非线性光学掺铒光纤激光器介绍

掺铒光纤激光器介绍1内容21.光纤简介31.光纤简介•什么是光纤（opticalfiber)？光纤是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输信号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。电信号光发送机光接受机电信号光纤4•光纤结构光纤由三部分组成：◆芯层（core）◆包层（cladding）◆涂覆层（coating）－内层（bufferlayer）－外层（toplayer）芯层:SiO2+Ge+F包层:SiO2+F内涂覆层:丙烯酸树脂外涂敷层:丙烯酸树脂1.光纤简介5•光纤分类光纤信号处理光纤通信用光纤非通信用光纤单模光纤（SM）多模光纤（MM）特种光纤光纤传感光纤测量其它光学系统1.光纤简介61.光纤简介•模式（mode）概念模式是指光的在光纤中的传输方式（电磁场分布形式）。光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数所决定的。外界激励只能激励起光纤中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。模式是光波动方程的解。它对应于波动方程某一本征值并满足全部边界条件。每一个模式对应于沿光纤轴向传播的一种电磁波。7•单模与多模光纤阶跃型多模单模光纤1.光纤简介8•光纤几何尺寸★芯径单模光纤：10um;多模光纤：50um/62.5um★包层直径普通光纤：125um★涂覆层直径普通光纤内层－170～200um外层－245um1.光纤简介125um245um9•光纤工作原理光纤利用光在界面上的全反射原理进行工作。1.光纤简介10•光纤剖面折射率示意图多模芯层包层芯层包层G.652G.6551.光纤简介11•光纤通信特点1.光纤简介优点：信号损耗小，中继距离长；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；重量轻，易于施工和运输；缺点：光纤制造工艺复杂，生产成本较高；光纤连接复杂；配套光器件价格较高122.主要光纤产品132.主要光纤产品DCF光纤光纤普通光纤特种光纤单模光纤多模光纤保偏光纤大芯径光纤光子晶体光纤•产品分类142.主要光纤产品•普通单模光纤(G652A/B)特点：光纤中只传导基模；芯径小，传输带宽高；熔接和耦合困难，对光源要求高；制造工艺简单。单模光纤LP00CladdingCore152.主要光纤产品•多模光纤(GIMM)的折射率分布（G651)折射率分布公式n2(r)=n2[1-2Δ(r/a)g]g＝1三角形分布；g＝2抛物线型分布；g＝∞阶跃型分布corecladding16多模光纤12CladdingCore2.主要光纤产品•渐变型多模光纤（GIMM）特点：光纤中传导多个模式；芯径大，模间色散大；易于耦合，对光源要求低；制造工艺复杂。172.主要光纤产品•各种光纤的用途单模光纤：普通单模：高速率、长距离传输通信主干网。多模光纤：50um多模：局域网通信、音/视频信号传输和数据传输。62.5um多模：局域网通信（北美地区使用较多）。182.主要光纤产品•特种光纤简介保偏光纤特点：双折射率高，保偏性能好；衰耗低；弯曲稳定性好；保偏光纤应用：光纤陀螺；偏振敏感器件；偏振传感器；熊猫型保偏光纤192.主要光纤产品•特种光纤简介DCF光纤特点：负色散值（反色散光纤）；高色散斜率；芯径小，相对折射率高；17DispersionWavelength-130SMfiberDCFfiber1550nm1310nm202.主要光纤产品•特种光纤简介大芯径光纤特点：光纤芯径大（可达到190um以上），NA值大；与光源间的光耦合效率高；允许更高的光源密度；大芯径光纤应用：工业局域网；光纤传感；激光能量传输；212.主要光纤产品•特种光纤简介光子晶体光纤（PCF）：223.掺铒光纤激光器231916年，爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。3.掺铒光纤激光器3.1激光器简介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和微电子为主的信息时代。1962年，He－Ne气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。MaimanLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation表示“受激辐射的光放大”Laser1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-----激光工作物质：实现粒子数反转激励源：使原子被激发谐振腔：光放大作用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。单色性好：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86Kr灯的单色性最好，谱线宽度为10-4nm的量级，而最普通的氦氖激光器所输出的红色激光(632.8纳米)的谱线宽度达到10-8nm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。相干性好：就氦氖激光而言，其相干长度可达400km。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，一支功率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强100倍；而一台巨型脉冲固体激光器的亮度可比太阳亮度高100亿倍。固体激光器：把金属离子掺入晶体或玻璃基质中按工作物质分类气体激光器：原子气体、分子气体和离子气体液体激光器：有机染料溶液和无机化合物溶液半导体激光器：半导体材料红宝石激光器氦氖激光器氩离子激光器染料激光器3.掺铒光纤激光器303.2掺铒光纤激光器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313.3实验原理与方法锁模激光器的典型结构3.掺铒光纤激光器323.3实验原理与方法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333.3实验原理与方法可饱和吸收体非线性吸收示意图3.掺铒光纤激光器343.3实验原理与方法3.掺铒光纤激光器353.3实验原理与方法NPR技术锁模示意图3.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373.3实验原理与方法PARTONEPARTTWO980nmLDWDM滤波器输出3.掺铒光纤激光器383.4滤波器的设计3.掺铒光纤激光器39基于锥形保偏光纤的可调谐光纤滤波器，并结合非线性偏振旋转效应实现可调谐的调Q掺铒光纤激光器，通过参数优化，调节偏振控制器就能实现波长调谐的调Q脉冲输出。3.掺铒光纤激光器403.5脉冲掺铒光纤激光器3.掺铒光纤激光器41原理：3dB耦合器OC1将入射光分成幅值相等传播方向相反的两束，由于增益光纤的非对称放置，使得这两束光在非线性光纤环中传输时积累不同的依赖于光功率的非线性相移，当再次通过3dB耦合器时产生相干叠加，使得高功率光是相长干涉，低功率光是相消干涉，出现自饱和吸收效应，实现光脉冲激光输出。3.掺铒光纤激光器42谢谢43