光纖激光器

1、光纖激光器,,激光產(chǎn)生的基本理論激光產(chǎn)生的三要素光纖激光器光纖激光器應(yīng)用,1.受激輻射,受激輻射躍遷時產(chǎn)生的光子與外來光子在頻率、相位和振蕩方向完全一致，產(chǎn)生的光子相當于加強了外來光子，即光放大作用。,原子中處于高能級E2的電子,會在外來光子(其頻率恰好滿足hv=E2-E1)的誘發(fā)下向低能級E1躍遷,并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子,這叫受激輻射。,在受激輻射過程中產(chǎn)生并被放大了的光，便是激光,一.激光產(chǎn)生的基本理論,2.粒子集居數(shù)

2、反轉(zhuǎn),在平衡狀態(tài)下，粒子（原子、分子等）在各能級的分布滿足玻爾茲曼公式，即能級的能量越高，上面的粒子數(shù)越少。這時如果給粒子系統(tǒng)提供一個外來能量，使低能級上的粒子吸收能量躍遷至高能級上，使高能級上的粒子數(shù)多于低能級上的粒子數(shù)，這個過程即成為粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)。只有在兩個形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能級之間，受激輻射的分量才能大于受激吸收，光才能得到放大。,激勵源、工作介質(zhì)、諧振腔,1.激光器基本構(gòu)成部分,2.激光的形成,激光的形成是由光束在諧振腔內(nèi)來回

3、振蕩，在工作介質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。,二.激光產(chǎn)生的三要素,要想把處于低能態(tài)的粒子送到高能態(tài)去，就得有外力借助工具來實現(xiàn)。要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，首先必須消耗一定的能量把大量粒子從低能級“搬運”到高能級，這種過程在激光理論上叫做泵浦或激勵。然而，粒子都是甘居低能態(tài)的，而且很頑固。即使費了很大勁把一部分抽運到了高能態(tài)，但它們很快就又自發(fā)地躍回低能態(tài)了。所以，那就需要加大能量不停頓地來轟擊。就是說，激勵不僅要快，而且要強有力。激勵作

4、用總是通過消耗一定的能量來實現(xiàn)的，產(chǎn)生受激輻射所需要的最小激勵能量定義為激光器的閾值(閾，即門檻的意思)。,1.激勵源,在大干世界里，各種各樣的物質(zhì)都是由分子、原子、電子等微觀粒子組成的，如果有了強大的激勵是不是都能在物質(zhì)中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光呢？不是的，激勵只是一個外部條件，激光的產(chǎn)生還取決于合適的工作物質(zhì)，也稱之為激光器的工作介質(zhì)，這才是激光產(chǎn)生的內(nèi)因。那激光器的工作介質(zhì)要有什么特性呢？目前所有已實現(xiàn)的激光輻射都是三能級或四能級

5、系統(tǒng)。,2.工作介質(zhì),下圖是紅寶石激光器的鉻離子(Cr3+)的簡化能級圖，這是一個典型的三能級系統(tǒng)。圖中所示的E1,E2,E3中，E2是亞穩(wěn)態(tài)級。,外界激發(fā)作用將會把粒子從E1抽運到E3，被抽運到E3的粒子很快通過無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E2，因為E3的壽命只有10-9秒，即10億分之一秒，不允許粒子久留，所以此過程很快。但E2的亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長，約為10-3秒，即千分之一秒，允許粒子久留。隨著E1上的粒子不斷地被抽運到E3，又很快轉(zhuǎn)移到E2，

6、既然E2允許粒子久留，那么從E2到E1的自發(fā)輻射躍遷幾率就很小，于是粒子就在 E2上積聚起來，從而實現(xiàn)E2對E1兩能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,這個系統(tǒng)便能對誘發(fā)光子能量hv=E2—E1的光進行光放大。顯然，E2能級好象一個水塔上的蓄水池，能夠貯存大量的粒子，只有亞穩(wěn)態(tài)級才具有這種能力，但并不是所有的發(fā)光物質(zhì)都具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，這就是有些物質(zhì)可以“激”出激光來，而有些物質(zhì)卻“激”不出來的道理。所以，具備亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)是對產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)的起碼要

7、求。,,合適的工作物質(zhì)有了，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激勵源有了，這下子該“激”出激光了吧！還不行，因為人們在實驗中發(fā)現(xiàn)這樣雖然可以產(chǎn)生受激輻射，但非常微弱，根本形不成可供人們使用的激光。這很自然的使人們想到了采用放大的辦法來解決這個問題，于是出現(xiàn)了光學諧振腔。所謂光學諧振腔實際是在激光器兩端裝上兩塊反射率很高的鏡子，一塊全反射，一塊部分反射，以使激光可透過這塊鏡子射出，被反射回到工作介質(zhì)的光繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔內(nèi)來回

8、振蕩造成連鎖反應(yīng)，雪崩式的獲得放大，產(chǎn)生強烈的激光，從部分放射鏡一端輸出。,3.光學諧振腔,光纖激光器主要由泵浦源，耦合器，摻稀土元素光纖，諧振腔等部件構(gòu)成。泵浦源由一個或多個大功率激光二極管陣列構(gòu)成，其發(fā)出的泵浦光經(jīng)特殊的泵浦結(jié)構(gòu)耦合入作為增益介質(zhì)的摻稀土元素光纖，泵浦波長上的光子被摻雜光纖介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)射的光波經(jīng)諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激光輸出。,光纖激光器,光纖激光器以光纖作為波導介質(zhì)，耦合效率高，易形成高功率密

9、度，散熱效果好，無需龐大的制冷系統(tǒng)，具有高轉(zhuǎn)換效率，低閾值，光束質(zhì)量好和窄線寬等優(yōu)點。并且，光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點；超長的工作壽命和免維護時間，平均免維護時間在10萬小時以上。,光纖激光器的優(yōu)點,光纖激光器應(yīng)用,光纖激光器有著波導式結(jié)構(gòu)，可容強泵浦，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、可靠性高等特點，在通信、傳感、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、激光印制等領(lǐng)域有

10、著廣闊的前景。在通信方面，光纖激光器提供的1.30µm和1.55µm波段的激光是通信的兩個低損耗窗口。光纖激光器不僅能產(chǎn)生連續(xù)激光輸出，而且能實現(xiàn)ps-fs超短光脈沖的產(chǎn)生，在DWDM系統(tǒng)有巨大的潛在應(yīng)用。光纖激光器使通信系統(tǒng)有更高的傳輸速度，更遠的傳輸距離，起著不可替代的作用。在醫(yī)療方面，光纖激光器因其體積小、光纖柔軟性好，光束質(zhì)量好，且不需冷卻系統(tǒng)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。光纖激光器使能縮短組織脫落和光致凝結(jié)的

11、手術(shù)時間;同時使得眼科疾病如角膜成形、近視、遠視等的治愈成功率大大提高。還在整容、切除腫瘤、治癌、皮膚病方面扮演重要的角色。在工業(yè)領(lǐng)域，可用于激光打標、激光焊接、激光切割等。,激光打標包括半導體芯片/晶元片/集成電路/電子器件，醫(yī)療器件，手機/計算機鍵盤，儀器面板/按鍵，服裝鈕扣，香煙/食品包裝等。,CO2和YAG激光器：體積大；高功耗；短壽命；高維護費用；使用不方便。,摻鐿光纖激光器：體積??；低功耗；長壽命 ；低成本，免維護；光束