第五章光纖激光器光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質，而該光纖本身又起到導波作用的固體激光器。由工作物質、諧振腔、泵浦源三個基本部分組成。優點：散熱性能好、轉換效率高、激光閾值低；諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合器、光纖圈等。可獲得寬帶的可調諧激光輸出，并調節激光輸出。光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗窗口。本章主要內容：§1摻雜光纖§2光纖激光器的諧振腔§3摻稀土元素的光纖激光器§4超熒光光纖激光器(SFS)§1摻雜光纖一、摻雜元素摻稀土元素——鑭系[Xe6S2]，外層都為為5S25P66S2鑭系元素電子結構的差別只在4f殼層的電子占有數。1、摻雜濃度最佳在100ppm量級。太低：摻雜離子的總有效數小于入射光子數，激發態可能被耗盡。太高：稀土離子之間出現非輻射的濃度抑制，躍遷產生激光的能級上有效粒子數減少；導致玻璃基質產生結晶效應，不利于產生激光。二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er3+、Nd3+的電子能級4I13/24I15/2Er3+Nd3+能級分裂4F5/24F3/24F5/22、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、1350nm波長處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、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+因此有速率方程組：

dN3/dt=(N1-N3)WP-N2S32dN2/dt=N1W12+N3S32–N2W21–N2(A21+S21)N1+N2+N3=

NtNt是工作介質內的總粒子數密度。這三個方程為三能級系統的速率方程組。可見，只要WP(1-3)足夠大，就能實現粒子數反轉，摻稀土光纖就變成激活介質，對頻率為(E2-E1)/h的信號具有放大作用。一、F——P腔1，結構M1:對泵浦光高透；對激光高反M2:對激光高反（低增益系統95%；高增益系統75%）2，光傳輸特性理論——波動光學。假設：諧振腔內的光纖伸直；為階躍折射率弱波導光纖。§2光纖激光器的諧振腔光在腔內傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內振蕩，要求：反射光與入射光發生干涉，為了在腔內形成穩定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數平均損耗系數二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環行諧振腔泵浦光由1端進入，經耦合器進入環行腔。激勵的激光與泵光無關。產生的激光由4端到3端。經耦合器分為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。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/2。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/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：

1342

的的順時針光場相位差為0，與從1432的逆時針光場的相位差為π。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為0。光從1返回。SMF3、光纖圈諧振腔光纖圈為非諧振的干涉儀結構。注意分束器的取向。其中沒有能量儲存。透射反射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。三、可調諧光纖激光器

光纖激光器有較寬的波長調節范圍，比染料激光器的化學性質更穩定，不需低溫運行，潛在應用價值顯著。1，反射鏡+光柵形式可調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，光柵常數為d，則光柵方程為：只要轉動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在附近變化，就能實現調節波長。可調諧激光器

采用這種結構，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,可調諧的波長范圍分別為25nm和80nm。由于分束器與光學元器件帶來了腔內損耗，導致閾值功率提高。14nm11nm四、(反射鏡+光纖圈反射器形式)可調諧輸出激光器光纖圈的功率反射率為：激光反射率大于95%泵浦光反射率為5%通過改變溫度來調節光纖圈的反射率，使摻雜光纖達到激光諧振放大。六、光纖Fox-Smith諧振腔

一般地，1——4段及1——3段的諧振頻率不同。復合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當的l3、l4以致于在整個熒光線寬內只有一個縱模在振蕩。則可以實現單縱模運轉。§5.3摻稀土元素的光纖激光器以980nm的半導體光源作為泵浦源；摻Er

3+光纖中Er

3+的受激輻射產生Laser。一、摻Er3+光纖激光器的示例

1、Er3+的三能級系統能級分裂

由合適長度的摻Er3+光纖、980nm大功率半導體激光器泵浦源和諧振腔構成。世界上第一臺摻Er3+光纖激光器由英國南安譜敦大學的L.Reekie教授于1987年實現。斜率效率=輸出功率/吸收功率%=3.3%輸入鏡輸出鏡吸收功率mW4F5/24F3/2Er3+、Nd3+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點：不需要水冷即可工作；不容易飽和。雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器Fig.2輸出功率與摻鉺光纖長度的關系超過最佳長度將被再吸收Fig.3不同長度光纖的泵浦功率與波長的關系光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關系

DPF:因為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:反射率達到50%時，153