文章编号:0258-7025(2007)07-0883-12
综述
室温稳定多波长光纤激光器技术
的研究新进展
刘艳格1,冯新焕2,董孝义
1
1
南开大学现代光学研究所光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071
2
香港理工大学电机工程系光子研究中心,香港
摘要 室温稳定的多波长光纤激光器(M WF L )中最关键的技术是如何有效抑制掺杂光纤的均匀展宽效应。综述了国际上近年来提出的实现室温稳定多波长光纤激射的主要技术。介绍了近几年我们在该领域的一些创新性研究工作:提出了多种基于多谐振峰的光纤布拉格光栅(F BG ),如多模光纤布拉格光栅、保偏光纤布拉格光栅、取样光纤布拉格光栅等的可开关多波长光纤激光器的新方法和新结构,实现了多种波长间隔小于2nm ,室温工作稳定性好、波长及波长间隔可调的可开关多波长光纤激光器;提出了基于非线性光纤环镜(N O LM )和非线性偏振旋转(N P R )效应的两种多波长掺铒光纤激光器(ED FL )实现技术,实现了室温稳定、功率谱分布平坦的宽带多波长激光输出,3dB 带宽内的波长个数可达50个,每个波长的功率波动在2h 内小于0.1dB 。关键词 激光技术;掺铒光纤激光器;掺镱光纤激光器;多波长;可开关中图分类号 T N 248.1 文献标识码 A
收稿日期:2007-03-29;收到修改稿日期:2007-05-23
基金项目:国家973计划(2003CB314906),国家自然科学基金(10674074)和天津市自然科学基金重点项目(06Y FJZ JC00300)资助课题。
作者简介:刘艳格(1973—),女,河北人,博士,副教授,主要从事光纤光子有源和无源器件研究。E -mail :yg liu @nankai .edu .cn
Progress in Room -Temperature Stable Multi -Wavelength
Fiber Laser Technologies
LIU Yan -g e 1,FENG Xin -huan 2,DONG Xiao -yi 1
1
K ey L aboratory o f Op to -E lectronic I n formation and Technology ,Ministry of Ed ucation ,
I nstitute o f Modern Optics ,N ank ai University ,Tianj in 300071,China
2
Photonics Research Centre ,Department of Electrical Engineering ,Hong K ong Polytechnic University ,Hong Kong ,China A bstract T he key technolo gies of achiev ing ro om -temperature stable multi -wav elength fibe r lasers (M WF Ls )a re ho w to restr ain the homog eneo us bro adening effect o f the doped fiber a t r oom temperature .We summarize the main technologies and metho ds r epo rted recently to realize the roo m -temper ature M W F Ls ,and introduce our inno vativ e wo rks in this field ,including pro po sing seve ral novel str uctures and operable techno log ies o f switchable multi -waveleng th fiber lasers using special fiber Brag g g rating s (F BG )with seve ral reso nance peaks ,such as F BG in multimo de fiber ,FBG in polarizatio n maintaining fiber and sampled F BG .Sw itchable multi -wav elength fiber la sing oscillatio ns w ith less than 2nm wav eleng th spacing ,tunable w aveleng th and spacing and excellent roo m -temper ature stability we re demo nstr ated a nd realized .T w o o ther e rbium -doped M WF L desig ns are pro po sed r espectively by using no nlinear polarizatio n ro ta tion (N P R )effect and a nonlinear optical loo p mirr or (N O LM )to induce intensity -dependent lo ss .A s a result ,po we r -stable ,broad bandwidth and unifo rm multiwav elength o pe ratio ns a re o btained for bo th laser sources .Up to 50wav eleng ths lasing oscillatio ns with w aveleng th spacing of 0.8nm w ithin a 3dB spectral range o f 1562～1605nm have been achieved .T he measured powe r fluctuatio n of each w av eleng th is about 0.1dB within a two -hour perio d .Key words laser technique ;e rbium -do ped fiber laser ;y tterbium -do ped fiber lase r ;multi -w aveleng th ;switchable
第34卷 第7期2007年7月
中 国 激 光
CH INESE JO U RNAL OF LASERS
V o l .34,N o .7
July ,2007
1 引 言
光纤激光器是现代光通信的产物,是随着光纤及通信技术的发展而崛起的一项崭新技术。自从1985年由英国南安普顿大学的研究人员采用改进的化学气相沉积(M CVD)方法成功研制出单模掺铒光纤[1],并于1986年和1987年相继报道了第一台掺铒光纤激光器(EDFL)和放大器以来[2,3],由于光纤激光器所表现出的低阈值、高效率、窄线宽、可调谐和高性价比等优点而备受人们的关注,近年来取得突飞猛进的发展,成为激光器领域发展最快的技术。波分复用(WDM)技术是目前大容量光纤通信网普遍采用的技术,为了进一步提高通信容量,波分复用通信系统正朝着信道数越来越多的方向发展。波分复用系统的光源最直接的方法就是采用多个单波长激光器,但是通过单纯的增加光源数量来满足信道数增加的需要,势必会增加系统的成本和复杂性,因此,性能稳定的多波长光纤激光器(M WFL)由于具有结构简单、与光纤系统兼容、波长选择容易等优点更为人们所看好,是近年来的研究热点[4～8]。另外,多波长光纤激光器在光学测量、光学传感以及微波产生等领域也有着非常广泛的用途。国际上从1988年开始对多波长光纤激光器进行研究[9],并于1992年由美国的N.Park等首次实现了基于单一增益介质的6个波长的掺铒光纤激光输出,波长间隔为4.8nm[10]。而我国从20世纪90年代中后期,由南开大学、北京邮电大学、清华大学等科研单位率先开始进行该方面的研究工作[11～13],经过十几年的发展,尤其是在近几年,多波长光纤激光器方面的研究已经引起了广泛的关注,并已取得很大进展。
室温稳定的多波长光纤激光器中最关键的技术是如何有效抑制掺杂光纤的均匀增益展宽效应。常温下铝硅玻璃掺铒光纤的均匀展宽线宽约为11nm,锗硅玻璃掺铒光纤的均匀线宽约为3～4nm[14～16]。研究表明,当多波长激光器的输出波长间隔小于增益光纤的均匀展宽线宽时,不可避免地存在严重的模式竞争和模式跳变。要提高多波长光纤激光器的工作性能,获得稳定的多波长激光振荡,关键在于设法削弱增益光纤的均匀展宽效应,以及由此引起的交叉增益饱和效应。
本文在综述国际上多波长光纤激光器主要实现技术的基础上,主要介绍了我们近年来提出的几种可开关多波长光纤激光器实现原理、技术及结构。所提出的激光器具有结构简单、易于实现、室温工作稳定等特点。
2 室温稳定多波长光纤激光器的实现技术
与其他大多数激光器一样,光纤激光器也是由抽运源、增益介质(即稀土离子掺杂的光纤)和谐振腔构成的。其基本工作原理简述为:抽运源激励光纤中的稀土离子跃迁到高能态,离子无辐射跃迁到亚稳态形成离子数反转,再跃迁回基态产生光子,光子在谐振腔中振荡放大后形成激光。掺铒光纤和掺镱光纤在特定抽运光的作用下可提供波长范围30nm以上的增益带宽,如果采用梳状滤波器进行多个波长选择,原理上在各波长处只要满足激光谐振条件,增益带宽内的任何一个波长都可能起振,从而实现多波长的激光振荡。但在常温下,掺杂光纤中均匀展宽效应占主导地位,因此,当多波长激光器的输出波长间隔小于增益光纤的均匀展宽线宽时,不可避免地存在严重的模式竞争和模式跳变,因此在不采取任何控制模式竞争技术的情况下,即使能实现少数几个波长的激光振荡,也非常不稳定。为了抑制这种模式竞争,目前国际上已经提出多种有效的技术来抑制掺杂光纤(尤其是掺铒光纤)中的均匀展宽效应,其中一类方法是上世纪90年代初提出的通过液氮对掺铒光纤进行冷却,使其均匀展宽降为1nm左右从而实现稳定的多波长激光输出的方法[4,17],尽管该方法可以实现几十个波长的稳定激光输出,但由于不能实现常温操作,很难得到实际应用;另外一大类方法就是通过在单掺杂增益光纤的谐振腔中引入特殊的物理机制,如频移反馈[18～21],四波混频辅助稳频效应[6,22,23]、非均匀损耗机制[7,24～26]、偏振及光谱烧孔效应[8,27～36]等,实现室温稳定的多波长激光振荡,该类方法具有很强的潜在应用价值。
2.1 利用频移反馈的方法实现常温下稳定的掺铒
光纤多波长激光输出
2000年,加拿大的A.Bellemare等[18]提出在环形腔中引入一个频移器来获得常温下稳定的多波长掺铒光纤激光输出的方法,其采用的实验装置如图1所示。其中用于多波长选择的滤波器可以是各种梳状滤波器,频移器为声光调制器。其基本工作原理为:通过在环形腔内插入一个频移器,由于反馈的光强在腔内每循环一周都会有一定频率的移动,不会造成一个波长上因连续增益放大而饱和,使掺
884中 国 激 光 34卷
铒光纤的均匀展宽被极大地抑制,从而可以获得常温下稳定的多波长光纤激光器。在他们的实验中实现了14个波长的激光振荡。之后,韩国的S .K .Kim 等[19]和加拿大的J .M aran 等[20]也分别利用相同的原理,通过改进环形腔内的梳状滤波器以及掺铒光纤的增益谱形状等方法,在C 波段分别获得了34个和17个波长的同时激光振荡,且具有比较好的多波长功率均衡性。另外,2003年,K .Zho u 等[21]
利用正弦相位调制器取代频移器,根据傅里叶变换可知,对光强的相位调制同样可使光场的频率发生移动,因而同样实现了多个波长的掺铒光纤激光输出
。
图1A .Be llema re 等提出的基于频移反馈的
掺铒光纤激光器结构示意图
F ig .1Schematic diagr am of multiwave leng th e rbium -doped fibe r la ser with f requency shif ted feedback pr oposed by A .Bellemare et al .
应用这种方法可以很方便地获得常温稳定工作的数十个波长的激光输出,但是由于利用该方法也同时很容易实现单个或几个波长的短脉冲操作,因此,为了保证多波长的连续激光输出,必须精细控制环形腔中的腔内损耗、功率水平以及掺铒光纤的饱和水平等。
2.2 利用四波混频效应获得常温下稳定的掺铒光
纤多波长激光输出
理论和实验表明四波混频效应可以起到稳定多波长激光振荡的作用[22]。基于四波混频效应的多波长光纤激光器的一般结构如图2所示。环形腔中通过一个具有较高功率水平的掺铒光纤放大器(EDFA )提供增益,梳状滤波器(如光纤光栅阵列[6,22]、取样光纤光栅[23]等各种梳状滤波器)进行多波长选择,一段具有合适色散条件的高非线性光纤,如色散位移光纤(DSF )[6]
或光子晶体光纤
(PCF )[22,23]
等来产生不同波长之间的四波混频效
应,偏振控制器用来调整腔内光的偏振状态,从而有
利于更好地满足相位匹配条件。其多波长稳频的基本工作原理为:不同波长之间的四波混频作用可以使各个波长之间的能量相互传递,功率重新分配,从而某一时刻低功率激光可以通过很快的四波混频过程得以补充,高功率激光会通过四波混频过程很快地减小,通过这种很快的动态平衡过程,可以有效抑制由掺铒光纤均匀展宽所引起的模式竞争和模式跳变,从而实现稳定的多波长掺铒光纤激光输出。
图2基于四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器
一般结构示意图
Fig .2O rdinary schematic diag ram of multiwave length erbium -do ped fiber lase r based o n four -w ave mixing effect
该方法的关键是要产生显著的四波混频效应,因此不仅对腔内引入的非线性光纤具有特殊的要求,而且要保证腔内具有较高的光功率水平。光子晶体光纤是最近几年出现的一种非常引人注目的新型光纤,由于其包层空气孔结构设计的灵活性,可以很容易地实现宽波长范围内色散平坦和色散可控的高非线性光纤特性,因此,用光子晶体光纤可以较容易地产生显著的四波混频效应,这使得基于四波混频效应的多波长光纤激光器具有较强的应用潜力。该方法的主要缺点在于为了很好地满足相位匹配条件,需要非常精细地调节腔内光的偏振状态,从而使得该方法容易受外界环境的干扰,另外该方法的成本也比较高。
2.3 利用偏振烧孔效应实现常温下稳定的多波长
光纤激光输出
在谐振腔中设法引入偏振依赖元件,使不同波长的激射分别来源于不同偏振态的上能级粒子数跃迁,即利用偏振烧孔效应,可以非常有效地压缩掺杂增益光纤的均匀展宽带宽,实现常温稳定的多波长光纤激光输出[27～36]。偏振烧孔效应可以通过在光纤激光器中使用特殊的偏振相关器件来实现,如在腔内使用保偏布拉格光纤光栅[27]、保偏长周期光纤光栅[28]
、少模或多模光纤光栅[29,30]
等。也可以通过在光纤激光腔中插入一段多模光纤,利用一种单模光纤(SM F )-多模光纤-单模光纤结构,引入空间模
885
7期 刘艳格等:室温稳定多波长光纤激光器技术的研究新进展
式拍频效应,使多模光纤的不同偏振方向的反射模在波长上分离开,利用偏振烧孔效应实现常温下多波长的稳定输出[31]。该方法的最大优点是实现多波长操作的同时还可实现波长之间的可开关操作,这对一些应用来说更加方便。其主要不足是单纯利用偏振烧孔效应实现的波长数目不多,只有几个波长。
3 我们在多波长光纤激光器方面的一些研究工作
3.1 基于多模或少模光纤光栅的可开关多波长光
纤激光器
多模光纤可支持多个模式在其中传输,这些模式具有不同的传输速度和模场分布。它们在光纤中传输时彼此交换能量,直至到达多模光纤布拉格光栅(MM-FBGs)。到达光纤光栅后,一些满足相位匹配条件的模式被光栅反射,由于它们具有不同的传输常数,从而会产生多个反射峰。如果光栅的谐振波长稍低于光纤的截止波长,光纤中只有有限几个模式满足相位匹配条件,可称这种光栅为少模光纤光栅。
我们利用多模光纤光栅进行了两个多波长光纤激光器的实验。在第一个实验中,自行研制的多模光纤布拉格光栅的反射峰位于1060nm波段,其反射谱如图3(a)和(b)所示。该光栅有两个反射主峰,分别位于1054.1nm和1055.0nm,相应波长间隔为0.9nm。该光栅的显著特点是两个谐振波长对输入光的偏振态敏感且两个波长的反射率相近,如果改变进入光栅光的偏振态,其两共振波长处的反射率会发生变化,长波长处的谐振峰值可以高于(图3(a))或低于(图3(b))短波长处的谐振峰值。然后我们将该光栅作为波长选频元件,形成如图3(c)所示的线形腔掺镱光纤激光器(YDFL)结构,激光器参数详见文献[29]。
图4是通过调整偏振控制器(PC)得到的可开关单波长和双波长输出的实验结果。该激光器的工作原理为:通过调整偏振控制器状态,可实现对光栅反射峰值大小的调整,当一个波长对应的反射率大于另一个波长时,即此波长具有较小的腔内损耗时,激光器将产生此波长的稳定振荡。由此,可通过调整偏振控制器状态实现激光器两个波长之间的转换。特别是,当两个波长所对应的反射率近似相等
时,由于光纤光栅强的偏振敏感特性,使多模光纤布
图3
(a),(b)不同偏振光入射时得到的多模光纤光栅的反射谱;(c)提出的基于多模光纤光栅的双波长掺镱光纤激光器的结构示意图
Fig.3
(a),(b)reflection s pectra of the multimode fib er Bragg grating (M M-FBG)w ith different polarization ligh t incidence;(c) propos ed dual-w avelength YDFL configuration based on MM-FBG
图4光纤激光器分别工作于(a)单波长和(b)双波长
(16次重复扫描)时的输出光谱图
Fig.4Spectr a of fiber laser with(a)single-wave length and(b)dual-w aveleng th operatio n(scanning numbe r16)
拉格光栅的两个不同偏振方向的反射模在波长上分离开,能够利用偏振烧孔效应克服掺杂光纤均匀增益展宽引起的模式竞争,从而实现常温下双波长的
886中 国 激 光 34卷
图5
(a )L 波段多模光纤光栅的反射谱;
(b )提出的L 波段双波长掺铒光纤激光器的实验装置图
Fig .5
(a )reflection s pectra of the L -b and M M -FBG ;(b )proposed L -band du al -w avelength erbiu m -d oped fib er laser configuration using the L -band M M -FBG
稳定输出。在另外一个实验中,写制光栅所用的光纤是通过载氢增敏后的常规多模光纤,图5(a )是在该光纤上写制的L 波段多模光纤光栅的反射谱,它也有两个反射峰,分别位于1578.8nm 和1577.1nm ,相应波长间隔为1.7nm 。与多模光纤光栅相比较,该光栅的长波方向的反射峰值与短波方向的反射峰值相差很大,至少有7dB 。该光栅也有一定的偏振依赖特性,通过调整入射光的偏振状态,两反射峰值均有变化,且此消彼长,但变化量很小,均不超过0.8dB ,即长波方向的反射峰值总是远大于短波方向的反射峰值。如果再构造与前面一样的光纤线形腔结构,由于两个波长的反射率相差太大,不可能同时双波长起振。为此,我们构造了如图5(b )所示的环形腔掺铒光纤激光器结构,详细参数见文献[30]:该结构的关键是腔内引入了一个起偏器和一个偏振控制器(PC ),起偏器和偏振控制器的联合作用可产生跟波长相关的损耗,以补偿光纤光栅两反射峰值大小的差异,同时也用于控制激光腔内光的偏振态,调节PC ,可实现单波长输出和双波长输出之间的转换。图6给出了从多模光栅后面测量的实验结果,激光器在常温下双波长输出很稳定。输
出的两波长之间的振幅差异较大,这主要归结于用
光纤光栅作为输出端口,光栅在两波长处的透射率差异较大造成的。
图6L 波段光纤激光器分别工作于(a )单波长和(b )双波长(16次重复扫描)时的输出光谱图Fig .6Spectr a of the L -band fiber laser with (a )sing le -wav eleng th and (b )dual -wav eleng th o per ation (scanning number 16)
在激光器中要获得稳定的双波长激光振荡,不仅要平衡两波长所对应的腔损耗,还要克服室温下两个波长模式之间的竞争。在上面所述的两种基于
多模光纤光栅的光纤激光器中,都是通过调整偏振控制器的状态从而改变腔内的偏振态,使多模光纤中激发的LP 01和LP 11空间模式具有不同的偏振模分量,也就是说,两反射波长对应不同的偏振态。那么,包括多模光纤光栅的那段多模光纤结构不仅选择了两个不同的激射波长,而且也选择了激光的偏振态,即引入了偏振烧孔效应,这种偏振烧孔效应大大抑制了掺杂增益光纤中两个波长之间的模式竞争和交叉增益饱和效应,从而得到了稳定的双波长激光输出。在此提出的采用多模光纤光栅的方案与在腔内插入一段多模光纤的方案[31]相比具有可以精确控制激射波长的优点。
3.2 基于高双折射光纤光栅的可开关多波长掺铒
光纤激光器
在普通的单模光纤中,光纤是圆对称且折射率各向同性的波导,此时传导模LP 01模在x ,y 偏振方
887
7期 刘艳格等:室温稳定多波长光纤激光器技术的研究新进展
向是简并的,即x ,y 偏振方向的传播常数相等,因此在普通单模光纤上写制的布拉格光栅只有一个谐振峰。而对于保偏光纤(高双折射光纤)来说,其固有的双折射将导致x ,y 两个偏振方向具有不同的传播常数,因此,保偏或高双折射光纤布拉格光栅(PM -FBG 或H B -FBG )具有两个波长的反射峰,根据耦合模理论,其波长间隔为:Δλ=2Λλ/L B ,其中,Δλ为光栅反射的两个布拉格波长之差,Λ为光栅的周期,L B 为保偏光纤的拍长,λ为工作波长。
由于保偏光纤布拉格光栅的谐振波长不仅在波长上是分开的,而且在偏振方向上也是互相垂直的,因此,当被用作掺杂光纤激光器中的波长选择元件时,由于会引入较强的偏振烧孔效应,会得到非常稳定的可开关双波长光纤激光器[32]
。如果再设法将横向应力和纵向应力施加于高双折射光纤光栅上,通过施加不同大小和方向的横向应力可以增大或减小高双折射光纤的双折射大小,同时施加纵向应力可以改变光栅的周期,这样可以实现更加灵活的波长位置及波长间隔可调的可开关双波长光纤激光器[33]。另外,也可以将横向应力和纵向应力作用于一个普通的布拉格光纤光栅,因引入双折射效应而实现波长分裂,同样可以实现波长位置及波长间隔可调的可开关双波长光纤激光器[34]。
图7
(a )高双折射光纤布拉格光栅的透射谱;(b )基于交叠腔和
高双折射光纤光栅的多波长光纤激光器结构示意图
Fig .7
(a )transmission spectra of the high birefringence fiber Bragg gratings (HB -FBGs );(b )proposed multi -w aveleng th fiber laser configu ration bas ed on overlapping cavities and H B -FBG
一个高双折射光纤光栅只有两个谐振波长,一般最多只能实现两个波长的激光振荡。为了实现更多波长且室温稳定的可开关多波长光纤激光器,我
们提出并实验研究了如图7(b )所示的基于交叠腔和高双折射光纤布拉格光栅的多波长光纤激光器结构,图7(a )为所用两个高双折射光纤布拉格光栅的透射谱,激光器结构参数及高双折射光纤布拉格光
栅的写制方法详见文献[35]。光栅1的共振波长λ1和λ2以及光栅2的共振波长λ3和λ4之间的间隔都
为0.52nm ,λ2和λ3之间的间隔为0.36nm 。一个Sagnac 光纤环镜作为宽带的高反射腔镜并分别与两个高双折射光纤布拉格光栅和两段掺铒光纤形成两个交叠的线形谐振腔,即:光纤环镜-EDF1-H B -FBG1形成λ1和λ2两个波长的激射;光纤环镜-EDF1-EDF2-H B -FBG2形成λ3和λ4两个波长的激
射,两个谐振腔有共用的EDF1,因此称为交叠腔。由激光原理可知,四个波长激光振荡应满足的条件分别为
λ1※R 0R 1l 2
11G 2
11=1,
(1)λ2※R 0R 2l 221G 221=1,
(2)λ3※R 0R 3l 231G 231l 232G 2
32=1,
(3)λ4※R 0R 4l 241G 241l 242G 242=1,
(4)
式中R 0,R 1,R 2,R 3和R 4分别为光纤环镜,H B -FBG1对λ1和λ2,H B -FBG2对λ3和λ4的反射率;l 11,l 21,l 31和l 41分别为λ1,λ2,λ3和λ4在光纤环镜与H B -FBG1之间的单程损耗;l 32和l 42分别为λ3和λ4
在H B -FBG1和H B -FBG2之间的单程损耗;G 11,G 21,G 31和G 41分别为λ1,λ2,λ3和λ4从EDF1获得的
单程增益;G 32和G 42分别为λ3和λ4从EDF2获得的单程增益。
如果优化谐振腔参数并精细调整偏振控制器PC1和PC2,改变腔内的偏振和损耗状况,可以使(1)～(4)式中的任意一个或多个条件同时满足,从而实现可开关的单波长、双波长、三波长以及四波长
的光纤激光振荡输出。另外,由于λ1和λ2(λ
3和λ4)的偏振方向互相垂直,在同一个谐振腔中由于偏振
烧孔效应的引入而会大大减小两波长之间的模式竞争;λ1,λ2与λ3,λ4之间的模式竞争会由于两段增益EDF (从而两个不同的谐振腔)的使用而大大减弱。因此,通过将交叠腔与高双折射光纤光栅特性相结
合,可实现可开关、且室温工作稳定的多波长光纤激光输出。
实验中,通过调整抽运功率和精细调谐两个偏振控制器的状态,在抽运功率为38.4m W 时,得到了4种单波长输出、6种双波长输出、4种三波长以及四波长的激光输出,其中部分的实验结果如图8所示。该激光器多波长工作稳定性较好,在各波长
888中 国 激 光 34卷
处的最大振幅波动小于0.4dB ,而波长位置在光谱仪的分辨率精度内没有发生变化。由此可见,该多波长激光器具有较好的室温工作稳定性
。
图8激光器分别工作于(a )单波长,(b )双波长,(c )三波长和(d )四波长时的激光输出光谱图F ig .8Ex pe rimental results o f (a )single -,(b )dua l -,
(c )three -and (d )four -w aveleng th operatio n spectra of the pro po sed laser
另外,该激光器结构还具有较好的可扩展性,如果采用n 段的EDF 和n 个HB -FBG ,原理上可以实现2n 个波长之间的可转换多波长光纤激光输出,但相应的结构和操作也复杂化。
3.3 在普通环形腔结构中实现室温稳定、可开关和
多波长的掺铒光纤激光振荡
掺铒光纤根据共掺物质的不同,其均匀展宽线宽会稍有不同,但在1550nm 附近其值至少要大于2nm ,因此通常认为在普通掺铒光纤激光器结构中很难实现室温稳定的、间隔小于该均匀线宽大小的双波长或多波长激光振荡。而我们通过大量的实验研究,发现通过精心设计和优化光纤环形腔结构及参数,在普通光纤环形腔结构中,实现波长间隔小于0.8nm 的双波长甚至多波长的室温稳定的掺铒光纤激光振荡是完全可能的[36]
。图9(a )是我们研究的光纤环形腔激光器结构示意图,参数详见文献[36]。环形腔中引入可变光衰减器(VOA )的目的是通过连续调整激光腔内的损耗,精细调节掺铒光纤的增益谱形状,从而实现可控的可开关多波长激光输出。
在实验中,首先精心选择掺铒光纤的长度,使其在取样光栅反射波长带宽内具有非常平坦的增益谱形状,从而可以较容易地实现同时多个波长的激光振荡。然后精细调节可变光衰减器,通过改变激光腔内的损耗大小,可以得到如图10所示的由取样光
纤光栅5个主峰所决定的可调谐及可开关的单波
图9
(a )研究的环形腔多波长光纤激光器;(b )取样光纤布拉格光栅的透射谱
Fig .9
(a )proposed ordinary ring cavity erbium -doped fiber laser ;(b )transmis sion spectrum of the sampled fiber Bragg grating
长、双波长、三波长甚至四波长的光纤激光输出。为了检验多波长激光输出室温工作的稳定性能,测量了激光器间隔为1.28nm 时的双波长和三波长激光输出时的峰值功率波动,如图11所示。对于双波长
激射时,在半个小时的测量时间内,两个波长处的最大峰值功率波动都小于0.1dB ,对于三波长激光输出的峰值功率波动稍微大一些,但功率最大波动也小于0.8dB 。因此,该激光器具有非常好的室温工作稳定性。
为了深入洞察激光器能室温稳定工作的机制,进行了如下几个实验:
第一,将增益光纤换成另一种掺铒光纤以及也尝试了用一个饱和输出功率为16dBm 的商用掺铒光纤放大器代替半导体激光器抽运的掺铒光纤部分,保证这两种情况与前面所用掺铒光纤得到的自发辐射谱形状相似。最后都得到了与图11类似稳定性的多波长激光激射。这说明在相同的腔内信号功率饱和水平下,增益光纤的选择对多波长激光激射的稳定性影响不大。
第二,实验中发现,在环形腔内波分复用耦合器
889
7期 刘艳格等:室温稳定多波长光纤激光器技术的研究新进展
图10调节可变光衰减器得到各种可调谐及可开关多波长激光输出的光谱图
Fig .10T unable and sw itchable wav eleng th o utput spectra o f the laser via adjusting the variable optical attenuato r (VO A
)
图11该环形腔激光器分别工作于(a )双波长和
(b )三波长激光振荡时的功率波动
F ig .11Po wer fluctuatio n of the fiber ring lase r during
scanning w ith (a )dual -wave length and (b ) three -w aveleng th lasing
前面隔离器(ISO )的使用对多波长激光的稳定激射起着非常重要的作用。从图9(a )的实验装置来看,即使环路中没有该隔离器,由于环形器具有对反向光隔离的作用,也可以保证光沿顺时针单方向运转。图12是不加该隔离器时得到的与图11(a )激射波长一样时双波长激光振荡的稳定性测量结果,室温
工作稳定性能明显严重恶化。由此可见,环形腔中
图12没有隔离器时得到的该环形腔光纤激光器
双波长激光振荡时的功率波动
Fig .12P ow er fluctua tion of the fiber ring laser during
scanning without the iso lato r (ISO )fo r dua l - w aveleng th lasing
反向传播的自发辐射光非常不利于多波长的稳定激射。
第三,用两个波长间隔为0.76nm 的普通的光纤布拉格光栅(SFBG )级联在一起代替取样光纤光栅作为波长选择元件进行实验,得到的双波长光谱
和长时间稳定性测试结果如图13(b )所示,在两个波长处的最大功率波动都小于0.5dB ,稳定性也很好。这就意味着如果采用波长间隔为0.8nm 的取样光纤光栅,同样可以得到类似图10所示的室温稳定的可开关和可调谐多波长激光输出。
第四,同样用这两个布拉格光纤光栅作波长选择元件,在保持腔内其他条件不变,只改变抽运功率的大小时,实验发现随抽运功率增加,功率波动变小,图13给出了在两个抽运功率下的双波长稳定性测试结果。这说明掺铒光纤的功率饱和水平越高,
890中 国 激 光 34卷
图13用两个光纤布拉格光栅时得到的不同抽运功率下的双波长激光峰值功率波动
Fig .13Po we r fluctua tions of the dual -waveleng th fiber ring laser using tw o F BG s w ith differe nt pum p pow er
越有助于得到稳定的多波长激光振荡。
从这些实验结果不难看出,在该光纤环形腔结构中既没有引入偏振烧孔效应,也没有引入非线性效应等有助于波长稳定的机制,但却得到了非常稳定的两个波长和三个波长的同时激光振荡。这主要归功于掺铒光纤深度饱和造成的非均匀展宽效应:通过优化环形腔参数,使掺铒光纤处于深度饱和状态,这增强了常温下的光谱烧孔效应,使非均匀展宽效应加强,从而有效地抑制了多个波长之间的模式竞争。也有证据表明,980nm 抽运的掺铒光纤具有较低的增益交叉饱和效应;另外,有效抑制反向传播光的影响也非常有利于多波长激光的稳定。
该多波长光纤激光器的优点是实现技术简单、能够同时实现波长可开关和可调谐的灵活性操作、具有较强的实用价值。缺点是实现的激射波长个数不多。
3.4 基于非线性光纤环镜的多波长掺铒光纤激光器
非线性光纤环镜(NOLM )曾用于被动锁模的激光器中作饱和吸收体及光脉冲的整形[37,38]
。这里,提出将它用在掺铒光纤激光器中获得稳定的多波长激光输出。图14是光纤环形腔激光器结构示意图,参数详见文献[24]。非线性光纤环镜结构可
有效引入依赖光强的损耗,这是实现此激光器稳定
多波长输出的关键机制。非线性光纤环镜的透射率可以表示为
[37]
T =1-2α(1-α){1+co s [θ+(1-2α) ]},
(5)
式中α为构成非线性光纤环镜所用耦合器的耦合比,θ为由偏振控制器引入的环内两个方向传输的光的相位差, =2πn 2P i L /λA eff 为非线性相移,n 2为非线性系数,L 为环镜内光纤长度,λ为波长,A eff 为光纤的有效模面积,P i 为输入环镜的光强。由(5)式可以看出,非线性光纤环镜的透射率(也意味着其引入的损耗)随偏振控制器引入相位差的不同,可随入射于环镜的光强的增加而增加或减小。当调整偏振控制器,使环镜偏置在透射率随入射光强增加而增加的状态,也就是损耗随光强增加而减小,环镜可起到饱和吸收体的作用,可用于被动锁模激光器产生超短脉冲[37]。而相反,使环镜偏置在透射率随入射光强增加而减小的状态,也就是损耗随光强增加
而增加,环镜可起到一种光强的均衡作用。这种均衡作用可有效抑制掺铒光纤的均匀展宽效应,从而能使环镜的均衡作用与均匀展宽引起的模式竞争效
应之间达到一种平衡,最终获得室温下多波长激光输出,并保证波长之间功率的均衡分布。
图14基于非线性光纤环镜的多波长光纤激光器Fig .14Schematic diag ram of the pro po sed multi -w aveleng th fiber laser based o n N O LM
实验中通过调整偏振控制器得到了50个波长
的激光输出。图15(a )给出了输出光谱,位于1562～1605nm 光谱范围内的50个波长的功率差异小于3dB 。对其输出的稳定性也进行了研究,用滤波器滤出一个波长监测其功率波动,在2h 内功率波动仅约0.1dB ,如图15(b )所示。可见,此激光器在室温下可实现很稳定的多波长激光输出。
该多波长光纤激光实现技术的最大优点是可同时实现数十个波长的室温稳定激射、具有较强的实用价值。不足是需要激光腔内具有较高的功率水平,以使非线性光纤环镜充分发挥作用。
891
7期 刘艳格等:室温稳定多波长光纤激光器技术的研究新进展
图15激光输出特性
(a)输出光谱;(b)单波长功率随时间波动特性
F ig.15Output char acte ristics of the lase r output
(a)ou tpu t spectrum;
(b)output pow er flu ctuation versus time
3.5 基于非线性偏振旋转的多波长掺铒光纤激光器
非线性偏振旋转(NPR)效应曾用于被动锁模激光器中作为饱和吸收体来产生飞秒脉冲[39]。也用于主动锁模的光纤激光器来抑制超模噪声,以及有理数谐波锁模脉冲的振幅均衡[40,41]。这里,提出将它用于掺铒光纤激光器中获得稳定的多波长激光输出。图16是光纤环形腔激光器结构示意图,参数详见文献[25]。非线性偏振旋转效应能用于产生稳定多波长的工作原理与基于非线性光纤环镜的多波长激光器原理类似,PC2-SM F-PC1-polarizer结构同样可有效引入依赖光强的损耗,这是实现此激光器稳定多波长输出的关键。
实验中,用不同长度的单模光纤得到的多波长输出的个数也有所不同。当单模光纤的长度为1.2km时,得到的最大波长输出的个数为30,但波长间的功率差异较大,图17(a)给出了一个22波长的输出光谱,22个波长的功率差异小于1.5dB。当把90∶10的输出耦合器换为99∶1的输出耦合器以增加腔内的非线性效应时,波长的个数增加到了28个,如图17(b)所示,波长间功率差异小于2dB。
PC2-SM F-PC1-polarizer结构还可引入依赖波长的
图16基于非线性偏振旋转效应的多波长光纤激光器Fig.16Schematic diag ram of the pro po sed multi-w aveleng th fiber lase r ba sed on N PR effect
图17激光器在90∶10(a)和99∶1(b)的输出耦合器
情况下的输出光谱
Fig.17O utput spectra of the la ser under(a)22-w avele ng th o pe ratio n with a10%o utput
coupler,and(b)28-wav eleng th o per ation with a
1%output co uple r
损耗,所以在调整偏振控制器过程中,输出波长数较少时,可以实现多波长的调谐。图18给出了两个代表性的光谱,波长分别位于1550nm和1600nm,波长调谐可达50nm。
该实现技术的优点是可以同时实现数十个波长的室温稳定激射、并可实现多波长可调谐,具有较强的实用价值。不足是需要激光腔内具有较高的功率水平,激光腔的长度比较长。
892中 国 激 光 34卷
图18激光器在1550nm(a)和1600nm(b)波长的
输出光谱
F ig.18Output spectra w hen the output w aveleng ths
are near1550nm(a)and1600nm(b)
4 总结与展望
本文结合我们在多波长光纤激光器研究方面的一些工作综述了近年来国际上提出的室温稳定的多波长光纤激光器的主要实现原理、结构及技术。这些激光器各有优缺点,可根据不同的应用场合选用不同的实现技术。虽然该领域的研究已经取得了长足的发展,但仍有诸多关键技术值得深入探索和研究,目前该领域的主要研究趋势及方向有:1)同时实现数十个室温稳定、且输出功率均衡的、结构简单、成本低廉的多波长光纤激光器技术;2)波长可开关、波长位置及波长间隔可调谐、结构简单的多波长光纤激光器技术;3)窄线宽或单频的多波长光纤激光器实现技术;4)多波长光纤激光在光通信、光传感、光学测量及微波等领域的应用研究等。
参考文献
1 S.B.Poole,D.N.Payne,M.E.Fermann.Fabrication of low-los s optical fibers con taining rare-earth ions[J].Electron.
Lett.,1985,21(17):737～738
2 R.J.M ears,L.Reekie,S.B.Poole et a l..Low-threshold tun able-CW and Q-sw itched fiber laser operating at1.54μm [J].Electron.Lett.,1986,22(3):159～160
3 R.J.M ears,L.Reekie,I.M.Jauncey et a l..Low-noise erbium-doped fiber amplifier operating at1.54μm[J].
Electron.Lett.,1987,23(19):1026～1028
4 N.Park,P.F.W ysocki.24-line multiw avelength operation of erbium-doped fiber-ring las er[J].IE EE P hoton.Tech no l.
Lett.,1996,8(11):1459～1461
5 A.Bellemare,M.Karasek,M.Roch ette et a l..Room tem perature multifrequ ency erbium-doped fiber lasers an chored on the IT U frequency grid[J].J.Ligh twave Technol.,2000, 18(6):825～831
6 Y.-G.H an,T.V.A.T ran,S.B.Lee.W aveleng th-s pacing tunable m ulti wavelength erbium-doped fiber laser based on fou r-w ave mixing of dispersion-shift fiber[J].Opt.Lett., 2006,31(6):697～699
7 S.Pan,C.Lou,Y.Gao.M ultiw avelength erbium-doped fiber laser based on inhomogen eous loss m ech anism by u se of a highly nonlinear fiber an d a Fabry-Perot filter[J].Opt.Exp ress, 2006,14(3):1113～1118
8 J.S un,J.Qiu,D.H uang.M ultiw avelength erbium-doped fiber lasers exploiting polarization hole burnin g[J].Opt.
C ommun.,2000,182(1-3):193～197
9 Y.Kim ura,M.Nakaz aw a.M u ltiwaveleng th cw laser oscillation in a Nd3+and E r3+doubly doped fiber las er[J].
Ap p l.Ph ys.Lett.,1988,53(14):1251～1253
10 N.Park,J.W.Daw son,K.J.Vahala.M ultiple w avelen gth operation of an erbium-doped fib er laser[J].IE EE Photon.
Tech no l.Lett.,1992,4(6):540～541
11 Zhao Dong hui,Yang Xiufen g,Ge C hunfeng et al..A s tructure for mu lti-w avelength narrow-linewidth E r-doped fiber ring laser [J].Acta Photonica S inica,1998,27(5):459～461
赵东晖,杨秀峰,葛春风等.一种多波长窄线宽环形掺铒光纤激光器[J].光子学报,1998,27(5):459～461
12 J.J.Yu,K.J.Guan,B.J.Yang.M ultiw avelen gth gen eration in an erbium-doped fib er laser using a Fabry-Perot filter[J].Micro wave Optical Technol.Lett.,1998,19(1):51～54
13 Z.H.Li,C.Y.Lou,Y.Z.Gao.A mu ltiw aveleng th erbium-doped fiber laser realized by controlling the polarization state [J].International Jour nal o f In fr ared and Millimeter Waves, 1999,20(8):1487～1491
14 E.Desu rvire,J.L.Zys kind,J.R.Simpson.Spectral gain hole-b urning at1.53μm in erbium-doped fiber amplifiers[J].
IE EE Photon.Technol.Lett.,1990,2(4):246～248
15 J.L.Zy skind,E.Desu rvire,J.W.Su lhoff et a l..
Determination of hom ogeneou s linew idth by s pectral gain hole-bu rning in an erbium-doped fiber amplifier w ith GeO2∶SiO2core [J].IE EE P hoton.Tech no l.Lett.,1990,2(12):869～871
16 J.W.Sulhoff,A.K.S rivas tava,C.W olf et a l..S pectral-hole bu rning in erbium-doped silica and fluoride fibers[J].IEE E Photon.Technol.Lett.,1997,9(12):1578～1579
17 S.Yamashita,K.H otate.M ultiw avelength erbium-doped fiber laser u s ing intracavity etalon and cooled by liquid nitrogen[J].
Electon.Lett.,1996,32(14):1298～1299
18 A.Bellemare,M.Karásek,M.Rochette et al..Room tem perature multifrequ ency erbium-doped fiber lasers an chored on the IT U frequency grid[J].J.Lightwave Technol,2000, 18(6):825～829
19 S.K.Kim,M.J.Chu,J.H.Lee.Wideband multiw avelength erbium-doped fiber ring laser with frequ ency shifted feedback[J].Opt.C ommun.,2001,190:291～302
20 J.M aran,https://www.doczj.com/doc/bd8221893.html,Rochelle,P.Besnard.C-b and m ulti-w avelength frequency-shifted erbiu m-d oped fiber laser[J].
Op t.C ommun.,2003,218:81～86
21 K.Zh ou,D.Zh ou,F.Don g e t al..Room-temperature multiw avelength erbium-doped fiber ring laser employing
893
7期 刘艳格等:室温稳定多波长光纤激光器技术的研究新进展
sinusoidal ph ase-modulation feedback[J].Op t.Lett.,2003, 28(11):893～895
22 X.Liu,X.Zh ou,C.Lu.Four-wave mixing assisted s tability enhancement:Theory,experiment,and application[J].Op t.
Lett.,2005,30(17):2257～2259
23 X.Yang,X.Dong,S.Zhang e t a l..M ultiw avelength erbium-doped fiber laser w ith0.8-nm spacing u sing s amp led Bragg
g rating and ph otonic cry stal fiber[J].IE EE Photon.Technol.
Lett.,2005,17(12):2538～2540
24 Xinhu an Feng,H.Tam,H eliang Liu et a l..M ultiw avelength erbium-doped fib er laser em ploying a n on linear optical loop mirror[J].Opt.C ommun.,2006,268:278～281
25 Xinhu an Feng,H.Tam,P.K.A.Wai.Stable an d uniform m ultiw avelen gth erbium-doped fiber laser u sing non l inear polariz ation rotation[J].Op tics E xp ress,2006,14(18):8206～8210
26 Hu S ong,Wei S hikang,Zhan Li et al..15-w avelength Brillouin erbium-doped fiber laser[J].Acta Op tica S inica,2005,25(2): 212～215
胡 松,尉仕康,詹 黎等.15波长输出的布里渊掺铒光纤激光器[J].光学学报,2005,25(2):212～215
27 J.H ernandez-Cordero,V.A.Koz lov,A.L.G.Carter et al..
Fiber laser polarization tunin g using a Bragg g rating in a Hi-Bi fiber[J].IEE E Photon.Technol.Lett.,1998,10(7):941～
943
28 Y.W.Lee,B.Lee.W avelen gth-s witchab le E rbium-doped fiber ring laser u sing spectral polarization-dependent loss elemen t[J].IE EE P hoton.Technol.Lett.,2003,15(6):795～797
29 Xinhu an Fen g,Yan ge Liu,S hen ggui Fu et al..Sw itch able du al-w avelength y tterbium-doped fiber laser based on a few-m ode fiber g rating[J].IE EE P hoton.Technol.Lett.,2004,16
(3):762～764
30 Xinhu an Fen g,Yange Liu,Shuz hong Yu an et a l..L-band switchable dual-waveleng th erbium-doped fiber laser based on a m ultimode fiber Bragg grating[J].Op t.Ex press,2004,12
(16):3834～3839
31 A.J.Pou stie,N.Finlayson,P.Harper.M ultiw avelength fiber las er using a spatial mode beatin g filter[J].Opt.Lett., 1994,19(10):716～718
32 Li Yao,Feng Xinhuan,Su n Lei et al..Dual-wavelength fiber
laser based on polariz ation h ole-burnin g effect at room tem perature[J].Acta P hotonica S inica,2005,34(2):173～
175
李 尧,冯新焕,孙 磊等.用偏振烧孔实现的室温双波长光纤激光器[J].光子学报,2005,34(2):173～175
33 Feng Xinhuan,S un Lei,Liu Yange et a l..S witchab le and spacing-tunable dual-w avelength erbium-doped fiber laser using
a PM fiber Bragg grating[J].C h inese https://www.doczj.com/doc/bd8221893.html,sers,2005,32(2):
145～148
冯新焕,孙 磊,刘艳格等.基于保偏光纤光栅的双波长掺铒光纤激光器[J].中国激光,2005,32(2):145～148
34 Lei S un,Xinhuan Feng,Weigang Zhang et a l..Beating frequency tunable dual-w avelen gth erbium-doped fiber laser w ith one fiber Bragg g rating[J].IEE E Photon.Technol.Lett., 2004,16(6):1453～1455
35 Yan ge Liu,Xin huan Feng,Shuz hong Yu an et a l..
Simu ltaneous four-w avelength lasing oscillations in an erbium-doped fiber laser w ith tw o high birefringence fiber Bragg gratings[J].Opt.E xpress,2004,12(10):2056～2061
36 Yan ge Liu,Xinyong Dong,Ping Shu m et a l..S table room-tem perature multi-w aveleng th lasing realization in ordinary erbium-doped fiber loop lasers[J].Opt.Exp ress,2006,14
(20):9293～9298
37 I.N.Duling,C.-J.C hen,P.K.A.Wai et al..Operation of a nonlinear loop mirror in a laser cavity[J].IE EE J.Quantum
E lectron.,1994,30(1):194～199
38 K.Smith,N.J.Doran,P.G.J.Wigley.Puls e s haping, comp ression,and pedes tal suppression employing a nonlinear-optical loop mirror[J].Op t.Lett.,1990,15(22):1294～1296 39 K.Tamura,H.A.H aus,E.P.Ippen.Self-s tarting additive pulse mode-lock ed erbiu m fiber rin g laser[J].Electron.Lett., 1992,28(24):2226～2228
40 Yuhua Li,C aiyun Lou,Jian Wu e t al..Novel m ethod to simu ltaneously compress pulses and su ppres s supermode noise in actively mode-lock ed fiber ring laser[J].IEE E Photon.
Tech no l.Lett.,1998,10(9):1250～1252
41 Zhihong Li,C aiyun Lou,Kam et a l..Theoretical and experim ental study of pulse-am plitude-equ alization in a rational harmonic mode-locked fiber ring laser[J].IE EE J.Quantum
E lectron.,2001,37(1):33～37
894中 国 激 光 34卷
半导体分布反馈激光器 半导体分布反馈激光器是采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。GaAs－GaAlAs分布反馈激光器已实现室温连续工作，阈值3.4×103安/厘米2(320K)。282K下得到的最大连续输出功率为40毫瓦。 半导体分布反馈激光器- 简介 采用折射率周期变化的结构实现谐振腔反馈功能的 半导体激光器。这种激光器不仅使半导体激光器的某些 性能（如模式、温度系数等）获得改善，而且由于它采 用平面工艺，在集成光路中便于与其他元件耦合和集成。 1970年采用双异质结的GaAs－GaAlAs注入式半导体激光 器实现了室温连续工作。与此同时，贝尔实验室H.利戈 尼克等发现在周期结构中可由反向布喇格散射提供反 馈，可以代替解理面。在实验中，最初是把这种结构用 于染料激光器，1973年开始用于半导体激光器，1975年 GaAs分布反馈激光器已实现室温连续工作。 半导体分布反馈激光器- 原理 半导体分布反馈激光器的反馈结构是一种周期结构，反馈靠反向布喇格散射提供（见图）。为了使正向波与反向波之间发生有效的布喇格耦合,要求光栅周期满足布喇格条件:半导体分布反馈激光器，式中λ0是激射波长,Ng是有效折射率，m＝1、2、3、…(相当于耦合级次)。对于GaAs材料,一级耦合:Λ＝0.115微米。在实验中，使用3250埃He－Cd激光和高折射率棱镜(nP=1.539)，已制出Λ＝0.11微米的周期结构（见半导体激光二极管）。 1.结构及工作机理 DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
如图为短脉冲高功率1.5微米光纤激光器 平均功率能达到1W，可调节的脉冲宽度达到ns 可调节的重复频率达到MHz 可以应用于激光雷达/雷达、遥感、测距 什么是光纤激光器 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：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”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。光纤激光器的特点 光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，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； 由于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、易于系统集成、性能价格比高； 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。 光纤激光器的分类 按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔等。 按激光输出波长数目分类为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。 按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器 按光纤材料分为晶体光纤激光器、非线性光学型光纤激光器、稀土类（如铒）掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器等 随着高容量光纤通信网的发展，波分复用技术得以广泛的采用，它要求多波长光源 具有波长间隔小、线宽窄、功率谱平坦等特点。因此满足波分复用技术要求的多波长光 纤激光器成为研究的重点 多波长光纤激光器基本结构 1、增益介质 就增益介质而言，多波长光纤激光器通常采用光纤放大器(如掺稀土光纤放大器和拉曼光纤放大器作为增益介质，这将使得其具有结构紧凑、灵活方便等优点。值得注意的是，多个波长同时共用同一增益介质将导致较强的模式竞争，要获得多波长同时稳定振荡，这是首先必须考虑的问题。然而，大多掺稀土光纤放大器为均匀展宽的增益介质，对实现稳定的多波长运转是非常不利的，必须采用一些辅助手段来抑制或削弱它们的均匀展宽特性。 （EDFA）多波长掺铒光纤激光器常采用液氮制冷光纤至77k、声光频移位调制和非线性光学效应等辅助技术来抑制掺饵光纤的均匀展宽。 2、谐振腔 在多波长光纤激光器中，谐振腔起到至关重要的作用—完成多波长选模。在大多实际情况下，多波长激光器要求相等波长间隔(ITU叮标准通信间隔200GHz、100GHz、50GHz 和25GHz)激射。为实现这一目的，通常需要借助梳状滤波器才能满足要求
2009年第12 期 中文核心期刊 高功率光纤激光器发展概况 Survey of high-power fiber lasers ZHANG Jing-song (Electronic communications technology department, Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen Guangdong 518029,China) Abstract :High-power fiber lasers have wide applications in the filed of optical communication,printing,marking,material processing,medicine etc.High-power fiber lasers may substitute conventional lasers large-ly,have new application of laser,broaden the scope of laser industry.The history and recent development of high-power fiber lasers home and aboard are surveyed.The prospect of high-power fiber lasers is discussed.Key words :high-power fiber laser,double-clad fiber,cladding pump 张劲松 （深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东深圳518029） 摘要：高功率光纤激光器以其优越的性能和超值的价格，在光通信、印刷、打标、材料加工、医疗等领域 有着广阔的应用，将会很大程度上替代传统激光器，并开辟一些新的激光应用领域，扩大激光产业的规模。概述国内外高功率光纤激光器的发展历史与现状。展望了高功率光纤激光器的发展前景。 关键词：大功率光纤激光器；双包层光纤；包层泵浦中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2009）12-0008-03 0引言 从1960年第一台激光器（美国Maiman 等首先用红宝石晶体获得了激光输出）问世到现在近50年过去了，激光技术确如人们所期，渗入了各行各业：通信、生物技术、医学、印刷、制造、军事、娱乐业等。在某些领域，它已经成为不可替代的核心技术。但是激光产业规模还不够大，究其原因，不是人类不需要激光，而是传统激光器不好用：成本高、效率低、故障多。 光纤激光器的出现带来了扩大激光产业规模的希望。光纤激光器激光光束质量好，电-光转换效率高，输出功率大；所有的半导体器件及光纤组件都可以融接成一体，避免了元件的分立，可靠性得到极大提高。 1国外高功率光纤激光器发展概况 光纤激光器的最早有关研究可以追溯到20世纪 60年代初期，当时激光器刚刚出现不久，人们对激光 器的研究投入了极大热情，积极研制开发各种新型激光器。1961年，美国光学公司的E.Snitzer 等在光纤激 光器领域进行了开创性的工作，他们利用棒状掺钕（Nd 3+）玻璃波导获得了波长1.06μm 的激光。 20世纪70年代，光纤通信的研究开始起步，新兴 的光纤通信系统对新型光源的需求极大地刺激了激光器的研究工作。但由于人们的注意力集中到迅猛发展的半导体激光器技术上，以及光纤激光器自身的一些当时无法克服的困难，光纤激光器的研究逐渐沉寂下来。尽管如此，仍然取得了一些值得一提的成就。例如，1973年，J.Stone 等成功地研制出能够在室温下连续工作的掺钕光纤激光器，他们采用的半导体注入型激光器终端泵浦方式对以后实用型光纤激光器的研究具有重要的意义。 20世纪80年代，英国Southampton 大学的S.B.Poole 等用MCVD 法成功地制备了低损耗的掺钕和掺 铒光纤，因为掺铒光纤光纤激光器的激射波长恰好位于通信光纤的1.55μm 低损耗窗口，人们开始认识到光纤放大器和光纤激光器在提高传输速率和延长传输距离等方面无疑将给光纤通信带来一场革命。掺铒光纤放大器（EDFA ）得到了迅速的发展并成为一项成熟的应用技术。但是，光纤通信用的光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，一直以来只局限于光通讯等领域；同时由于巨大的行业差距，几乎无人把它与激光 收稿日期：2009-08-31。 作者简介：张劲松（1969-），男，博士，高工，现主要从事光纤激光器、放大器等方面的研究。 ⑧
光纤通信技术发展历程、特点及现状
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 2
学号：20085044013 本科学年论文 学院物理电子工程学院 专业电子科学与技术 年级2008级 姓名王震 论文题目光纤通信技术发展历程、特点及现状 指导教师张新伟职称讲师 成绩
2012年1月10日 目录 摘要 (1) Abstract (1) 绪论 (1) 1光纤通信发展历程 (1) 1.1 世界光纤通信发展史 (1) 1.2 中国光纤通信发展史 (2) 2 光纤通信技术的特点 (3) 2.1 频带极宽，通信容量大 (3) 2.2 损耗低，中继距离长 (3) 2.3 抗电磁干扰能力强 (3) 2.4 无串音干扰，保密性好 (3) 3 不断发展的光纤通信技术 (3) 3.1 SDH系统 (3) 3.2 不断增加的信道容量 (3) 3.3 光纤传输距离 (4) 3.4 向城域网发展 (4) 3.5 互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势 (4) 4 结束语 (4) 参考文献 (4)
光纤通信技术发展历程、特点及现状 摘要：光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。光纤通信是以其传输频带宽、通信容量大、中继距离长、损耗低特点，并具有抗电磁干扰能力强，保密性好的优势，光纤通信不仅可以应用在通信的主干线路中，还可以应用在电力通信控制系统中，进行工业监测、控制，而且在军事领域的用途也越来越为广泛。光纤通信技术正朝着超大容量、超长距离传输和交换、全光网络方向发展。 关键词：光纤通信；发展历程；特点；发展现状 绪论 光纤通信技术已成为现代通信的主要通信方式，在现代信息网中起着非常重要的作用，随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用。光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。有专家预测，21世纪将是“光子世纪”，十年内，光子产业可能会全面取代传统电子工业，成为本世纪最大的产业。光纤通信又进入了一个蓬勃发展的新时期，而这一次发展将涉及信息产业的各个领域，其范围更广，技术更新，难度更大，动力更强，无疑将对21世纪信息产业的发展和社会进步产生巨大影响。 1 光纤通信发展历程 1.1 世界光纤通信发展史 光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。 1966年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文《光频介质纤维表面波导》，提出用石英玻璃纤维（光纤）传送光信号来进行通信，可实现长距离、大容量通信。于1970年损失为20db/km的光纤研制出来了。据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1976年，美国贝尔实验室在亚特
IPG官方问题解答 光纤激光器常见问题解答 1. 我现在使用的是灯泵浦YAG激光器，改用光纤激光器会给我带来哪些好处？ ?光纤激光器的电光转换效率高达28 %，而灯泵浦YAG激光只有1.5%～2% ?不用更换灯管，因而更加省钱：光纤激光器中使用了寿命长达10万小时的电信级单芯结半导体激光管 ?所有功率级的光斑大小和形状都是固定的 ?免维护或低维护 ?备件极少 ?风冷或基本不需要冷却 ?体积相当小 ?工作距离更长 ?不需要调整 ?无需预热，立即可用 2. 光纤激光器有质保服务吗？ 在业内，IPG提供的质保期最长：光纤激光器的标准质保期为购买后整2年时间，IPG最长可提供8年质保期，详情请与我们的销售人员联系。 3. 你们的竞争对手说你们的光纤激光器存在后向反射的问题，是真的吗？ 说这些话的人并不熟悉光纤激光器技术，如果传送光纤选择合适的话，我们的数千瓦功率低模光纤激光器不会发射后向反射问题。单模激光都很少出现这种问题。但是，如果后向反射太高的话，设备一旦检测到会自动关闭。使用隔离器也能消除该问题。IPG已经有无数的设备应用在铜和铝等高反光材料的切割和焊接领域。 4. 如何确定光斑大小？ 方法非常简单，对于光纤激光器而言，这是一个光纤输出在工件上成像的过程。光斑大小等于光纤直径乘以准直器的放大率和最终聚焦透镜直径。例如，如果光纤直径等于50μm，准直器的焦距等于60 ，最终聚焦透镜的焦距等于300mm，则最终光斑尺寸等于SS= 50x 300/60= 250微米。光纤直径、准直器、最终聚焦透镜可根据光斑大小要求进行调整。光斑大小不随额定功率的5% ～105%动态范围发生变化，对于单模激光器，在使用低阶模激光遮蔽装置时，光斑大小为高斯光束光斑。5. IPG最近为什么又推出了CO2激光器？ IPG最近推出了第一代CO2气体激光器，输出功率1 ～3 kW，光谱范围10.6μm。这款新的IPG CO2激光器的专利权属于IPG，与现在市面上传统的CO2 激光器相比效率更高、体积更小，非常适合处理非金属材料。 虽然光纤激光器在金属焊接、熔覆、烧结和钎焊等众多领域内正在逐步取代包括CO2激光器在内的传统激光器，但是像聚合物和有机材料等非金属材料使用10.6μm光谱范围的CO2气体激光器处理效果会更好。另外，无数的客户都表达了以更加现代的产品取代自己传统CO2激光器的兴趣。IPG希望随着这款经过改进的CO2激光器的推出能够满足这些客户的需要。 6. 为什么光纤激光器比固态和气体激光器效率更高？ 答案很简单――在设计上，光纤激光器产生的热量更少，对所产生热量的管理更为有效。掺镱半导体泵浦光纤激光器（泵浦波长980 nm）比掺钕YAG二极管泵浦激光器（泵浦波长808 nm）的量子亏损（即泵浦能量和发生能量之差）低。另外，光纤激光器的光光转换效率通常为70-80%，而泵浦YAG仅约为4%，半导体泵浦YAG和盘形激光器约为40%。由于激光始终被包含在光纤内，因而激光腔内不会存在其它导致激光损失的因素。 7. 如果我改用光纤激光器会节省多少成本？ 用户如果在生产中采用光纤激光器会节约相当大的成本，具体节约多少取决于用户的当前工艺、材料、生产环境、电气和劳动力成本。节约主要体现在以下方面: a. 电光转换效率更高：现有传统激光器技术的效率与光纤激光器是无法相比的。 类型电光转换效率
光纤通信的现状及其未来发展 光信息科学与技术08-1班 韩欣欣 08133102 关键词：光纤通信 光纤到户 未来发展 摘要：光纤通信自问世以来，给整个通信领域带来了一场革命，它使高速率，大容量的通信成为可能。目前它已经成为一种不可替代的、最主要的信息传输技术。 引言： 光无处不在。在人类发展的早期，人类已经开始使用光传递信息了。但那时候传递的信息容量非常少，局限性也很大。 随着社会的发展，信息传输与交换量与日俱增，传统的电通信方式已不能满足人们的需要。为了扩大通信容量，通信方式从中波、短波发展到微波、毫米波，这实际上就是通过提高通通信载波频率来扩大通信容量的。这样就出现了现在的光通信技术，就是光纤通信。 光纤通信是将要传送的图像、数据等信号调制到光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式。 与传统的电通信相比，光纤通信是以很高频率的光波作为载波，以光纤为传输介质的通信。由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，自其出现以来就备受业内人士的青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量从1980年至今增加了近一万倍 传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。 光纤发展与应用 为了发展光通信技术，人们又考虑和尝试了各种传输介质，但是他们的损耗都非常的高。直到1966年美籍华人高锟博士和霍克哈姆发表论文，预见了低损耗的光纤能够应用于通信，敲开了光纤通信的大门。从此光纤在通信中的应用引起了人们的重视。 很快在1970年8月美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/kM光纤。光纤通信的时代由此开始了。 1972年，随着光纤制备工艺中的原材料提纯、制棒和拉丝技术水平
激光打标机常见故障及解决方法 一、现象1：激光打标机无激光输出 1、检查激光谐振腔光路是否出现偏移？检查方法为，打开激光打标机光路铝型材盖子将激光打标机按正常方法启动，并将电源电流调整到12A左右，关掉Q驱动器电源，用白色倍频片在半反射镜片前面看是否有绿色的激光输出，如果有，表示激光谐振腔工作正常，如果没有绿色激光输出，请重新调整光路的全反射镜片和半反射镜片，直到用白色倍频片看到绿色激光输出，并将激光电源电流调小后，在小电流下绿色激光点调整到越亮越大越好。 2、检查激光打标控制卡上的PWM信号与Q驱动器上的信号连线是否断开？从而导致出光信号无法输出，正常接线方法有两种：一种为公司自制Q驱，激光打标软件的驱动方式为,打标控制卡上的DB15针插头的第5脚和Q驱动器上的DB9针插头的第4脚；打标控制卡上的DB15针插头的第7脚和Q驱动器上的DB9针插头的第5脚。另一种是桂林星辰的Q驱动器，连接方式为打标控制卡上的DB15针插头的第5脚和Q驱动器上的DB15针插头的第1脚；打标控制卡上的DB15针插头的第7脚和Q驱动器上的DB9针插头的第9脚。解决方法：更换信号线或者重新焊接好原来信号线。 3、检查激光打标控制卡是否损坏？如果安装的是桂林星辰的Q驱动器，检查两路信号。A.激光输出信号激光打标控制卡上激光输出信号为DB15针插头的第1脚连接到Q驱动器DB15针插头的14脚。正常情况下，激光输出信号电压是：打标时为高电平，即打标时为5V，不打标时为0V。如果控制信号电压不对，即为激光打标控制卡损坏。信号。连接方法见上一条，不打标时控制卡第5脚和第7脚之间电压为0V，打标时的电压在0—5V之间，改变脉冲宽度后打标电压会有变化，加大脉冲宽度电压会上升，反之会下降。如果改变脉冲宽度电压没有变化则激光打标控制卡坏。如果安装的是自制Q驱动器则只要检查PWM信号即可。解决方法为：更换全新激光打标控制卡 4 检查激光打标软件的驱动方式是否正确？正确的驱动方式为：（1）如果激光打标机Q驱动器为白色星辰数字式Q驱动器，那么选择的软件驱动方式为时激光打标机才能正常输出激光，（2）如果激光打标机Q驱动器为我们公司自己生产的软件内控式Q驱动器，那么选择的软件驱动方式为时激光打标机才能正常输出激光，如果是软件Q驱动方式选择不正确，此时激光打标机便不会有激光输出，解决方法为：在电脑的程序文件的菜单下找到MarkingMate System软件，然后点击UTILITY,再进入驱动管理员Drv-Manager选择正确的驱动方式 5、检查电脑操作系统或电脑是否有故障？检查方法为：（1）首先检查电脑的；我的电脑（右键）-属性-硬件-设备管理器看是否有找到激光打标PCI控制卡，如果有问号，表示激光打标控制软件的控制卡驱动程序未安装好，因此无法输出打标出光信号，解决方法为:重新安
我国光纤光缆行业的发展现状及前景近年来，光纤通信技术得到了长足的发展，新技术不断涌现，这大幅提高了通信能力，并使光纤通信的应用范围不断扩大。 一、我国光纤光缆发展的现状 1.普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G..652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITUTG.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G..653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 2.核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G..652光纤和G..655光纤。G..653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。G..654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 3.接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加
光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用G..652普通单模光纤和G..652.C低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 4.室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并且还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。结合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 5.电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 二、光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。
分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。 关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率 一、分布反馈式半导体激光器简介 1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质 的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高 能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高 能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。 c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。 d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。 e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
光纤激光切割机常见问题 1.概述 三维光纤激光切割机是由专用光纤激光切割头、高精度电容式跟踪系统、光纤激光器以及工业机器人系统组成，对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔性切割的先进设备。三维机器人激光切割机设备广泛应用于金属加工、机械制造及汽车零部件制造等对3D工件有加工需求的生产中。 2.三维光纤激光切割机器人 (1)三维激光切割原理激光通过激光器产生后，由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的熔化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工目的。 (2)光纤的选择根据金属板材的厚度不同，选用不同的光纤激光器功率，三维切割光纤激光器的功率一般分200W、300W、400W、500W与1000W等多种规格;对不同功率的激光器配备不同的冷却系统，以保障激光器的正常工作。同时要根据机械臂的工作半径和加工工件的大小选定合适长度的操作光纤传输激光，以满足客户切割要求。 (3)辅助气体的要求三维光纤激光切割机采用的辅助气体是99.99%的氧气，这样对切割的精度、速度和切割的断面效果有很大的帮助。 3.三维光纤激光切割机器人的特点 (1)柔性高尤其适合小批量的三维钣金切割。 其高柔性主要表现在两个方面： 第一，对材料的适应性强，激光切割机通过数控程序基本可以切割任意板材。 第二，加工路径由程序控制，如果加工对象发生变化，只须修改程序即可，这一点在零件修边、切孔时体现得尤为明显。由于修边模、冲孔模对其他不同零件的加工无能为力，而且模具的成本高，所以目前三维激光切割有取代修边模、冲孔模的趋势。一般来说，三维机械加工的夹具设计及其使用比较复杂，但激光加工时对被加工板材不施加机械加工力，这使得夹具制作变得很简单。此外，一台激光设备如果配套不同的硬件和软件，就可以实现多种功能。 总之，在实际生产中，三维激光切割在提高产品质量、生产效率，缩短产品开发周期、降低劳动强度、节省原材料等方面优势明显。因此，尽管设备成本高、一次性投资大，国内还是有很多汽车、飞机生产厂家购进了三维激光加工机，部分高校也购进了相应设备进行科研，三维激光技术势必在我国制造业中发挥着越来越大的作用。 (2)光纤激光切割机器人优缺点第一，用工业机器人代替五轴机床，两者都能进行空间轨迹描述实现三维立体切割。工业机器人的重复定位精度比五轴机床稍低，约为±100μm，但这完全可以满足汽车钣金覆盖件和底盘行业的精度要求;而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价，减少了耗电系统费用和系统运行维护费用，减少了系统的占地面积。 第二，光纤激光相比传统激光，具有更好的切割质量，更低的系统造价，更长的使用寿命和更低的维护费用，更低的耗电。关键是光纤激光器的激光可以通过光纤传输，方便与工业机器人连接，实现柔性加工。 第三，本系统唯一的缺陷是只能加工金属工件，不能加工非金属工件。这是因为本系统采用的是光纤激光，其波长为1064nm，相对于波长为10640nm的CO2激光，不易为非金属材料所吸收。
光纤激光器的原理及应用 张洪英 哈尔滨工程大学理学院 摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。 关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势 1引言 对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。 与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。 光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。 2光纤激光器的基本结构与工作原理 2.1光纤激光器的基本结构 光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
光纤激光器特点分类 光纤激光器分类特点 光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质,或者是利用光纤本身的非线性效应制作成的一类激光器.Nd2o3的光纤激光器是于1963年首先研制成功。 光纤激光器是一种新颖的有源光纤器件。它的主要特点是： （1）光纤的芯径很细（10-15um），光纤内易形成的泵浦光功率密度，且单摸状态下激光与泵浦光可充分耦合，因此光纤激光器的能量转换效率高，激光阀值低； （2）工作物质可以做的很长，因此可获得很高的总增益； （3）腔镜可直接镀在光纤端面，或采用定向耦合起方式构成谐振腔，且由于光纤具有良好的柔绕性，而可以设计成相当紧凑的激光器构型； （4）光纤基质具有很宽的荧光光谱，并且还具有相当多的可调参数和选择性，因此，光纤激光器可以获得相当宽的调谐范围和好积的单色性。 光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型： 一：晶体光纤激光器工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等；二：非线性光学型光纤激光器主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器； 三：稀土类掺杂光纤激光器光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器；四：塑料光纤激光器向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。 光纤激光器的迅速发展是基于近年来的光纤技术{拉晶体光纤技术、稀土掺杂光纤技术、单摸低损耗光纤和光纤耦合技术等}和大功率半导体激光技术的突破性进展。特别是采用半导体激光二极管（ld）作为泵浦源，以其小体积和高效率为光纤激光器的实用化奠定了基础。 目前，光纤激光器已进入实用化阶段，已见有连续输出功率几千瓦，峰值功率几万千瓦。 半导体激光器 半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出
2019年中国光纤激光器行业市场现状及发展前景研究报告随着光纤激光器突破了传统激光器在功率、效率和性能方面的瓶颈，逐步替代气和普通固体激光器，光纤激光技术的发展和下游行业需求的增加，光纤激光器市场规模保持快速增长。随着光纤激光器技术逐渐成熟以及下游行业市场需求不断增加，数据显示，2018年中国光纤激光器出货量已突破10万台。 工业自动化生产的推进和激光器功率的提升，光纤激光器在工业领域的应用快速渗透，高功率连续光纤激光器稳定性快速提升，应用领域迅速扩大，光纤激光器在工业领域的应用将进一步扩大，整体市场空间将稳定增长，预计2019年中国光纤激光器出货量将进一步增长，有望突破14万台。 基于此，中商产业研究院长期关注中国光纤激光器市场，针对当前光纤激光器情况以及光纤激光器的发展前景，特别推出了《2019中国光纤激光器行业市场前景研究报告》，通过案例分析，为从事光纤激光器产业的从业人员提供了参考方案。 《2019中国光纤激光器行业市场前景研究报告》主要围绕中国光纤激光器行业概况；光纤激光器发展背景；光纤激光器现状；行业相关企业以及光纤激光器行业未来发展前景等五个章节展开，通过对当前中国光纤激光器的分类别划分诊断，总结光纤激光器发展现状，从而预提出当前行业的发展前景。
PART 1光纤激光器的概况 据中商产业研究院分析，光纤激光器是指利用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器一般用光纤光栅作为谐振腔，泵浦源作为泵浦源，泵浦光从合束器耦合进入增益光纤，在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，选择合适的光纤长度和掺杂离子浓度可以实现对泵浦光的充分吸收，形成粒子数反转并输出激光。
DFB分布式反馈激光器 091041A 谢伟超 DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。 DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。 目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。 设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称动态单模半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光栅的反馈来实现纵模选择。这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模。 分布反馈半导体激光器（DFB－LD）,在DFB－LD中，光栅分布在整个谐振腔中，所以称为分布反馈。因为采用了内部布拉格光栅选择波长，所以DFB－LD 的谐振腔损耗有明显的波长依存性，这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的F－P腔激光器。 结构及工作机理 DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。
图中光栅的周期为A，称为栅距。 当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。 满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。 DFB－LD的光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象。为了将辐射功率集中在同一主模上，同时使各振荡模式的阈值增益差增大，可以采用如下方法： （1）在光栅中引进一个2/4相移； （2）将解理面之一做成斜面或增透，造成非对称的端面反射率； （3）在有源区中靠近腔面的一小段区域上，没有布拉格光栅，形成无分布反馈的透明区； （4）对光栅周期进行适当啁啾。 引进2/4相移和不对称端面反射率两种方法较可行且有效。虽然1/4相移方法在工艺上有一定难度，但是能获得性能很好的动态单纵模。 DFB激光器的特点 与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。 （1）动态单纵模窄线宽输出 由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好 由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。例如，为了制作光栅， DFB 激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激光器的内量子效率降低。此外， DFB激光器的震荡频率偏离Bragg 频率，故其阈值增益较高。
分布反馈式半导体激光器 半导体激光器及其应用调研报告课程题目分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用学院光电技术学院班级电科一班姓名李俊锋学号2010031029 任课教师张翔2013年 5 月15 日分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用李俊锋2010031029 摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，
人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发
射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性，它
公选课课程论文 (2010 -2011 学年第二学期光纤通信发展与现状 学生:周丹丹 提交日期:2011 年 4 月 18 日学生签名:周丹丹 光纤通信发展与现状 周丹丹 摘要:
本文通过介绍及时、准确全面地获取信息在当今这个竞争时代的重要性,指出光纤通信与我们的生活息息相关对我们的生产和生活中起到了相当关键的作用。并简单介绍了了国际光纤通信四十多年来的发展历程,并进一步描述了自 1960年光纤之父高锟等人首先提出了用低吸收的光纤做光通信至今,光纤通信的发展。并具体针对在我国出现不久的 3G 手机上网和手机网上银行做了一些介绍,并提出自己的一些观点和看法。最后结合现状和相关文献对光纤通信未来的发展趋势和方向做一些介绍。 关键字:光纤通信、发展、手机、 3G 、光联网 一、信息的重要性 回顾历史,古人烽火狼烟、快马加鞭、鸿雁传书……这些历史典故都告诉我们一个道理——只有具备及时获取全面、准确的信息,把握动态、解决问题的能力,才能抓住机遇、才能充分展示和发挥自己的才华、扬长避短,取得成功。 一直到信息大爆炸的今天,竞争日益激烈。各个国家、企业甚至个人想要在竞争中掌握主动权,就一定要及时、详细了解当今世界的各个行业的发展的现状和趋势,结合自身条件及时调整自己的战略,使之与时代环境相符合。只有这样才可能在竞争中取得最后的胜利,使人类文明不断前进、不断进步。 如何才能满足人们的需求,有效、及时地传递大量信息呢?人们迫切需要一种新的传输媒介。 二、关于光纤通信 【 1】 光纤通信是用光作为信息的载体,以光纤作为传输介质的一种通信方式。光纤通信系统可分为三个基本单元:光发射机、光纤和光接收机。它首先要在发射端将需传送的信号进行光电转换,再经光纤传输到接收端,接收端将接收到的光信号转变成电信号, 最后还原成原信号。光纤通信系统的构成具体如下:
关于锁模光纤激光器的研究 前言 激光器，顾名思义，即是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。2004 年，Idly 提出了一种自相似脉冲光纤激光器，同时为这种光纤激光器建立了一种数值模型。模型中采用非线性薛定谔方程（NLSE）描述脉冲在正色散光纤中的传输，引入了一个与脉冲强度相关的透过率函数将NPE 锁模机理等效成快速可饱和吸收体（SA）的作用0 模拟发现这种激光器输出的脉冲具有抛物线的形状和线性啁啾，能量可高达10nJ。随着自相似脉冲在实验上的实现，自相似锁模光纤激光器迅速成为超短光脉冲领域的研究热点。用Idly 模型对自相似锁模光纤激光器的研究不断取得新的进展。在此我将对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究（如被动锁模光纤激光器）做一个大致的探讨。
主题 激光器的原理 非线性偏振旋转被动锁模环形腔激光器的结构如图1所示, 激光器由偏振灵敏型光纤隔离器、波分复用器、偏振控制器、输出藕合器、掺yb3+光纤组成。其工作原理为从偏振灵敏型光纤隔离器输出的线偏振光,经过偏振控制器PCI(1/4 λ波片)后变为椭圆偏振光, 此椭圆偏振光可看成两个频率相同、但偏振方向互相垂直的线偏振光的合成, 它们在掺yb3+增益光纤中藕合传输时, 经过光纤中自相位调制和交叉相位调制的非线性作用, 产生的相移分别为 其中n1x 、n1y分别为yb3+光纤沿X、Y方向的线性折射率, n2、l分别为该光纤的非线性折射率系数和长度。 由于两线偏振光的相位差（ΔΦ=Φx-Φy）, 与两偏振光的光强有关, 适当调整光纤偏振控制器PC2（1/4 λ波片 +1/2 λ波片）, 使两偏振光中心