光纖激光器的原理

光纖激光器原理

光纖激光器利用摻雜稀土元素的光纖研制成的光纖放大器給光波技術(shù)領(lǐng)域帶來了革命性的變化。由于任何光放大器都可通過恰當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制形成激光器，因此光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)。目前開發(fā)研制的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)。由于光纖激光器中光纖纖芯很細(xì)，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。因此，當(dāng)適當(dāng)加進(jìn)正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩。另外由于光纖基質(zhì)具有很寬的熒光譜，因此，光纖激光器一般都可做成可調(diào)諧的，非常適合于WDM系統(tǒng)應(yīng)用。

和半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：光纖激光器是波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，可容強(qiáng)泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特性，易于實(shí)現(xiàn)和光纖的耦合。

光纖激光器的工作原理

以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介質(zhì)，摻雜光纖固定在兩個反射鏡構(gòu)成諧振腔。當(dāng)泵浦半導(dǎo)體激光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激光能級上，實(shí)現(xiàn)了粒子反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子以輻射形式從高能級轉(zhuǎn)移到基態(tài)，輸出激光。

光纖激光器的原理特性

由于光纖激光器采用的工作介質(zhì)具有光纖的形式，其特性要受到光纖渡導(dǎo)性質(zhì)的影響。進(jìn)入到光纖中的泵浦光一般具有多個模式，而信號光電可能具有多個模式，不同的泵浦模式對不同的信號模式產(chǎn)生不同的影響，使得光纖激光器和放大器的分析比較復(fù)雜，在很多情況下難以得到解析解，不得不借助于數(shù)值計算。光纖中的摻雜分布對光纖激光器也產(chǎn)生很大的影響，為了使介質(zhì)具有增益特性，將工作離子（即雜質(zhì)）摻雜進(jìn)光纖。一般情況下，工作離子在纖芯中均勻分布。但不同模式的泵浦光在光纖中的分布是非均勻的。因而，為了提高泵浦效率，應(yīng)該盡量使離子分布和泵浦能量的分布相重合。在對光纖激光器進(jìn)行分析時，除了基于前面討論的激光器的一般原理，還要考慮其自身特點(diǎn)，引入不同的模型和采用特殊的分析方法，以達(dá)到最好的分析效果。

和傳統(tǒng)的固體、氣體激光器一樣，光纖激光器也是由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三個基本要素組成。泵浦源一般采用高功率半導(dǎo)體激光器，增益介質(zhì)為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學(xué)反饋元件構(gòu)成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構(gòu)成各種環(huán)形諧振腔。泵浦光經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)耦合進(jìn)入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或非線性增益并產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射。所產(chǎn)生的自發(fā)發(fā)射光經(jīng)受激放大和諧振腔的選模作用后，最終形成穩(wěn)定激光輸出。

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