【正文】 0nm、 1060nm、 1536nm波長處得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約 10m）。 Er3+ Nd3+ 摻雜光纖的激光特性 ? 摻鉺的三能級系統(tǒng)： 基態(tài) E 亞穩(wěn)態(tài) E 高能級 E3。從 E3 —— E1 ， 泵浦幾率為 WP， 躍遷幾率為 WP 。 ? E3 非輻射 —— E2 ， 幾率為 S32； E3 自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射 —— E2 、 E1 ， 幾率為 A3 A3 S31。 ?選擇工作物質(zhì)要求： A3 A31和 S31 ?? S32 以及 S32 ?? WP(31) ， ? N2 ? N1。 一般選擇 A21較小的工作物質(zhì) 。 A32 ?因此有 速率方程組 ： dN3/dt=(N1N3) WP N2 S32 dN2/dt=N1 W12 +N3 S32–N2 W21 –N2(A21 +S21) N1+N2 +N3= Nt Nt是工作介質(zhì)內(nèi)的總粒子數(shù)密度 。 這三個方程為三能級系統(tǒng)的速率方程組 。 可見 ， 只要 WP(13)足夠大 ， 就能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ， 摻稀土光纖就變成激活介質(zhì) ， 對頻率為(E2E1 )/h的信號具有放大作用 。 一、 F—— P腔 M1: 對泵浦光高透；對激光高反 M2: 對激光高反（低增益系統(tǒng) ??95%；高增益系統(tǒng) ? ? 75%） 理論 —— 波動光學(xué)。假設(shè)： 諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折射率弱波導(dǎo)光纖。 光纖激光器的諧振腔 光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強(qiáng)為： 要保證激光在腔內(nèi)振蕩 ， 要求： 反射光與入射光發(fā)生干涉 ， 為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩 ， 要求干涉加強(qiáng) 。 則腔長與波長滿足 (駐波條件 )： ])(2[e x p021 LGIrrI ni???)(2 1 21 rrnlLG ni ?? ?12 nqL ??增益系數(shù) 平均損耗系數(shù) 縱模和橫模 —— 在腔內(nèi) ， 軸向駐波場為腔的本征模式光場 。 特點(diǎn)：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布； 軸線方向形成駐波 ， 稱為縱模 。 節(jié)數(shù)為 q， 為縱模序數(shù) 。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布 ， 稱為橫模 ， 用LPml表示 ， 為線性偏振模 。 m為方位數(shù) ， 表示垂直光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角 ?從 0到 2p光場的變化數(shù) （ 節(jié)線數(shù) ） 。 l為徑向模數(shù) ， 表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù) (節(jié)線數(shù) )。 LP01表示基模 ， 它的角向徑向 節(jié)線數(shù) 沒有變化 ， 為圓形光斑 。 二 、 基于定向耦合器的諧振腔和反射器 光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由 1端進(jìn)入 ， 經(jīng)耦合器進(jìn)入環(huán)行腔 。 激勵的激光與泵光無關(guān) 。產(chǎn)生的激光由 4端到 3端 。 經(jīng)耦合器分為 2束：一束從 2端輸出；另一束由 4端返回并被諧振放大；如此反復(fù) 。 其中儲存了能量 。 摻雜光纖 耦合器： 4端出射光比 1端入射光停滯后 p/2。 光纖圈反射器 普通單模光纖 制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下 單模 運(yùn)行 ，在兩個輸出端與輸入端之間 存在固定相位差 ， 交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位 p /2。 光纖圈的功率反射率 R、 透射率 T為： 從 2端的透射功率總和為 0： 1?3?4? 2 的的順時針光 場相位差為 0， 與從 1? 4 ? 3 ? 2的逆時針光場的相位差為 π。 兩光場因?yàn)檎穹嗤?、 相位相反 而抵消 ， 總和為 0 。 光從 1返回 。 SMF 2221221222211)21()1()1(4)1(kerTTTkkerRRRalla???????????? 光纖 圈 諧振腔 光纖圈為 非諧振的干涉儀 結(jié)構(gòu)。注意 分束器的取向 。 其中沒有能量儲存 。 透射 反射 inrintPkkPPkP)1(4)21( 2????：反射功率與透射功率為反射 透射 光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射 。 全光纖激光器 兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔， 通過一條摻雜光纖熔錐而成的 全光纖激光器 。 激光器要實(shí)現(xiàn)振蕩， 要求光纖圈提供正反饋。 由此得到諧振腔的有效腔長為： 為整數(shù)。mmLLLL ,4)12(22 21 ??????L1 L2 L 摻雜光纖 三 、 可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有 較寬的波長調(diào)節(jié)范圍 ， 比染料激光器的 化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定 ， 不需低溫運(yùn)行 ， 潛在應(yīng)用價值顯著 。 1. 反射鏡 +光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵 ， 若對激光中心的閃耀級次為 M級 ， 閃耀角為?， 光柵常數(shù)為 d， 則光柵方程為： ?????dMddMdc o s2s i n2?? 只要轉(zhuǎn)動衍射光柵 ，使光束相對于光柵法線的入射角在 ? 附近變化 ， 就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波長 ?。 ? 可調(diào)諧激光器 采用這種結(jié)構(gòu) ， 利用 氬 離 子 激 光 器 的514nm的光作為泵浦光 ，分別激勵 摻鉺 光纖及 摻釹 光纖 ,可調(diào)諧的波長范圍分別為 25nm和 80nm。 由于分束器與光學(xué)元器件帶來了腔內(nèi)損耗 ，導(dǎo)致閾值功率提高 。 14 nm 11 nm 四、 (反射鏡 +光纖圈反射器形式 )可調(diào)諧輸出激光器 光纖圈的功率反射率為： TTeTPTRR L?????? ?????? ?)()1()](22[s i n),( 222激光反射率大于 95% 泵浦光反射率為 5% 通過改變溫度來調(diào)節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達(dá)到激光諧振放大。 五、窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用： 達(dá)到窄帶輸出。 ?B是布拉格波長， d是光柵周期， ne是有效折射率。 dn eB 2??激光線寬 nm 六、光纖 FoxSmith諧振腔 一般地， 1—— 4段及 1—— 3段的諧振頻率不同。復(fù)合腔的縱模頻率間隔為： 選擇適當(dāng)?shù)?l l4以致于在 整個熒光線寬內(nèi)只有一個 縱模在振蕩。則可以 實(shí)現(xiàn) 單縱模運(yùn)轉(zhuǎn) 。 )(2243 llnf ??D 摻稀土元素的光纖激光器 1)以 980 nm的半導(dǎo)體光源作為泵浦源； 2)摻 Er 3+光纖中 Er 3+的受激輻射產(chǎn)生Laser。 一、摻 Er 3+光纖激光器的示例 Er 3+的三能級系統(tǒng) 能級分裂 由合適長度的摻 Er 3+光纖、 980nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻 Er 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學(xué)的 L. Reekie教授于 1987年實(shí)現(xiàn) 。 斜率效率 =輸出功率 /吸收功率 % =% 輸入鏡 輸出鏡 吸收功率 mW 二、摻 Nd3+光纖激光器的示例 由合適長度的 摻 Nd 3+光纖、 800nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔 構(gòu)成。 世界上第一臺摻 Nd 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學(xué)的. Mears教授于 1985年實(shí)現(xiàn)。 4F 5/2 4F 3/2 Er 3+ 、 Nd 3+的吸收與輻射 GaAs激光二極管的輸出功率 mW 光纖激光器輸出功率/mW 泵浦功率與光纖激光器的輸出功率 優(yōu)點(diǎn)： 1. 不需要水冷即可工作； 2. 不容易飽和 。 分類： 根據(jù) 泵浦光與超熒光傳播方向 的異同 ，以及 光纖兩端是否存在反射分類 。 超熒光光纖激光器 (Superfluorescent Fiber source) 單程反向 雙程前向 單程前向 雙程反向 原理： 由于泵浦光的激勵 ， 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 如果亞穩(wěn)態(tài)的粒子自發(fā)輻射 ， 產(chǎn)生光子的傳輸在光纖接收角內(nèi) ，就能夠在光纖內(nèi)傳輸 ， 誘發(fā)許多亞穩(wěn)態(tài)的粒子受激輻射躍遷 ， 并產(chǎn)生完全相同的光子而放大 。 如果光纖的增益足夠 ， 就稱之為放大的自發(fā)輻射 （ Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。 特點(diǎn)：與普通光纖激光器相比 ， 沒有諧振腔 。 SFS的原理、特點(diǎn) 雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器 輸出功率與摻鉺光纖長度的關(guān)系 超過最佳長度將被再吸收 不同長度光纖的泵浦功率與波長的關(guān)系 光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關(guān)系 DPF: 因?yàn)?1535nm處的 ASE信號比 1550nm處的 ASE信號增長快 ， 所以小的反射率也有大的帶寬 ． DPB: 反射率達(dá)到 50%時 ， 1535nm處的 ASE信號飽和 ， 而 1550nm處的ASE信號繼續(xù)增強(qiáng) ， 所以帶寬增加 。