(激光器件课件）第五讲 光纤激光器..pptx

1、第五讲 光纤激光器第一章 光纤激光器简介第二章 光纤激光器的结构第三章 大功率双包层光纤激光器第四章 脉冲光纤激光器第一章 光纤激光器简介（一）光纤激光器的发展简史1963年，美国光学公司的E.Snitzer等提出了光纤激光器和 光纤放大器的构思。1970年后，光纤通信经历了研究开发阶段。19751984这 十年中，光纤通信进入了实用化阶段，低损耗的硅单模光 纤和半导体激光器等为光纤激光器的研制铺平了道路。20世纪80年代，英国的南安普顿大学的S.B.Poole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤。英国通信研究实验室（BTRL）于1987年报道了其研究结 果，并向人们展示了用各种定向耦合器制作

2、的精巧的光纤 激光器装置。（二）光纤激光器基本原理及特点光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而光 纤本身又起到导波作用的固体激光器。由工作物 质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。光与掺杂光纤的相互作用激射状态三能级激射 四能级激射光纤激光器结构（三）光纤激光器的分类半导体激光器的缺点：1.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以及输出光功率发生变化这，种现象称为激光器的结发热效应。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。2.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。3.某些半导体激光器在一

3、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。4.半导体激光器一致性很差，因此在作为WDM系统用光源 时筛选难度大。（四）光纤激光器的优点光纤激光器的优点：1.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。由此构成的 激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质 量好和线宽窄等特点；2.光纤激光器基质是SiO2，具有极好的温度稳定性；而光纤 结构具有较高的面积体积比，所以其散热效果很好。3.光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、性能价格比高。4.光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性

4、，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。与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生 的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。光纤激光器的优点：（五）光纤激光器的应用高功率掺镱光纤激光器（HPFL）与目前激光加 工中常用的二氧化碳激光器（CO2）、灯泵浦 YAG（LP-YAG）、半导体泵浦YAG激光器相 比，表现出突出的优点，特别是电光转换效率 高，光束质量好，泵浦源寿命长，使用方便，环境适应能力强，空气冷却等优点，使它在激 光应用技术领域中呈现出美好的应用前景。表1几类激光器性能的比较光纤激光器可用于材料

5、加工和制造不同材料加工所需光纤激光器功率:金属切割：500W2kW；金属焊接和硬焊：500W20kW；金属淬火和涂敷：220kW；玻璃和硅切割：500W2kW；聚合物和复合材料切割：200W1kW；快速印刷和打印：20W1kW；软焊和烧结：50500W；消除放射性沾染：300W1kW。材料加工应用范围与激光功率、光束参数关系示意图高功率材料加工激光打标包括半导体芯片/晶元片/集成电路/电子器件，医 疗器件，手机/计算机键盘，仪器面板/按键，服装 钮扣，香烟/食品包装等。CO2和YAG激光 器：体积大；高 功耗；短寿命；高维护费用；使 用不方便。掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命；低 成本，

6、免维护；光束质量好，工作面处功率密度 高；光纤传输到工作面，使用方便。深圳大族激光YLP-10光纤激光打标机YLP-10光纤激光打标机技术参数在线打标激光雕刻精密电子元器件精密金属标刻医疗器械精密切割在医用仪器中，实用化的典型例子有扩张器、内窥 镜和导管等的加工。所谓扩张器，就是治疗闭塞性疾病的器具的总称。例如冠状动脉血管用的扩张器。此外，还有胆管、食道 气、管、前列腺用的扩张器等。利用扩张器治疗疾病源于 美国。目前，我国未掌握心血管支架（coronary stent）的加工技术，进口支架价格昂贵，一个进口支 架的价格就将近2万元，整个手术的费用高达10多万元国，内很多患者不能得到治疗。据卫生

7、部统计，我国需要接 受心血管手术的病人已达400万人，但全国每年的手术 量尚不足4万例。支架尺寸非常小。比如血管支架的主要参数为：直 径0.8-2 mm、壁厚0.08-0.4 mm、网线宽度0.05-0.07 mm，切割加工精密+/-5m。这要求激光器必须有非常好的光束质量（M2接近于 1），以及非常小的聚焦光斑直径（小于15m）。另 外，还要求激光器的稳定性好。所有这些，都只有光纤激光器才能达到要求，比如用YAG激光器切割出来的支架，表面有毛刺现象，而且 热影响区大，影响了支架的弹性。心脏支架的切割及其应用（一）光纤知识复习（二）掺杂光纤（三）光纤激光器的谐振腔（四）掺稀土元素的光纤激光器（

8、五）超荧光光纤激光器(SFS)第二章 光纤激光器的结构（一）光纤知识复习一、光纤的结构玻璃包层，125um纤芯其保护作用的塑料 涂敷层，250umn1n2纤芯尺寸：单模光纤412m；多模光护纤套50颜/6 2色.5（m3 m。m光缆）：黄色是单模光纤；塑 橙套色保是护多层模尺光寸纤：。900m。纤芯包层涂层纤芯 core：折射率较高，用来传送光；高纯度SiO2+掺 杂剂如GeO2等。包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条 件（把光能量束缚在纤芯）；高纯度SiO2+掺杂剂如涂B覆2O套3。jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤；环氧树脂、硅橡胶和尼龙。纤芯和包层都用石英

9、作为基本材料，折射率差通过在纤 芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P的目的：折射率包层掺入B的目的：折射率二、光纤的分类1.按纤芯折射率分布1阶跃型光纤(SIF：Step Index Fiber)信号畸变大（色散）；2渐变型光纤(GIF：Graded Index Fiber)信号畸变小。2.按光纤的模式根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模 光纤和多模光纤两类。1多模光纤(MMF：Multi Mode Fiber)光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在 多个传导模式。多模光纤信号畸变大（色散），适 用于中距离、中容量的光纤通信系统；2单模光纤(SMF：Single Mode Fi

10、ber)光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式 单）模。光纤信号畸变很小，折射率分布与SIF相似用，于长适距离、大容量的光纤通信系统。(a)阶跃型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤3.按光纤构成的原材料分类 石英系光纤光子晶体光纤 塑料包层光纤 全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系列光纤。4.按光纤的套塑层分类 紧套光纤，900m；松套光纤，3mm。4.其他结构的单模光纤2a 2a2a 2a实际上，根据应用的需要，可以在常规单模光纤的基 础上设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典 型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布如下：n1n1n1 n2n2n2n3n3三、光纤传输的

11、分析方法几何光学方法波动光学方法适用条件l;由K(x)的性质可知，对于导波模，当r时，K(x)必须为零，即要求W0，k0n2。因此，导波模存在的条件是W0、U0，即传 播常数必须满足：2）边界条件和特征方程阶跃型光纤的波动理论分析就是以麦氏方程组 为基础，根据光纤的边界条件，从亥姆霍兹方程解 出阶跃型光纤中导波的场方程，在此基础上推导出 其特征方程，研究其导波模式，分析其传输特性。问题：由解的形式和传输条件无法确定光纤中的模式 特性，在光纤的基本参数确定的情况下，还必须确 定参数U、W和的值。解决办法：可以利用边界条件导出满足的特征方程，由特 征方程确定场表达式中的参数U、W和。纤芯和包层界面

12、，即r=a处，有因此，由边界条件导出满足的特征方程如下：特征方程是反映导波模涉及到到的参数U、W和之 间相互关系的方程。3）光纤中的特征导模TEM模TEM模在波导的传播方向Z上既没有电场分量，又 没有磁场分量，即Ez0、Hz0，光纤中根本不存在模T。EMEz、Hz连续E、H 连续TEm、TMm模下标表示电场沿圆周方向的变化周数，m表示电 场沿径向方向的变化周数。当=0时，场在圆周方向无变化，此时场的型式a)T E有0 m：（横电模）:纵轴方向只有磁场分量、横截面上只有电场分量的 电磁波。Ez=0=Er=H 纵轴方向没有电场分量、而 横截面上没有磁场分量，而分量E 横截面有电 场分量、Hr Hz

13、 纵轴方向有磁场分量)；b)TM0m（横磁模）：纵轴方向只有电场分量、横截面 上只有磁场分量的电磁波。Hz=0=Hr=E 纵轴方向 没有磁场分量、而横截面上没有电场分量，而H横截面上有磁场分量、Er Ez 纵轴方向有电 场分量)。HEm、EHm模纵轴方向既有电场分量又有磁场分量，是横电 模和横磁模的混合。当0时，Ez0、Hz，此时为混合模。问题：H和E谁在前？谁大谁在前，但实际上它们都很小，很难区分 谁大谁小。当特征方程取“-”时，HEm；特征方程取“+”时，EHm。无论是TE、TM还是HE/EH模，当和m的组合 不同，表示的模式也不同。单模光纤中只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图

14、类似于左上角的截 面图：根据边界条件导出的特征方程由数值求解法可 解得值，这些值包含了许多离散的电磁场模式：TE0m，TM0m，HEm和EHm，它们反应了模式归一 化传输常数随归一化频率V的关系。102345n1n2/k10HE11TE01TM01EH11HE12HE31b2.405HE213.832V012345n1/k1n20HE11TE01TM01EH11HE12HE31b2.405HE213.832V数值计算表明（上图），只有HE11模式的截止 频率为0，即截止波长无穷大。HE11模式是任何光 纤中都存在、永不截止的模式，因此HE11模称作主 模或基模。就是阶跃折射率光纤单模传输的条件

15、。n1n2/k10HE11TE01TM01EH11HE12HE312.405HE213.832012345V若光纤的归一化频率V2.405以后，TE01开始出现，紧接着TM01，HE21模也开始出现，也就是说，光纤中传输模式的数量完全由归一化频 率V决定，而这个结构参数V又由纤芯和包层的折射 率差、纤芯半径以及传输的光信号波长决定。102345n1n2/k10HE11TE01TM01EH11HE12HE31b2.405HE213.832V由动画可以很直观地看出：阶跃光纤的传输条件随 着光纤结构参数的变化而变化，在光纤纤芯可以传输的 模式数量也发生变化。当V2.405时，光纤可支持 多个模式。若

16、用M表示多模 光纤的模式总数，当M比较 大的时候，M与V之间存在 近似关系：3、近似解LP模（Linearly Polarized Mode）LP模是1971年Glogy D.提出来的光纤中传输模式的 近似解。数值计算图是在弱导近似条件下得到的。Glogy D.提出的LP模式的基本出发点：不考虑TE、TM、EH和HE模的具体区别，仅考虑它们的传输常数，并用LP模把所有弱导近似下传输常数相近的模式在直角 坐标系进行线性组合叠加，得到LP模，使问题简单化，如此一来，主模HE11对应的是LP01模，表2.2。1023n1n2/k10HE11TE01TM01EH11HE12 HE315b2.405HE231.8324VLP模传统模式LP01HE11LP11HE21,TE01,TM01LP21HE31,EH11LP02HE12LP31HE41,EH21LP12HE22,TE02,TM02LP1mHE2m,TE0m,TM0mLPm(0或1)HE+1,m,EH-1,m*属于同一个LP模的模式的横向场强（Ex或Ey）相等。4.单模光纤只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模 光纤只能传输基模(最低阶模