非线性光学——掺铒光纤激光器介绍

1、掺铒光纤激光器介绍1 光纤简介光纤简介 主要光纤产品介绍主要光纤产品介绍 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器内内 容容21. 1. 光光 纤纤 简简 介介31. 光光 纤纤 简简 介介什么是光纤（什么是光纤（optical fiber)optical fiber)？ 光纤是光纤是光导纤维光导纤维的简称。光纤是以的简称。光纤是以光脉冲光脉冲的的形式来传输信号，材质以形式来传输信号，材质以玻璃或有机玻璃玻璃或有机玻璃为主的为主的网络传输介质网络传输介质。 电 信电 信号号光光 发发送送 机机光光 接接受受 机机电 信电 信号号光纤光纤4光纤结构光纤结构 光纤由三部分组成：光纤由三部分组成：芯层（芯层（c

2、orecore）包层（包层（claddingcladding）涂覆层（涂覆层（coatingcoating） 内层（内层（buffer layer） 外层（外层（top layertop layer） 芯层芯层: SiO2+Ge+F : SiO2+Ge+F 包层包层: SiO2+F: SiO2+F内涂覆层内涂覆层: :丙烯酸树脂丙烯酸树脂 外涂敷层外涂敷层: :丙烯酸树脂丙烯酸树脂1. 光光 纤纤 简简 介介5光纤分类光纤分类光纤信号处理光纤信号处理光纤光纤通通 信用信用光纤光纤非非 通信通信用光纤用光纤单模光纤（单模光纤（SM）多模光纤（多模光纤（MM）特种光纤特种光纤光纤传感光纤传感光纤测

3、量光纤测量其它光学系统其它光学系统1. 光光 纤纤 简简 介介61. 光光 纤纤 简简 介介模式（模式（mode）概念）概念 模式是指光的在模式是指光的在光纤中光纤中的的传输方式传输方式（电磁场分（电磁场分布形式）。布形式）。 光纤中能够传导的模式是由光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数光纤结构参数所决所决定的。外界激励只能激励起光纤中定的。外界激励只能激励起光纤中允许存在的模式允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。而不会改变模式的固有性质。 模式是光模式是光波动方程的解波动方程的解。它对应于波动方程某。它对应于波动方程某一本征值并满足全部边界条件。每一个模式对应于一本征值并满足全部边界条件

4、。每一个模式对应于沿光纤轴向传播的一种电磁波。沿光纤轴向传播的一种电磁波。7单模与多模光纤单模与多模光纤阶跃型多模单模光纤1. 光光 纤纤 简简 介介8光纤几何尺寸光纤几何尺寸 芯径芯径 单模光纤：单模光纤： 10um;10um; 多模光纤：多模光纤： 50um/62.5um50um/62.5um包层直径包层直径 普通光纤：普通光纤： 125um涂覆层直径涂覆层直径 普通光纤普通光纤 内层内层 170200um 外层外层 245um1. 光光 纤纤 简简 介介125um245um9光纤工作原理光纤工作原理 光纤利用光在光纤利用光在界面上的全反射原界面上的全反射原理进行工作。理进行工作。1. 光

5、光 纤纤 简简 介介10多模多模芯层芯层包层包层芯层芯层包层包层G.652G.6551. 光光 纤纤 简简 介介11光纤通信特点光纤通信特点1. 光光 纤纤 简简 介介优点：优点： 信号损耗小，中继距离长；信号损耗小，中继距离长； 光纤为绝缘体不受电磁干扰；光纤为绝缘体不受电磁干扰； 玻璃光纤不产生电磁场，保密性高；玻璃光纤不产生电磁场，保密性高； 重量轻，易于施工和运输；重量轻，易于施工和运输；缺点：缺点： 光纤制造工艺复杂，生产成本较高；光纤制造工艺复杂，生产成本较高； 光纤连接复杂；光纤连接复杂； 配套光器件价格较高配套光器件价格较高122. 主要光纤产品主要光纤产品132. 主要光纤产

6、品主要光纤产品DCF光纤光纤光纤光纤 普普 通通 光光 纤纤 特特 种种 光光 纤纤单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤保偏光纤保偏光纤大芯径光纤大芯径光纤光子晶体光纤光子晶体光纤产品分类产品分类142. 主要光纤产品主要光纤产品普通单模光纤普通单模光纤(G652A/B)特点：特点：q 光纤中只传导基模光纤中只传导基模 ；q 芯径小，传输带宽高；芯径小，传输带宽高；q 熔接和耦合困难，对光源要求高；熔接和耦合困难，对光源要求高；q 制造工艺简单。制造工艺简单。单模光纤单模光纤LP00CladdingCore152. 主要光纤产品主要光纤产品多模光纤多模光纤(GIMM)的折射率分布（的折射率分布（G

7、651)折射率分布公式折射率分布公式n2(r)=n21-2(r/a)gg1 三角形分布；三角形分布；g2 抛物线型分布；抛物线型分布；g 阶跃型分布阶跃型分布corecladding16多模光纤多模光纤12CladdingCore2. 主要光纤产品主要光纤产品渐变型多模光纤（渐变型多模光纤（GIMMGIMM）特点：特点：q 光纤中传导多个模式光纤中传导多个模式 ；q 芯径大，模间色散大；芯径大，模间色散大；q 易于耦合，对光源要求低；易于耦合，对光源要求低；q 制造工艺复杂。制造工艺复杂。172. 主要光纤产品主要光纤产品各种光纤的用途各种光纤的用途单模光纤：单模光纤：q普通单模：高速率、长距

8、离传输通信主干网。普通单模：高速率、长距离传输通信主干网。多模光纤：多模光纤：q50um50um多模：局域网通信、音多模：局域网通信、音/ /视频信号传输和数据传输。视频信号传输和数据传输。q62.5um62.5um多模：多模：局域网通信（北美地区使用较多）。局域网通信（北美地区使用较多）。182. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介保偏光纤特点：保偏光纤特点：q 双折射率高，保双折射率高，保偏性能好偏性能好 ；q 衰耗低；衰耗低；q 弯曲稳定性好；弯曲稳定性好；保偏光纤应用：保偏光纤应用：q 光纤陀螺光纤陀螺 ；q 偏振敏感器件；偏振敏感器件；q 偏振传感器；偏振传感器；熊猫型

9、保偏光纤熊猫型保偏光纤192. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介DCFDCF光纤特点：光纤特点：q 负色散值（反色负色散值（反色散光纤）散光纤） ；q 高色散斜率；高色散斜率；q 芯径小，相对折芯径小，相对折射率高；射率高；17DispersionWavelength-130SM fiberDCF fiber1550nm1310nm202. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介大芯径光纤特点：大芯径光纤特点：q 光纤芯径大（可达到光纤芯径大（可达到190um190um以上），以上），NANA值大值大 ；q 与光源间的光耦合效率高；与光源间的光耦合效率高；q 允许更高

10、的光源密度；允许更高的光源密度；大芯径光纤应用：大芯径光纤应用：q 工业局域网工业局域网 ；q 光纤传感；光纤传感；q 激光能量传输；激光能量传输；212. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCFPCF）：）：223. 3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器23 19161916年，爱因年，爱因斯坦提出了斯坦提出了“受激受激辐射辐射”的概念，奠的概念，奠定了激光的理论基定了激光的理论基础。础。 19581958年，贝尔实验室的年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。发展的

11、基础。 3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器3.1 激光器简介激光器简介 这两次发明开创了传统的固体激这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子激体激光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。特光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。

12、和微电子为主的信息时代。 19621962年，年，HeHeNeNe气体激光器在美气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。国贝尔实验室研制成功。 19601960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(T. H. Maiman)(T. H. Maiman)发明了世界上发明了世界上第一台红宝石激光器。第一台红宝石激光器。 Maiman Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示表示“受激辐射的光放大受激辐射的光放大” Laser

13、19641964年年1010月，物理学家钱学森建议称之为月，物理学家钱学森建议称之为-激光激光工作物质工作物质 ：实现粒子数反转实现粒子数反转激励源：激励源：使原子被激发使原子被激发 谐振腔：谐振腔：光放大作用光放大作用l 方向性好方向性好：激光器发出的激光发射角很小，接近于一毫弧度，只有一激光器发出的激光发射角很小，接近于一毫弧度，只有一般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外，光束的直径也不般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外，光束的直径也不过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。l 单色性好：单色性好

14、：激光具有很好的单色性，是普通光源完全达不到的。在激光激光具有很好的单色性，是普通光源完全达不到的。在激光出现之前，以同位素出现之前，以同位素8686KrKr灯的单色性最好，谱线宽度为灯的单色性最好，谱线宽度为1010-4-4nmnm的量级，而最普通的量级，而最普通的氦氖激光器所输出的红色激光的氦氖激光器所输出的红色激光(632.8(632.8纳米纳米) )的谱线宽度达到的谱线宽度达到1010-8-8nmnm的数量级。的数量级。现代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。现代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。l 相干性好：相干性好：就氦氖激光而言，其相干长度可达就氦氖激光而言，其相干长度

15、可达400km400km。l 能量密度大能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功率仅为率仅为1 1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强100100倍；而一台巨型脉冲固体激光倍；而一台巨型脉冲固体激光器的亮度可比太阳亮度高器的亮度可比太阳亮度高100100亿倍。亿倍。 固体激光器：固体激光器：把金属离子掺入晶体或玻璃基质中把金属离子掺入晶体或玻璃基质中按工作物质分类按工作物质分类气体激光器：气体激光器：原子气体、分子气体和离子气体原子气体、分子气体和离子气体液体激光器：液体激光器：有机染料溶液

16、和无机化合物溶液有机染料溶液和无机化合物溶液半导体激光器：半导体激光器：半导体材料半导体材料红宝石红宝石激光器激光器氦氖激光器氦氖激光器氩离子激光器氩离子激光器染料激光器染料激光器3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器303.2 掺铒光纤激光器背景介绍背景介绍掺铒光纤激光器的可行性在1987年被美国的贝尔实验室及英国南安普顿大学两家机构所证实，成功放大了掺铒单模光纤中的光信号，实现了半导体激光器向光纤激光器的转化。目前，通信领域中大量使用了掺铒光纤激光器，因为它有小型轻量化，高增益，高效率和容易产生非线性光学效应的特点。3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器313.3 实验原理与方法实验原理与方法锁模

17、激光器的典型结构锁模激光器的典型结构3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器323.3 实验原理与方法实验原理与方法锁模原理锁模原理对自由运转激光器而言，在其增益谱线范围内多个纵模总是同时振荡。由于各个振荡模皆由不同的自发辐射噪声光子经增益介质放大形成，因此各个模式的振幅和初始相位无确定的关系，它们之间互不相干。在时域上，输出激光表现为随时间的无规则起伏，在这种情况下激光器工作在多纵模 CW 运转状态。然而利用锁模技术对激光进行特殊的调制，使不同纵模具有确定的相位关系，可以产生超短脉冲3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器333.3 实验原理与方法实验原理与方法可饱和吸收体非线性吸收示意图可饱和吸收体非

18、线性吸收示意图3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器343.3 实验原理与方法实验原理与方法3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器353.3 实验原理与方法实验原理与方法NPR 技术锁模示意图技术锁模示意图3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器36非线性偏振旋转效应：光通过偏振相关隔离器后变成线偏振光，PC1将线偏振光变为椭圆偏振光，光纤的非线性效应作用在两个正交偏振分量上，使光的偏振态发生变化。由于非线性相移是强度相关的，通过调节PC2，使得光再一次通过偏振相关隔离器时，较大的光强度损耗小，较小的光强损耗大，最后实现脉冲输出。3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器373.3 实验原理与方法实验原理与方法PART ONEPART TWO980 nm LDWDM滤波器滤波器输出输出3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器383.4 滤波器的设计滤波器的设计3. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器39基于锥形保偏光纤的可调谐光纤滤波