9.3.19)由此我们得到光强的耦合放大方程由此我们得到光强的耦合放大方程121121ptpstsABnAAzBABAnBBzBA(9.3.20)将式将式(9.3.11)和和(9.3.12)代入光子数密度耦合放大方程，代入光子数密度耦合放大方程，并对横截面
27、作积分并对横截面作积分 有：有：200rdrd 2000pppdPNrdrdP dz 11111(,)2(,),sssfsssppfhPg rhPg rhf r ,pf rn r(9.3.21)2000sssdPNrdrdPdz 11111(,)2(,),pspfpssppfhP f rhPg rhf r ,sg rn r这就是光功率的耦合放大方程。这就是光功率的耦合放大方程。(9.3.22)仿前光强方程引入饱和强度函数，我们这里也引入饱和光功率仿前光强方程引入饱和强度函数，我们这里也引入饱和光功率 ，和无量纲参数和无量纲参数 ，poPsoPpopososoPIPI/ppossoPPPP总面积
28、总面积2a将上述参数代入光功率方程化为：将上述参数代入光功率方程化为：001,1,pppsssdN JdzdN Jdz (9.3.23)其中：其中：200200,1,2,1,1,2,1psg rJrdrdf rn rg rf rf rJrdrdg rn rg rf r (9.3.24)由式由式(9.3.23)可以看出，泵浦光初值较大，可以看出，泵浦光初值较大，且且 有有 此即表明信号光得到放大，而泵浦光功率随此即表明信号光得到放大，而泵浦光功率随z增加而减弱。当增加而减弱。当 信号光进入衰减阶段，信号光进入衰减阶段，因而存在一个因而存在一个最佳长度最佳长度，信号光，信号光有一个最大的增益。即使
29、有一个最大的增益。即使，也有，也有随着随着 减少到减少到 时也会使信号从放大过渡到衰减。时也会使信号从放大过渡到衰减。,0sJ 0/,sssN J 0/,sssN J 0s,0sJ 我们进一步探讨方程的特性，我们令我们进一步探讨方程的特性，我们令 ，即抛弃横模特性和忽略介质吸收，有：，即抛弃横模特性和忽略介质吸收，有：,1f rg r0ps0011211121psdNdzdNdz(9.3.25)在光纤输入端泵浦光很大而信号光很小时，可以认为：在光纤输入端泵浦光很大而信号光很小时，可以认为：则上面方程组可以变为：则上面方程组可以变为：1,100psdNdzdNdz(9.3.26)由上式看出开始时
30、泵浦光现行衰减而信号光指数上升，当由上式看出开始时泵浦光现行衰减而信号光指数上升，当 衰减衰减到到1时，信号光时，信号光 饱和，则有：饱和，则有：0120pdNdzddz(9.3.27)由此方程可以看出泵浦光指数衰减。由此方程可以看出泵浦光指数衰减。当当 ，虽然已进入负增益但是仍很大时，有：虽然已进入负增益但是仍很大时，有：1001212psdNdzdNdz(9.3.28)而此种情况表明泵浦光指数衰减而信号光线性下降。而此种情况表明泵浦光指数衰减而信号光线性下降。上面的讨论我们抛弃横模特性和忽略介质吸收，而实际情况比这上面的讨论我们抛弃横模特性和忽略介质吸收，而实际情况比这要复杂的多，但是曲线
31、走向基本上一样。要复杂的多，但是曲线走向基本上一样。下图下图9.3.3表示的曲线是表示的曲线是 的信号光的信号光 输入输入时分别在时分别在 的泵浦光的泵浦光 为为20mW,55mW,100mW情况下计算出泵浦光和信号光随坐标情况下计算出泵浦光和信号光随坐标z变化曲线。变化曲线。1.53sm015sP zw514.5pnm0pPz 图图9.3.3泵浦光、信号光随光纤长度变化曲线泵浦光、信号光随光纤长度变化曲线数值结果表明：数值结果表明：一定光纤长度，信号光增益随泵浦光输入而增大；一定泵一定光纤长度，信号光增益随泵浦光输入而增大；一定泵浦光下，存在一个最佳长度使信号光增益最大；在一定长度和泵浦光水
32、平下，浦光下，存在一个最佳长度使信号光增益最大；在一定长度和泵浦光水平下，信号光增益随信号光输入增大而减少呈信号光增益随信号光输入增大而减少呈”饱和饱和”现象现象最后，由于掺杂光纤激光器和放大器的影响很多，且较为复杂最后，由于掺杂光纤激光器和放大器的影响很多，且较为复杂，因此目前尚难以形成成熟的理论，期待大家的进一步研究。，因此目前尚难以形成成熟的理论，期待大家的进一步研究。9.49.4光纤激光技术光纤激光技术目前，目前，0.9oum,1.06um,1.35um波长掺波长掺 光纤激光器和光纤激光器和1.55um波长的掺波长的掺 光纤激光器均已实用化；光纤激光调谐，光纤光纤激光器均已实用化；光纤
33、激光调谐，光纤激光线宽压缩以及光纤激光调激光线宽压缩以及光纤激光调Q和锁模等激光技术均得到广泛和锁模等激光技术均得到广泛研究。研究。3Nd3Er重金属掺杂氟化物光纤激光器也取得明显得进展。下面我们重金属掺杂氟化物光纤激光器也取得明显得进展。下面我们先介绍光纤激光器的谐振腔结构，因为其是激光器中的重要先介绍光纤激光器的谐振腔结构，因为其是激光器中的重要组成部分，然后我们接着介绍各种光纤激光技术。组成部分，然后我们接着介绍各种光纤激光技术。9.4.19.4.1光纤激光器的谐振腔光纤激光器的谐振腔1.F-P腔腔前面我们有一张图就是简单的前面我们有一张图就是简单的F-P结构图，现在我们再贴一次。结构图
34、，现在我们再贴一次。如图如图9.4.1图图9.4.1光纤激光器谐振腔光纤激光器谐振腔谐振频率间隔谐振频率间隔 是光子再腔内往返运行时间的倒数：是光子再腔内往返运行时间的倒数：/2cnL(9.4.1)腔长腔长F-P腔一个重要特征就是谐振储能，因而腔内激光介质可建立起腔一个重要特征就是谐振储能，因而腔内激光介质可建立起粒子数反转，这样就具有了增益能力。粒子数反转，这样就具有了增益能力。2.光纤环形谐振腔光纤环形谐振腔前面的谐振腔有介质镜，而这个腔没有介质镜，其结构如下图前面的谐振腔有介质镜，而这个腔没有介质镜，其结构如下图9.4.2所示。所示。图图9.4.2光纤环形谐振腔光纤环形谐振腔耦合器的两个
35、臂耦合器的两个臂(图中图中3,4点点)连接在一起，构成了光在其中传播的连接在一起，构成了光在其中传播的循环行程，亦即相当与循环行程，亦即相当与F-P腔中的介质镜。腔的高精细度对应于腔中的介质镜。腔的高精细度对应于耦合器的低的分束比。耦合器的低的分束比。等价的体形光器件等价的体形光器件光纤环形谐振腔的强度透射系数为：光纤环形谐振腔的强度透射系数为：1exp2TL(9.4.2)定向耦合器定向耦合器的插入损耗的插入损耗光纤的振幅衰减光纤的振幅衰减系数系数光纤环形谐振腔的精细度的表达式为：光纤环形谐振腔的精细度的表达式为：112sin2 1FKTKT(9.4.3)K是定向耦合器是定向耦合器的强度耦合系
36、数的强度耦合系数有区别与有区别与F-P腔，环形腔的纵模频率间隔为：腔，环形腔的纵模频率间隔为：/c nL(9.4.4)第一个光纤环形激光器是用掺钕光纤制成的，根据前面稳态下第一个光纤环形激光器是用掺钕光纤制成的，根据前面稳态下理想四能级系统激光速率方程和光纤模式理论，可以计算出其理想四能级系统激光速率方程和光纤模式理论，可以计算出其阈值泵浦功率和斜率效率表达式：阈值泵浦功率和斜率效率表达式：21pcsthfsphTP 11ssspspK hT h(9.4.6)(9.4.5)上能级离上能级离子寿命子寿命泵浦光的泵浦光的量子效率量子效率受激发受激发射截面射截面泵浦光在腔内泵浦光在腔内的损耗的损耗掺
37、钕的光纤的主要吸收带正好在商用半导体激光器波段掺钕的光纤的主要吸收带正好在商用半导体激光器波段800nm左右，在选定掺钕光纤的掺杂元素种类后，对于掺钕左右，在选定掺钕光纤的掺杂元素种类后，对于掺钕光纤环形激光器存在一个最佳泵浦波长。光纤环形激光器存在一个最佳泵浦波长。下面两个图是国产掺钕光纤制成的光纤环形激光器进行实验得到下面两个图是国产掺钕光纤制成的光纤环形激光器进行实验得到的数据。芯径是的数据。芯径是6.64um,截止波长截止波长1.19um,腔长腔长4m.图图9.4.3掺钕光纤环形激光器输出与泵浦波长的关系曲线掺钕光纤环形激光器输出与泵浦波长的关系曲线图中表明从图中表明从800nm到到8
38、40nm波长范围内对该掺钕环形光纤激光器波长范围内对该掺钕环形光纤激光器来说，最佳泵浦波长在来说，最佳泵浦波长在830nm左右，而对左右，而对800nm至至815nm的泵浦的泵浦波段，环形激光器的激光输出非常低。波段，环形激光器的激光输出非常低。图图9.4.4 830nm泵浦波长上掺钕光纤环形激光器特性曲线泵浦波长上掺钕光纤环形激光器特性曲线激光器阈值是激光器阈值是5mW，斜率效率为，斜率效率为24。当泵浦功率为。当泵浦功率为29mW时，时，最大激光输出为最大激光输出为5.8mW,中心发射波长为中心发射波长为1089nm。从上面的那些。从上面的那些数据可以看出，同一个掺钕光纤环形激光器，处于最
39、佳泵浦波长数据可以看出，同一个掺钕光纤环形激光器，处于最佳泵浦波长时阈值最低，斜率效率最高。时阈值最低，斜率效率最高。3.光纤环路反射器及其谐振腔结构光纤环路反射器及其谐振腔结构腔体结构如图腔体结构如图图图9.4.5光纤环行反射器光纤环行反射器与环形谐振腔具有储能作用不同，这个是一种与环形谐振腔具有储能作用不同，这个是一种非谐振的干涉计非谐振的干涉计，进入光纤环的光从另一端输出的叫做透射光，而沿原路返回的光进入光纤环的光从另一端输出的叫做透射光，而沿原路返回的光叫反射光。最终，其输出是透射光场和反射光场的相干叠加。叫反射光。最终，其输出是透射光场和反射光场的相干叠加。等价的体形光器件等价的体形
40、光器件设输入光的功率为设输入光的功率为 ，耦合器的分束比耦合器的分束比为为K，在不计损耗的情，在不计损耗的情况下透射和反射输出的光功率分别为：况下透射和反射输出的光功率分别为：inP21 2tinPKP41rinPKK P(9.4.7a)(9.4.7b)trinPPP显然显然当耦合比当耦合比K0或或1时，反射率时，反射率R 0，而，而T1；当；当K1/2时，有时，有R1，T0。/rinPP将两个光纤环连接起来，就构成了一个类似光纤环形腔的谐振腔，如下图所示：将两个光纤环连接起来，就构成了一个类似光纤环形腔的谐振腔，如下图所示：图图9.4.6双光纤环谐振腔双光纤环谐振腔9.4.29.4.2光纤激
41、光器的调谐光纤激光器的调谐 激光器运转时，在腔处于最佳状态的谱线上获得激光输出。所激光器运转时，在腔处于最佳状态的谱线上获得激光输出。所谓调谐就是在宽范围内得到各相应谱线的激光输出。调谐可用波谓调谐就是在宽范围内得到各相应谱线的激光输出。调谐可用波长选择器也可以直接使用具有波长选择的反射镜。长选择器也可以直接使用具有波长选择的反射镜。下面我们介绍两种调谐方法。下面我们介绍两种调谐方法。1.用反射式衍射光栅代替输出镜用反射式衍射光栅代替输出镜其结构图如下图其结构图如下图9.4.7，各部件已在图中标明。转动光栅来改变光束与光，各部件已在图中标明。转动光栅来改变光束与光栅的角度，就可达到选择波长以达
42、到调谐目的。栅的角度，就可达到选择波长以达到调谐目的。图图9.4.7反射式光栅可调谐光纤激光器反射式光栅可调谐光纤激光器这种方法调谐的缺点是：由于腔内插入了透镜等光学元件，因而这种方法调谐的缺点是：由于腔内插入了透镜等光学元件，因而腔内的损耗增加，故阈值明显提高。腔内的损耗增加，故阈值明显提高。2.用光纤环反射器用光纤环反射器 由于反射器的反射率与耦合比由于反射器的反射率与耦合比K有关，而有关，而K又与通过耦合器的光波波长有关，又与通过耦合器的光波波长有关，这样我们改变这样我们改变K，即可达到调谐的目的。这里我们是通过改变温度来，即可达到调谐的目的。这里我们是通过改变温度来改变改变K进而达到调
43、谐。其结构图如下：进而达到调谐。其结构图如下：图图9.4.89.4.8用于调谐输出波长的光纤环发射器用于调谐输出波长的光纤环发射器用这种方法改变温度用这种方法改变温度60度，得到的调谐范围达度，得到的调谐范围达33nm9.4.39.4.3光纤激光器的输出线宽压窄光纤激光器的输出线宽压窄 在相干光通信等应用领域要求在相干光通信等应用领域要求很窄的线宽很窄的线宽,很高的单色性很高的单色性激光器输出激光器输出.1.光栅反射光栅反射 器方法器方法图图9.4.99.4.9光栅分布反射器光栅分布反射器 将石英刻槽，把光纤嵌入，再将光纤抛磨光并附上光致抗蚀剂，借助扩束激将石英刻槽，把光纤嵌入，再将光纤抛磨光
44、并附上光致抗蚀剂，借助扩束激光束交迭产生的波前干涉作用形成光栅，经显影后，在裸露的光纤芯表面印上了光束交迭产生的波前干涉作用形成光栅，经显影后，在裸露的光纤芯表面印上了周期性掩膜。最后将石英蚀刻，产生浮雕光栅性能。这种光栅起到了分布反馈反周期性掩膜。最后将石英蚀刻，产生浮雕光栅性能。这种光栅起到了分布反馈反射器作用射器作用,对窄的波长带产生反射。对窄的波长带产生反射。用高掺杂光纤制作耦合石英块，当全部腔体用高掺杂光纤制作耦合石英块，当全部腔体长度减少到长度减少到5.1cm时，即得到具有时，即得到具有2MHz线宽的单纵模激光输出。线宽的单纵模激光输出。2.福克斯史密斯谐振腔方法福克斯史密斯谐振腔
45、方法 这是使用掺铒光纤，而又无需掺杂获得单纵模输出的一种这是使用掺铒光纤，而又无需掺杂获得单纵模输出的一种重要方法。下图给出了这种谐振腔的示意图。重要方法。下图给出了这种谐振腔的示意图。图图9.4.109.4.10福克斯史密斯谐振腔福克斯史密斯谐振腔如果将构成如果将构成复合腔复合腔的两个子腔之间的耦合消除，我们将可以得的两个子腔之间的耦合消除，我们将可以得到在两个频率梳中任一个频率上的响应输出。在到在两个频率梳中任一个频率上的响应输出。在福克斯史密斯福克斯史密斯谐振腔中，这两个频率梳将共同决定谐振腔的响应。谐振腔中，这两个频率梳将共同决定谐振腔的响应。如下图所示，箭头指处即对应复合腔的响应频率
46、，即在这一点如下图所示，箭头指处即对应复合腔的响应频率，即在这一点上谐振腔有高的透射率，如果谐振腔是掺杂光纤制作的，则同时上谐振腔有高的透射率，如果谐振腔是掺杂光纤制作的，则同时满足两个子腔频率的纵模将优先产生激光振荡，这样纵模间距满足两个子腔频率的纵模将优先产生激光振荡，这样纵模间距大大加宽，这时加一反射光栅代替腔镜，置于光纤尾端，单纵模大大加宽，这时加一反射光栅代替腔镜，置于光纤尾端，单纵模就会产生。就会产生。图图9.4.119.4.11复合腔的频率梳复合腔的频率梳这里具体的一个实例是：这里具体的一个实例是：两个子腔腔长分别为两个子腔腔长分别为80cm和和95cm，用掺铒光纤，泵浦波长，用
47、掺铒光纤，泵浦波长0.52um，的氩的氩 离子激光反射光栅是闪烁型的，线数为：离子激光反射光栅是闪烁型的，线数为：1200/mm.当光栅调谐到当光栅调谐到1.536um波长输出时，测到的线宽为波长输出时，测到的线宽为8.5MHz.9.4.49.4.4光纤激光器的调光纤激光器的调Q Q与锁模与锁模光纤激光器同样也可以运转在调光纤激光器同样也可以运转在调Q和锁模状态，这样分别得到和锁模状态，这样分别得到几十纳秒和几十皮秒光脉冲输出。几十纳秒和几十皮秒光脉冲输出。下图是其工作原理示意图。下图是其工作原理示意图。图图9.4.129.4.12光纤激光器的调光纤激光器的调Q Q与锁模光路与锁模光路当光调制
48、器以开关形式工作时，即可得到调当光调制器以开关形式工作时，即可得到调Q激光输出；如果激光输出；如果光调制器按规定的频率以强度或相位调制光束时，则得到光调制器按规定的频率以强度或相位调制光束时，则得到AM或或FM锁模激光输出。锁模激光输出。光纤激光器的锁模运转光纤激光器的锁模运转图图9.4.13 89.4.13 8字型激光器示意图字型激光器示意图这种激光器实际上是一个腔体加入放大脉冲形成器的双环形光纤激光器，由这种激光器实际上是一个腔体加入放大脉冲形成器的双环形光纤激光器，由50光纤耦合器、铒光纤及泵浦耦合器组成的非线性放大回路（光纤耦合器、铒光纤及泵浦耦合器组成的非线性放大回路（NALM）充）
49、充当脉冲压缩和增益元件。当脉冲压缩和增益元件。NALM经输出耦合器一部分输出，一部分经光隔离经输出耦合器一部分输出，一部分经光隔离后反馈到后反馈到NALM的输入端，构成被动锁模。的输入端，构成被动锁模。理论和实验表明：光脉冲在激光器内展宽，而在掺铒光纤中成形。利理论和实验表明：光脉冲在激光器内展宽，而在掺铒光纤中成形。利用此装置已获得用此装置已获得314fs无基底的稳定脉冲，其泵浦功率为无基底的稳定脉冲，其泵浦功率为220mW，泵浦波长，泵浦波长为为980nm。9.5 9.5 光纤放大技术光纤放大技术光纤放大器的作用主要有三个方面：光纤放大器的作用主要有三个方面：a.可以在光纤传输期间补充功率
50、损耗，起光纤中继放大作用可以在光纤传输期间补充功率损耗，起光纤中继放大作用b.在通信模式上，光纤放大器适用于所有速率和线路码型传输系统在通信模式上，光纤放大器适用于所有速率和线路码型传输系统c.光纤放大器的信号处理过程只是光信号处理过程，不需要光电和光纤放大器的信号处理过程只是光信号处理过程，不需要光电和电光转换，无需区间通信和业务话路。电光转换，无需区间通信和业务话路。过去的再生中继器需要脉冲限幅、重新定时，和整形电子器件过去的再生中继器需要脉冲限幅、重新定时，和整形电子器件以及光探测器件和光发射器件，光纤放大器不需要这些转换，以及光探测器件和光发射器件，光纤放大器不需要这些转换，使光纤通信
