光纤简介在线视频

大家好我们现在来讲一下

超短脉冲光纤激光器

主要的内容有三部分

一个是光纤的简介

还有一个是

光纤锁模激光器的启动机制

最后一部分是锁模脉冲的类型

还包括一部分光纤放大器

先看一下光纤激光器

光纤激光器说跟固体激光器的区别

是在于增益介质

现在用的是光纤看一下右边的图

这个结构其实看

和咱们用的那个固体激光器

没有什么太大的区别 有泵浦光过来

然后耦合进增益介质中

只是现在增益介质换成光纤

换成了光纤有什么好处

左边是一个光纤的一个演示图

就是可以看到它可以缠绕

可以缠绕到一个圆轱上

因此它可以便携

而且还可以做成全光纤式的

就没有分立元器件

所以是光纤激光器的一个发展

与光纤激光器的相关的一些重要结果

有这么几个一个是光纤激光器

现在主要用的

还是半导体激光器做泵浦源

因此半导体激光器

是在1962年到63年发明之后

在两千年获得诺贝尔奖

因为两千年之后

半导体激光器的成本大大的降低

因此它作为泵浦源成为一个主要的趋势

还有一个就是光纤的发明

大家知道光纤

是在1966年由高锟来发明的

他在09年因为发明光纤

获得诺贝尔奖

对于光纤激光器来说

有一个标志性的工作是在85年的时候

David Payne

他做出一个掺杂介质

是掺饵的光纤

因此用掺饵光纤做成光纤激光器

因为掺铒光纤它的输出波长

是在1.55个微米

因此可以用在通信波长

但是大家都知道在光纤中

如果要做单模光纤的话

芯是非常的小的

大概就是在几个微米的数量级

那如果把泵浦光想要耦合到微米数量级

效率不太高另外一个

大的功率如何如果耦合到

光纤中也容易把光纤烧坏

所以功率一直不能提高的很多

那在88年的时候

由Snitzer先生和hongpo两位发明

一个双包层光纤

这样子就使得激光器的功率大大的提高

因此成为一个高功率产业化的激光器

光纤激光器有什么优势

左边给一个固体激光器的

一个锁模激光器的实验装置

右边是一个光纤激光器的实验装置

刚才说过固体激光器

它首先晶体是一个分立器件

所以用的腔镜基本上都是一些镜子

所以在系统中分立器件是比较多的

而在光纤中可以

把各种器件给它焊到一起去

所以光纤可以做的比较小

性能也比较稳定

总结一下固体激光器

和光纤激光器的对比

固体激光器可以做锁模

可以是kerr锁模

也可以是SESAM锁模

光纤激光器也同样也可以是sesam锁模

或者叫可饱和吸收体锁模

脉宽呢固体激光器的脉宽可以做的比较窄

比方说钛宝石激光器

可以到10fs以下

固体激光器的能量也可以做的很高

但它的缺点就是体积比较大

需要水冷

腔的稳定性差

并且启动它的可靠性不太好

对于光纤激光器来说

它的脉宽相对的来说要宽一些

一般是在几到几百个fs左右

脉冲能量不是很高

因为这个里头涉及到光纤激光器

它的有一个脉冲分裂的特性在里头

后面我们会讨论一下

但是光纤激光器的优点

就是可以做的体积小

如果功率不是很高的话可以不要水冷

腔的稳定性也比较好

但是它同样

也存在锁模的可靠性比较差的问题

先介绍一下光纤光纤激光器中

光纤是一个主要的器件

那这个光纤看一下图

咱们前面讲过固体激光器

固体激光器的增益介质

是一个晶体

晶体如果以棒状来表示

就是左上角它有一个棒

一般的尺寸大概是

横截面大概是3到5个毫米

长度有长有短

大概是在几个毫米到厘米的数量级上

它的主要的问题是说散热

需要散热热分布会比较厉害

那如果想要让它散热

就获得大功率的话

要提高散热怎么散呢

两个极端一个是

把固体给它往扁里压压成一个薄片

就是disk就是薄片激光器

那还有一个办法就是

把固体的往长拉

往常拉就变成光纤

就是光纤激光器

那中间还有一个叫板条激光器

光也可以折射的输出

那光纤激光器的好处在哪儿

因为光纤可以拉的很长

因此它的表面积会比较大

所以光纤的散热性是比较好的

因此光纤可以做大功率输出

但是刚才说过它的光纤大功率输出

但是它的通光面积是比较小的

一般在微米数量级几个微米

因此它的光强会比较高

因此产生非线性效应

那产生非线性效应就有好与不好

好非线性效应可以产生锁模脉冲

那不好那非线性效应太强会产生脉冲分裂

就是两分法来看

光纤普通的来说对于普通光纤来说

有几种最简单的也是最早发明出来

叫阶跃型光纤

如果是单模光纤单模光纤

就要满足单模光纤的条件

就是给的右边图

单模光纤是取决于

在光纤中的传输的模式的

解的是那个光纤的本征方程

咱们在前面讲光脉冲在光纤中

传输的那个方程中提一句

但是没有解本征方程

本征方程解出来大家

从右边图可以看得到

如果要想获得单模光纤

归一化的频率

要小于2.405就是在2.405以下

它就只有一个模式存在

这就是单模光纤

如果大于2.405就变成

两个 三个 甚至于多模

那在这里头看一单模条件

单模条件等于

V是吧归一化频率等于

(2π/λ)a乘上根号下n1方-n2方

λ的代表在光纤中传输的光波长

a代表的是纤芯的尺寸

n1减n2的代表芯区和包层的折射率差

也就是说归一化频率

如果选单模2.405定之后

芯区的尺寸a就不能变得太大

如果太大就大于2.405就不能是单模

那取决于谁如果想要获得高的a值

就要降低n1减n2的差值

但是大家知道在光纤通讯中

用的是熔融石英

熔融石英的芯区和包层的折射率

芯区比方说是在1.46的话

包层是在1.45

其实已经差0.01的值

那0.01在生长过程中已经不是很好控制

如果想进一步降低它的差值

就要有一些精确的工艺来控制

芯区的尺寸a

大概就是在3到8个微米数量级上

那3到8个微米

如果做通信用的光纤还可以

但是做光纤激光器的话

泵浦光很难耦合进芯区中去

怎么办改进的方式

就做第一双包层光纤

那就是第二个图

就是把包层分两层

一个是内包层一个是外包层

让泵浦光的在内包层中传输

让振荡光在芯区中传输

这样泵浦功率可以提高

同时也可以使得传输的

振荡光它的模式可以变得比较好是单模

但是还不能满足要求

所以后面就又发明另外一种光纤

叫大模场面积光纤

仍然可以输出的是单模

但那时候它的模场可以变得稍微大一点

其实就是光子晶体光纤

普通光纤中还有一个特点

就是光纤中它的偏振特性

大家知道在光在介质中传输的时候

它是有偏振特性的是通常分为

比方说x方向和y方向

两个垂直方向上的偏振

那光纤在比较长的光纤中

如果光纤拉的好

它是一个圆的光纤

这个时候就没有双折射的问题

但是在拉制的过程中

有可能x方向和y方向它不是很圆

就会有自然双折射

或者是光纤在弯曲的过程中

或者是被受应力压的时候

也会使得两个方向的折射率

不一样也会产生双折射

就导致了光纤中有自然双折射

那偏振就会不受控制

这个是它的一个问题

那如果要想让光纤中传输的光

它的偏振方向可以保持

那就可以做成一个保偏光纤

保偏光纤就是人为的扩大自然双折射

让x方向和y方向

它的折射率差的比较大

就可以使得光传输的过程中

偏振方向受到控制

那通常用的保偏光纤有两种

一种就是下面这种叫熊猫型的光纤

就是长得有点像熊猫

是有两个圆的孔

还有一种叫领结形

就是一个点像那个系得领结一样

它为什么可以那个保偏

简单的来解释的话

就可以看到比方说x轴方向

如果光纤是一个熔融石英的话

在x方向它的折射率本来是等于1.45的

但是如果在横轴上

掏两个洞是两个空气洞

平均下来是x方向的折射率就会降低

但是时候y方向是没有空气孔的

因此y方向的折射率

就高于x方向的折射率

这样就产生一个人为的双折射现象

所以当偏振光在里头传的时候

就可以保持它的偏振特性

但是这里要强调的一点

就是在保偏光纤中传输的光

其实两个偏振模式是都可以传输的

只是它们之间没有耦合

那还有一种极端的情况

就是叫单偏振光纤

就是在光纤中只有一个方向

它是可以传输的

另外一个方向就被截止

那叫单偏振光纤

是光纤的一个特性

那保偏的原理从图中

也可以解释一下

就是如果没有偏振特性

光它x方向振荡的光和y方向

振荡光它是随机振动的

出来光就有可能

它的偏振方向就会随机输出

那时候如果让它x方向

y方向让它固定的偏振

它合成出来之后的那个偏振光

就可以保持不变

所以从左下角图可以看到入射光

如果是垂直方向偏振

输出的光也是垂直方向偏振的

这个里头有一个概念叫拍长的概念

但是就是它两个方向

虽然折射率不一样传输的速度不一样

但是它在传输到一定距离之后

x方向和y方向的偏振

就重合它是周期性的重合

因此周期性的距离就叫它拍长

光纤还有一种类型叫做光纤光栅

光纤光栅其实从名字大家也可以

想象它是一个什么东西

首先它是一个光栅

只不过光栅它是一个光纤形式的光栅

怎么做出来的是找一根儿光纤

最好把芯区掺一些光敏材料

把光纤放到一个周期性的光源的区域内

那这时候光纤它

就会在周期性的一个环境下曝光

就使得芯区它的折射率

发生周期性的变化

就是高低高低折射率

那就相当于是一个光栅结构

那这时候大家都知道光栅

它是有光谱的选择性的

因此看右面图

如果是一个宽光谱的光入射到光纤中

它只对某一种光波长是有选择性的

因此在对全反射的光波长

就反射回来

而没有被反射的光能就透过去

就是光纤光栅的基本原理

光纤光栅主要分为三大类

看一下左边的图

一种叫布拉格光栅也就是

所说的叫短周期光栅

它的光栅的间隔是周期性的

就是等间隔的

就是布拉格光栅

布拉格光栅主要是用在哪儿

就是就用在WDM作为WDM的器件

或者是作为反射镜就

刚才说的它可以选择性的波长

光从这儿进去

有一部分光场波长就被反射回来

做反射镜用它还可以做传感器用

看第三种

最下面那个它也是一个周期性的光栅

但是时候它的周期是比较长的

叫它长周期光纤光栅

通常是用在透过型的

就是入射光从那儿输出

透过型的主要是用在哪儿

一个是做滤波器用的

叫带通滤波器

也可以做色散补偿元器件用

另外光栅嘛都可以做传感器来用

还有一种就是中间这种

叫啁啾布拉格光纤光栅

啁啾词儿也都很熟

什么叫啁啾就是它长短不一

在这儿就叫做

光栅的周期不是一个常数

它是变周期的

变周期的设计好以后

可以干什么可以做色散补偿用

就是咱们说讲的是超短脉冲吗

超短脉冲需要有一个色散补偿的元器件

前面讲的时候那色散补偿元器件

其中有一个就是用光纤光栅来做的

同时它也可以做反射镜用

右边的这两个图

给出来一个

它的反射的反射率以及它的啁啾的图

可以看到线还是比较直的

是光纤光栅

还有一类光纤叫光子晶体光纤

顾名思义首先它是一个光纤

其次它是一个光子晶体光纤

就是它是一个晶体

那大家都知道晶体

它都是有一个晶胞的

晶胞按照周期性的排列就产生晶体

那什么叫光子晶体

就是光纤是用熔融石英做的

石英大家知道它是各向同性介质

它根本没有周期性

可是要想让它产生周期性结构

怎么办呢

可以人为的给它制造一些结构

那这个结构长什么样

看左边的图是左边的图

就是光纤芯区还是有的有一个芯区

包层它把包层打很多个孔

孔是周期性排列的并且

孔对应的那个波长是光波的波长

那因此管这个结构

叫做光子晶体光纤

光子晶体光纤主要

有两大类一个叫波导型

一个叫带隙型

波导型就是跟咱们普通的那个光纤

是一样的它的芯儿的折射率高

包层的折射率低

这个时候就是

光波在里头是靠全反射的原理传输的

但是波导型有个什么问题

就是中间的芯

如果是一个有介质材料

比方说石英的话

那当高功率的光打到材料上

它就第一是会给它烧坏

第二它会有非线性效应

那为解决问题就是又发明一种光纤

就是把中间光纤的中间

芯儿给它变成空气芯

这就是图的最右下角的图

大家可以看到它中间的

那个纤芯变成空气

它的包层是一个周期性的结构

那时候它的光在里头传输的特性

就不再是按照全反射的光线来传

是按照带隙结构来传就是因为它包层

变成一个周期性结构

所以它就会产生的

跟光栅的那个特性是一样的

它会有波长选择性

因此这类材料

叫带隙型光纤

里头所以有几种

在里头对于通讯用的来说刚才说过

纤芯小一点没关系

因为它的传输的功率是比较低的

但是如果做光纤激光器的话

希望它的非线性效应要小一点

非线性效应小就意味着

纤芯尺寸要大

但尺寸大就变成多模

就是一个矛盾那怎么办

就设计光子晶体光纤

让它产生一个大模场面积

这样就可以产生高功率

那这个是光子晶体光纤

现在还有一种新型的光纤

也是一个大模场面积

让它的多模损耗掉

就是在纤芯的主芯边儿上

给它加一个小的纤芯

就是像藤缠绕一样缠绕上去

可以把高阶模损耗掉

叫它3C光纤那这是

由这位老先生发明的

那最后一种光纤就是

咱们现在比较关心的叫做增益光纤

增益光纤主要是在石英中

掺杂了一些稀土元素

目前的来说增益光纤

有这几种一个是掺铒的

一个是掺钕离子一个是掺镱离子

还有掺铥 和掺钬离子的

对应的吸收波长

是中间这一系列

掺铒的它的吸收波长

有两个一个是980一个是1480纳米

输出波长是在1.55是对应的

那个通讯波长是1.5微米

第二种材料叫掺钕的光纤

掺钕的光纤吸收波长是在808纳米

输出是在1.06微米

这跟固体的那个特性是一样的

掺镱的有两个吸收波长一个是910

一个是976发射波长是在1.03

所以掺镱和掺钕都在1微米

前面讲固体激光器的时候也说过

这两种材料各有优缺点

还有一种光纤叫掺铥

掺铥它的优势是它的输出波长

在1.9个微米就已经到近红外

掺钬是在2.1个微米

掺钬它们俩的吸收波长

分别是掺铥是在800或者是1600纳米

掺钬是在1150或者是1900纳米

这个是增益光纤

目前来说用的比较多的一些光纤

根据想要的输出波长不一样

可以选择不同的增益光纤

可以选择不同的增益光纤