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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 9.2稀土掺杂光纤的光谱 9.3稀土掺杂光纤激光与放大过程 9.4光纤激光技术 9.5光纤放大技术 9.6光纤ASE光源 9.7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是一种新颖的有源器件。属于这类器件 的大体上有三类： 1.利用光纤的非线性效应：例光纤喇曼激光器与放大器 2.利用晶体光纤：例利用YAG ，BSO 晶体光纤制作的光纤激光器 3.利用掺杂光纤：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 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，并有望很快在光通 信领域得到广泛应用，因此，本章着重讨论这类器件。 9.1.1光纤激光器的基本结构和特点 光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同： 其结构如下图9.1.1所示： 激光介质 光纤激光器 谐振腔 光纤激光器有如下优点: 图9.1.1光纤激光器谐振腔 a.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。 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 很宽的调谐范围和很好的单色性。 9.1.2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没有反馈环路，即没有 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 其中：a.作为激光功率放大的结构形式 b.作为全光中继器使用的结构形式 c.作为光前置放大器使用的结构形式 图9.1.2 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 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。 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。 1975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。 1986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。 §9.2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， 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。 9.2.1稀土元素及其离子 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 2 6 2 ，我们用[Xe]表示氙的结构，则他们的结构表示如下，在4f 5s 5p 6s 内占据的电子数决定这元素的化学性质 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 镧 铈 镨 钕 L 铒 铥 镱 镥 [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] 2 2 6s2 4f 3 6s2 4 f 4 6s2 4f 12 6s2 4 f 13 6s2 4 f 14 2 11 6s 5d 6s 4f 5d 6s 4f 5 9.2.2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 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： 一.导致