集成光电子器件lpl(第三章光纤激光器)ppt课件.ppt

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1、第三章光纤激光器§3.1光纤激光器基本概述§3.2稀土掺杂光纤激光器§3.2.1掺铒光纤激光器§3.2.2掺镱光纤激光器§3.2.3Er/Yb共掺光纤激光器§3.3非线性光纤激光器§3.4双包层光纤激光器§3.1光纤激光器基本概述半导体激光器的缺点：半导体激光器对温度敏感。环境温度的变化和注入电流的热效应都会使激光器的阈值电流、外微分量子效率发生变化，并产生结发热效应，导致输出光功率发生变化。为此必须采取各种复杂的控制措施和插入各种必要的辅助设备。半导体激光器与光纤的耦合比较困难，需要很高的工艺水平，即便如此，仍有较大的耦合损耗。某些半导体激光

2、器在一定注入电流下，输出光会出现自脉动现象，严重影响着激光器的高速脉冲调制性能。光纤激光器的优点：光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度，使得激光效率大幅度提高；基于SiO2光纤的生产工艺现在也已经非常成熟，可以制作出高精度、低损耗的光纤。光纤激光器基质是SiO2，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。光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性，因此易于进行光纤集成，与通信线路耦合损耗低，使用方便可靠。20世纪60年代初，法国的Smitzer首次提出光纤激光器的概念。70年代初美国

3、、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。1975年至1985年，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：国外：英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果累累；国内：清华大学、北京大学、中国科技大学、南开大学、上海科技大学、南京理工大学、天津大学、电子部和邮电部等单位的研究工作也取得了很大进展。光纤激光器的发展20世纪80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化。90年代

4、初，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4－5个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。光纤激光器的分类按激光产生机理分类掺稀土元素的光纤激光器：掺铒（Er3+）、镱（Yb3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、铥（Tm3+）等非线性效应光纤激光器：受激拉曼散射光纤激光器受激布里渊散射光纤激光器按谐振腔结构分类F-P腔光纤激光器DFB光纤激光器DBR光纤激光器按光纤结构分类单包层光纤激光器双包层光纤激光器§3.2稀土掺杂光纤激光器稀土元素包括15种元素。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Yb3+、Pr3+

5、、Tm3+等。掺铒光纤激光器在1.55m波段具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口。由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。掺镱光纤激光器在1.0-1.2m波长具有很高的增益，Yb3+具有相当宽的吸收带(800—1064nm)以及相当宽的激发带(970—1200nm)，故泵浦源选择非常广泛，泵浦源和激光都没有受激态吸收。掺铥光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。T．Komukai等人获得了输出功率100mw、斜率效率59％的1.47m掺Tm3+光纤激光器。其它的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(H

6、o3+)光纤激光器，由于水分子在2.0m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。掺铒光纤激光器工作在石英光纤最低损耗波长1.55m处，调谐范围50nm，可供多路光频复用，适于通讯应用，是目前研究最彻底、应用最广泛的一种光纤激光器。§3.2.1掺铒光纤激光器激光器产生激光的三个先决条件：增益介质激励源光学谐振腔1.增益介质Er3+离子产生光放大效应的能级有三个：激发态、亚稳态、基态，属三能级系统；铒离子的能级结构铒离子（Er3+）能级结构4I11/24I13/2

7、4I15/2980nm泵浦1480nm泵浦无辐射跃迁1550nm基态高能态亚稳态——掺铒光纤强泵浦光将大部分处于基态的Er3+离子泵浦到激发态上;处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上；由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。用1550nm波长的光信号激发亚稳态的电子，发生受激辐射，产生与输入信号光完全相同的光子，实现信号光放大。产生光放大的过程：铒离子（Er3+）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.泵浦方式泵浦

8、光波长有：820nm、980nm和1480nm三种。因为980nm的泵浦源具有突出优点：噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等。铒离子（Er3