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第九章第九章有源光纤器件和有源光纤器件和光纤光栅光纤光栅 内容提要：内容提要：9.19.1光纤激光器及放大器的结构和发展光纤激光器及放大器的结构和发展9.29.2稀土掺杂光纤的光谱稀土掺杂光纤的光谱9.39.3稀土掺杂光纤激光与放大过程稀土掺杂光纤激光与放大过程9.49.4光纤激光技术光纤激光技术9.59.5光纤放大技术光纤放大技术9.69.6光纤光纤ASEASE光源光源9.79.7光敏光纤光栅光敏光纤光栅9.1光纤激光器及放大器的结构和发展光纤激光器及放大器的结构和发展光纤激光器及放大器是一种新颖的有源器件。属于这类器件光纤激光器及放大器是一种新颖的有源器件。属于这类器件的大体上有三类：的大体上有三类：1.利用光纤的利用光纤的非线性效应非线性效应：例光纤喇曼激光器与放大器例光纤喇曼激光器与放大器2.利用利用晶体光纤晶体光纤：例利用例利用YAG，BSO晶体光纤制作的光纤激光器晶体光纤制作的光纤激光器3.利用利用掺杂光纤掺杂光纤：例光纤掺杂稀土离子可使之激活以制作掺杂例光纤掺杂稀土离子可使之激活以制作掺杂 光纤激光器和放大器光纤激光器和放大器在这三类器件中，掺杂光纤，尤其是稀土掺杂石英玻璃光纤在这三类器件中，掺杂光纤，尤其是稀土掺杂石英玻璃光纤制作的激光器和放大器，发展极为迅速，在光通制作的激光器和放大器，发展极为迅速，在光通信领域得到广泛应用，因此，本章着重讨论这类器件。信领域得到广泛应用，因此，本章着重讨论这类器件。9.1.19.1.1光纤激光器的基本结构和特点光纤激光器的基本结构和特点光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同：光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同：光纤激光器光纤激光器激光介质激光介质谐振腔谐振腔其结构如下图其结构如下图9.1.1所示：所示：图图9.1.1光纤激光器谐振腔光纤激光器谐振腔光纤激光器有如下优点光纤激光器有如下优点: a.转换效率高，散热快，损耗小，阈值相当低转换效率高，散热快，损耗小，阈值相当低b.光纤激光器可以设计的非常小巧。光纤激光器可以设计的非常小巧。c.玻璃光纤的荧光光谱很宽，插入适当的波长选择器可得到玻璃光纤的荧光光谱很宽，插入适当的波长选择器可得到 很宽的调谐范围和很好的单色性。很宽的调谐范围和很好的单色性。泵光掺Er3石英光纤激光输出剩余泵光泵浦光泵浦光9.1.29.1.2光纤放大器的结构形式和发展光纤放大器的结构形式和发展光纤放大器与激光器的实质性区别是光纤放大器与激光器的实质性区别是没有反馈环路没有反馈环路，即没有，即没有谐振腔，图谐振腔，图9.1.2列出了光纤放大器在实际应用中的三种结构形式列出了光纤放大器在实际应用中的三种结构形式其中：其中：a.作为激光作为激光功率放大功率放大的结构形式的结构形式 b.作为全作为全光中继光中继器使用的结构形式器使用的结构形式 c.作为光作为光前置放大前置放大器使用的结构形式器使用的结构形式图图9.1.2 光纤放大器的结构光纤放大器的结构上述三种结构形式中，全光中继器的发展前景最引人注目。因为上述三种结构形式中，全光中继器的发展前景最引人注目。因为其无需光电光转换，而且其结构简单造价低，具有很高的其无需光电光转换，而且其结构简单造价低，具有很高的可靠性。可靠性。光纤激光器及放大器发展历史：光纤激光器及放大器发展历史：1963年，法国斯尼基尔首次提出光纤激光器和放大器的概念。年，法国斯尼基尔首次提出光纤激光器和放大器的概念。1975年后，单模低损耗光纤及光纤耦合技术进入实用化。年后，单模低损耗光纤及光纤耦合技术进入实用化。1985年，英国南安普顿大学研制出掺铒石英光纤。年，英国南安普顿大学研制出掺铒石英光纤。1986年，第一个掺铒光纤放大器诞生。其后，掺铒光纤放大器年，第一个掺铒光纤放大器诞生。其后，掺铒光纤放大器 研究进展十分迅速，现已进入商品实用阶段。研究进展十分迅速，现已进入商品实用阶段。9.29.2稀土掺杂光纤的光谱稀土掺杂光纤的光谱当光纤中掺入一些稀土元素后，其物理性质将会发生一些变化，当光纤中掺入一些稀土元素后，其物理性质将会发生一些变化，因此，为了掌握其物理性质将如何变化，我们有必要研究稀土掺因此，为了掌握其物理性质将如何变化，我们有必要研究稀土掺杂光纤的光谱。杂光纤的光谱。9.2.19.2.1稀土元素及其离子稀土元素及其离子稀土元素或镧系元素一种稀土元素或镧系元素一种15个，他们都具有相同的外电子结构个，他们都具有相同的外电子结构 ，我们用，我们用Xe表示氙的结构，则他们的结构表示如下，在表示氙的结构，则他们的结构表示如下，在4f内占据的电子数决定这元素的化学性质内占据的电子数决定这元素的化学性质262556sps57La镧镧265sd铈铈58Ce264 5sf d镨镨59Pr2364sf钕钕60Nd2464sf铒铒68Er21264sf铥铥69Tm21364sf镱镱70Yb21464sf镥镥71Lu2116 45s fdXeXeXeXeXeXeXeXe9.2.29.2.2掺杂光纤基质材料的影响掺杂光纤基质材料的影响 光纤基质材料是玻璃。稀土离子对玻璃的基质的掺杂，实际光纤基质材料是玻璃。稀土离子对玻璃的基质的掺杂，实际上是稀土离子通常作为网格改体存在或填隙于玻璃网格中。玻璃上是稀土离子通常作为网格改体存在或填隙于玻璃网格中。玻璃基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响：基质对稀土离子的光谱能级施加两种影响：一一.导致导致斯塔克分裂斯塔克分裂 能级中存在的任何简并都是因基质院子键能级中存在的任何简并都是因基质院子键 引起的电场非均匀分布的影响而退简并，因此对于给定的电引起的电场非均匀分布的影响而退简并，因此对于给定的电 子跃迁，其光谱显示出某些亚结构子跃迁，其光谱显示出某些亚结构二二.导致导致能级展宽能级展宽，展宽的机制有声子展宽和基质电场扰动展宽，展宽的机制有声子展宽和基质电场扰动展宽 光谱展宽的性质与幅度对于光纤激光器来说是非常重要的。光谱展宽的性质与幅度对于光纤激光器来说是非常重要的。因为对于给定的泵浦功率，激光增益反比于谱宽。因为对于给定的泵浦功率，激光增益反比于谱宽。 这样，稀土元素因受益于参与吸收和发射电子的被屏蔽的作这样，稀土元素因受益于参与吸收和发射电子的被屏蔽的作用，故其较之于无屏蔽作用的过渡元素更易产生好的激光。用，故其较之于无屏蔽作用的过渡元素更易产生好的激光。9.2.39.2.3稀土离子掺杂浓度稀土离子掺杂浓度对于光纤激光器来说，存在一最佳掺杂浓度。对于光纤激光器来说，存在一最佳掺杂浓度。 如果如果掺杂过低掺杂过低，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部位，在掺杂离子总有效数少于入射光子的部位，基态上的离子可能被耗尽，信号放大则受限于可被利用的离子数。基态上的离子可能被耗尽，信号放大则受限于可被利用的离子数。 如果如果掺杂过高掺杂过高，会出现两个问题：其一是浓度抑制问题，会出现两个问题：其一是浓度抑制问题，即在高掺杂时相邻稀土离子之间即出现非辐射交叉驰豫，以即在高掺杂时相邻稀土离子之间即出现非辐射交叉驰豫，以致使激光上能级的有效粒子数减少；另一个问题是高掺杂将致使激光上能级的有效粒子数减少；另一个问题是高掺杂将导致玻璃基体出现结晶现象，而这对激光的形成是不利的。导致玻璃基体出现结晶现象，而这对激光的形成是不利的。多次实验表明，对于光纤激光器的掺杂光纤，其最佳掺杂均为多次实验表明，对于光纤激光器的掺杂光纤，其最佳掺杂均为几百个几百个ppm的浓度。的浓度。9.2.49.2.4激发态吸收（激发态吸收（ESAESA） 激发态吸收主要指：处于激光上能态的电子吸收泵浦光子激发态吸收主要指：处于激光上能态的电子吸收泵浦光子后进入更高的激发态，随后通过某种非辐射驰豫过程进入一中后进入更高的激发态，随后通过某种非辐射驰豫过程进入一中间能态，最后重新回到激光上能态。即间能态，最后重新回到激光上能态。即ESA 这种这种ESA过程削减了泵浦功率，为了获得同样大小的激光过程削减了泵浦功率，为了获得同样大小的激光输出，在存在输出，在存在ESA时则需要更高的泵浦功率。时则需要更高的泵浦功率。ESA是限制掺是限制掺 光纤激光器和放大器增益的主要因素。光纤激光器和放大器增益的主要因素。对掺铒光纤器件也有严重的影响。对掺铒光纤器件也有严重的影响。 可见，可见，ESA作为有害的因素，我们应该设法解决这个问题作为有害的因素，我们应该设法解决这个问题3Er9.2.59.2.5玻璃中稀土离子的光谱玻璃中稀土离子的光谱这里我们着重讨论掺这里我们着重讨论掺 和和 光纤激光器和放大器，因为其光纤激光器和放大器，因为其 对光纤对光纤通信有重要意义。图通信有重要意义。图9.2.1示出了稀土金属离子的能级示出了稀土金属离子的能级3Nd3Er图图9.2.1稀土金属离子的能级稀土金属离子的能级下图给出了玻璃基体下图给出了玻璃基体成分是成分是 .Nd的的荧光带对应的中心波长分别在荧光带对应的中心波长分别在0.90um,1.06um,1.32um处。其中处。其中在在0.90um处吸收谱与荧光谱重叠，这意味着在这个波长上产处吸收谱与荧光谱重叠，这意味着在这个波长上产生的激光必定是三能级系统；对于掺生的激光必定是三能级系统；对于掺Er，在，在1.48um处吸收谱与处吸收谱与荧光谱重叠，也意味着这个波长上产生的激光是三能级系统。荧光谱重叠，也意味着这个波长上产生的激光是三能级系统。222594.55.00.5SiOGeOPO图图9.2.2掺掺 和和 的荧光谱及吸收谱的荧光谱及吸收谱3Nd3Er我们考查我们考查Nd和和Er离子中电子能级图。如下图所示。其中对应的离子中电子能级图。如下图所示。其中对应的重要跃迁有：重要跃迁有：图图9.2.3 和和 的电子能级图的电子能级图3Nd3Er3Nd的吸收：的吸收：从基态从基态49/2I29/25/2(0.8)HFm4和43/2(0.9)Fm3Nd的荧光的荧光从激发态从激发态49/2I411/2I413/2I（0.9um）（1.06um）（1.35um）3Er的吸收：的吸收：基态基态43/2F415/2I49/2I411/2I413/2I（0.81um）（1.48um）（0.98um）3Er的荧光的荧光激发态激发态413/2I415/2I（1.55um） 产生激光和激光放大的原则是：在其吸收带对应的波长提供产生激光和激光放大的原则是：在其吸收带对应的波长提供必要的泵浦，在其荧光谱对应的波长上提供形成增益和振荡的必要的泵浦，在其荧光谱对应的波长上提供形成增益和振荡的条件条件.我们不仅可以改变掺杂的物质浓度等问题，我们还可以变化我们不仅可以改变掺杂的物质浓度等问题，我们还可以变化基质种类和成分，来促进掺杂离子所处环境发生改变，进而基质种类和成分，来促进掺杂离子所处环境发生改变，进而使光谱产生变化，这样，我们可以人为的选择适宜的泵浦波长使光谱产生变化，这样，我们可以人为的选择适宜的泵浦波长在有实际意义的波长上产生激光和激光放大。在有实际意义的波长上产生激光和激光放大。9.39.3稀土掺杂光纤激光与放大过程稀土掺杂光纤激光与放大过程9.3.19.3.1光的吸收与发射光的吸收与发射 当介质吸收一定频率的光子后，其电子会跃迁到激发态，由于当介质吸收一定频率的光子后，其电子会跃迁到激发态，由于激发态是非稳态，激发态电子通过辐射回到基态，这其中有两种激发态是非稳态，激发态电子通过辐射回到基态，这其中有两种辐射：辐射：自发辐射自发辐射和和受激辐射受激辐射。 而受激辐射产生的是一种同频率同相位的光，也就是可以形成而受激辐射产生的是一种同频率同相位的光，也就是可以形成相干性极好的激光。但其产生要造成能级间相干性极好的激光。但其产生要造成能级间“粒子数反转粒子数反转”，这需，这需要一定条件：要一定条件：a.参与过程的能级应超过两个参与过程的能级应超过两个b.应有泵浦源提供能量，应有泵浦源提供能量，并且在数值上要超过上能级的能量。并且在数值上要超过上能级的能量。 上面所说产生激光存在一定的阈值，当泵浦能量低于该阈值上面所说产生激光存在一定的阈值，当泵