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光纖激光器原理與特性詳解
一、簡(jiǎn)介
光纖激光器，英文名稱(chēng)為Fiber Laser，是一種以摻稀土元素的玻璃光纖為增益介質(zhì)來(lái)產(chǎn)生激光輸出的裝置。光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由于光纖激光器中光纖纖芯很細(xì)，因此在泵浦光作用下，光纖內(nèi)部功率密度高，使得激光能級(jí)出現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)正反饋回路構(gòu)成諧振腔，便可在輸出處形成激光振蕩。
二、結(jié)構(gòu)
光纖激光器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于傳統(tǒng)的固體激光器、氣體激光器，主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三大部分構(gòu)成，如下圖所示。其中，泵浦源一般為高功率的半導(dǎo)體激光器，增益介質(zhì)為摻稀土元素的玻璃光纖，諧振腔由耦合器或光纖光柵等構(gòu)成。
三、原理
在上圖中，由泵浦源發(fā)出的泵浦光通過(guò)一面反射鏡耦合進(jìn)入增益介質(zhì)中，由于增益介質(zhì)為摻稀土元素光纖，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土離子發(fā)生能級(jí)躍遷并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)過(guò)諧振腔，由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放能量，并形成穩(wěn)定的激光輸出。
四、特點(diǎn)
特點(diǎn)一：由于光纖纖芯直徑小，在纖芯內(nèi)容易形成高功率密度，因此光纖激光器具有較高的轉(zhuǎn)換效率、較低的闕值、較高的增益、較窄的線寬、且可方便的實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)的連接。
特點(diǎn)二：由于光纖具有很好的柔繞性，因此光纖激光器具有小巧靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、性?xún)r(jià)比較高、且更易于系統(tǒng)的集成的特點(diǎn)。
特點(diǎn)三：與傳統(tǒng)的固體激光器、氣體激光器相比，光纖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較高、結(jié)構(gòu)較緊湊、可靠性高、且適合大批量的生產(chǎn)。
特點(diǎn)四：與半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器的單色性較好、調(diào)制時(shí)可產(chǎn)生較小的啁啾和畸變、且與光纖的耦合損耗較小。
和半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器的*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(jiǎn)單、可靠性高等特性，易于實(shí)現(xiàn)和光纖的耦合。
我們可以從不同的角度對(duì)光纖激光器進(jìn)行分類(lèi)，如根據(jù)光纖激光器的諧振腔采用的結(jié)構(gòu)可以將其分為Fabry-Perot腔和環(huán)行腔兩大類(lèi)。也可根據(jù)輸出波長(zhǎng)數(shù)目將其分為單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)等。
對(duì)于不同類(lèi)型光纖激光器的特性主要應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
(1)閾值應(yīng)越低越好;
(2)輸出功率與抽運(yùn)光功率的線性要好;
(3)輸出偏振態(tài);
(4)模式結(jié)構(gòu);
(5)能量轉(zhuǎn)換效率;
(6)激光器工作波長(zhǎng)等。