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光纤激光器的原理

发布时间:2020-04-21 13:51 点击数:

光纤激光器利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器,因此光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。由于光纤激光器中光纤纤芯很细,在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。因此,当适当加进正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽的荧光谱,因此,光纤激光器一般都可做成可调谐的,非常适合于WDM系统应用。

  和半导体激光器相比,光纤激光器的优越性主要体现在:光纤激光器是波导式结构,可容强泵浦,具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性,易于实现和光纤的耦合。

光纤激光器的工作原理

以稀土掺杂光纤激光器为例,掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质,掺杂光纤固定在两个反射镜构成谐振腔。当泵浦半导体激光通过光纤时,光纤中的稀土离子吸收泵浦光,其电子被激励到较高的激光能级上,实现了粒子反转,反转后的粒子以辐射形式从高能级转移到基态,输出激光。

光纤激光器的原理特性

由于光纤激光器采用的工作介质具有光纤的形式,其特性要受到光纤渡导性质的影响。进入到光纤中的泵浦光一般具有多个模式,而信号光电可能具有多个模式,不同的泵浦模式对不同的信号模式产生不同的影响,使得光纤激光器和放大器的分析比较复杂,在很多情况下难以得到解析解,不得不借助于数值计算。光纤中的掺杂分布对光纤激光器也产生很大的影响,为了使介质具有增益特性,将工作离子(即杂质)掺杂进光纤。一般情况下,工作离子在纤芯中均匀分布。但不同模式的泵浦光在光纤中的分布是非均匀的。因而,为了提高泵浦效率,应该尽量使离子分布和泵浦能量的分布相重合。在对光纤激光器进行分析时,除了基于前面讨论的激光器的一般原理,还要考虑其自身特点,引入不同的模型和采用特殊的分析方法,以达到最好的分析效果。

  和传统的固体、气体激光器一样,光纤激光器也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器,增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤,谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔,也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤,增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发发射。所产生的自发发射光经受激放大和谐振腔的选模作用后,最终形成稳定激光输出。

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