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第九章 有源光纤器件和 光纤光栅 内容提要： §9.1光纤激光器及放大器的结构和发展 9.1.1光纤激光器的基本结构和特点 §9.7 光纤光敏光栅 光纤光栅:光纤纤芯玻璃的折射率沿光纤长度方向周期性地发生变化(比如先增大，然后减小，再次增大……)是可能的。 光栅的结构非常精细，因而其制造也很复杂，传统的剥去 纤芯的包层，利用离子束刻蚀在纤芯上建立光栅的方法不再多 见，取而代之的是利用掺杂光纤的光敏性，掺杂后的光纤对特 定波长的光有强烈的吸收，从而使芯的折射率分布发生改变。 形成光栅。 下例是紫外光通过破坏光纤纤芯的掺锗石英玻璃中的原子键来形成光栅(玻璃成分调节到使这种破坏效应最强)。 图9.7.1 紫外光在敏感的光纤纤芯上写光栅 折射率的改变量与紫外辐射的程度、玻璃成分和写光栅前进行的特殊处理有关。一般而言，脉冲紫外激光器在高强度下照射光纤几分钟，就能将掺锗石英的折射率提高0.00001~0.001倍。照射前用氢处理光纤可以提高其敏感性，这样折射率可以增加到1%。 9.7.1 掺杂光纤光敏性机理 到目前为止，掺杂光纤的光敏机理还没有完全清楚，鉴如此， 介绍几种理论模型，其针对掺杂光纤光敏性来源于掺杂物质与 混合时形成的结构缺陷。 1.双光子吸收漂白模型 和 混合过程中形成了缺陷。研究表明，以 mW/ 量级的光强度足以时Ge－Si键破裂，释放处电子，这 些电子在相邻锗的晶格位置上再被俘获，形成了色心Ge(1)和 Ge(2)，488nm的光通过双光子吸收使得 可在242nm的吸收 带漂白，这个过程的复杂电子移动就形成了某些波段折射率变化， 其折射率增量可由Kramer－Kroning关系推导。 2.色心模型 Ge掺杂光纤中形成的色心Ge(1)和Ge(2)的吸收中心在紫外 波段，这就导致了Ge掺杂光纤在紫外区的吸收光谱。 R.M.Atkins等人用248nm波长的光使242nm的吸收带漂白， 而在195nm处发现一个新的强吸收峰。研究认为，占优势的色 心吸收峰应该在195nm，对195nm的吸收带的分析表明，这正 是Ge掺杂光纤紫外光写入相位光栅中折射率变化的原因。 实验还证明，在900度加热可使光诱导变化反转，在光纤写入 光栅和高温清除后，光纤的光敏性没有实质性变化，这些研究 都证明色心模型的合理性 3.双势能陷阱模型 为了解释在Ge掺杂光纤中写入相位光栅的动力学机制。 Chong等人建议用一种双势阱模型，其结构如下所示： 图9.7.2 双势阱模型 Ge－Si键的初始光能间隙 Ge缺陷的光能间隙 在光的辐照下，由于单光子、双光子或多光子吸收过程，使Ge－Si键破裂，产生色心Ge(1)和Ge(2)的能量间隙比Ge－Si键大。故Ge(2)是光致结构变化的光漂白中心，而Ge(1)起光暗化作用，在此基础上，用速率方程方法，可以分析相位光栅成栅的动力学机制。 4.载氢技术理论 实验已证明，用高压载氢技术，可将光诱导折射率的变化 提高近两个量级。Maki Inai提出一种H2与Ge掺杂光纤相互作 用的模型： 光纤经载氢技术处理后形成的Ge－H，Si－OH和Si－H改变了 光纤的吸收谱，用Kramer－Kroning关系可得到折射率的变化 量。这里，H2起到促进紫外线与Ge造成的缺陷起反应的作用。 导致光诱导折射率变化大幅度提高。 2O－Ge－O－Si－O ＋ O O O O O O O O O O－Ge－H＋O－Si－OH＋ O－Ge－OH＋ O－Si－H O O O 9.7.2 光纤光敏布拉格光栅的形成和原理 原理：去保护层，包层对紫外光刻写波长几乎完全透明，芯层 由于掺杂物的存在，对紫外光强烈吸收。其原理图为下： 图9.7.3 刻写光敏光纤光栅光路图 芯层暴露在两束相互干涉的紫外光所产生的干涉条纹上 干涉条纹 布拉格波长 △n(折射率改变量)～F（紫外光能流密度） (9.7.1) 这里 是光诱导折射率变化的饱和值 L是光栅周期，M是调制度， 干涉条纹的周期。 g(F)为芯层对紫外光能流密度响应g(0)=0 g(∞)=1 将上式的光诱导折射率变化写成傅立叶级数形式： (9.7.2) 其中 §9.4光纤激光技术 目前，0.9oum,1.06um,1.35um波长掺 光纤激光器和1.55um 波长的掺 光纤激光器均已实用化；光纤激光调谐，光纤 激光线宽压缩以及光纤激光调Q和锁模等激光技术均得到广泛 研究