光纤激光器与光纤放大器的设计实验.pdf

实验五 光纤激光器与光纤放大器的设计实验 一、实验目的 1、掌握掺铒有源光纤的增益放大特性； 2 、掌握光纤激光器的原理及其基本结构，掌握光纤激光器的设计及其波长 调谐方法； 3、掌握光纤放大器的原理及其基本结构，掌握光纤放大器的设计以及基本 特性参数的测试方法。 二、实验原理 （一）光纤激光器的基本结构 光纤激光器和其它激光器一样，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激励光跃迁的泵浦源三部分组成。 纵向泵浦的光纤激光器的结构如图 1 所示。 激光输出 泵浦光 掺杂光纤 未转换的泵浦光 图 1 光纤激光器原理示意图 一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵 浦光从左面腔镜耦合进入光纤。左面镜对于泵浦光全部透射和对于激射光全反 射，以便有效利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。右面镜对 于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和获得激光输出。这种结构实际上 就是 Fabry-perot 谐振腔结构。泵浦波长上的光子被介质吸收，形成粒子数反转， 最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。激光输出可以是连续的，也可 以是脉冲形式的，依赖于激光工作介质。 对于连续输出，激光上能级的自发发射寿命必须长于激光下能级以获得较高 的粒子数反转。通常当激光下能级的寿命超过上能级时只能获得脉冲输出。 光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，图 2(a) 、(b)分别表示三能级和四能级系统的跃迁系统的简化能级图。两者的差别在 于较低能级所处的位置。在三能级系统中，激光下能级即为基态，或是极靠近基 态的能级。而在四能级系统中激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通 常为无辐射跃迁，电子从基态提升到高于激光上能级的一个或多个泵浦带，电子 一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。泵浦带上的电子很快弛豫到寿命比较长的 亚稳态，在亚稳态上积累电子造成粒子数多于激光下能级，既形成粒子数反转。 电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反 馈回增益介质中诱发受激发射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光 子，当光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内损耗时，就会产生激光输出。 理论上四能级光纤激光器的阈值低于三能级系统。 泵浦源 泵浦源 激光上能级 激光上能级 激光下能级 基态 基态 a （）三能级 b （）四能级 图2 三能级和四能级的简化能级图 实验中采用半导体激光器做泵浦光源，光纤光栅做反射镜，增益介质为掺 Er3+光纤，其工作原理与普通的固体激光器红宝石激光器的工作原理相同，属三 能级系统。 （二）掺铒光纤特性 掺杂在不同基质中的铒离子，其光谱性质相似，但并不完全一致。波长在 1550nm 处的荧光跃迁主要取决于离子的电子结构而不是基质。在稀土元素中， 铒也是比较特殊的，它具有窄的吸收和发射线。即便在玻璃中，由于局域电场的 作用，各个格位的电子能级各不相同（Stark 效应）；与其它稀土离子相比，铒离 子的跃迁带更窄。当这种现象更有利于得到高效率放大器，但也限制了可能放大 的波长范围。光谱宽度会因基质的不同而不同。 掺饵光纤在 0.5um~1.6um 波长范围内有几个吸收峰，分别对应的铒离子能级 是 0.