掺铥光纤激光器的研究
掺镱微结构光纤激光器的设计与实验的开题报告
掺镱微结构光纤激光器的设计与实验的开题报告1. 研究背景微结构光纤激光器是一种新型的激光器，相比传统激光器具有更小的尺寸、更高的功率、更高的效率和更高的可靠性。
其中，掺镱微结构光纤激光器又是一种应用广泛的激光器。
其利用微结构光纤中的光纤泵浦技术来实现掺镱光纤激光器的激光输出，并且具有优秀的光谱品质和高能量转换效率。
因此，在研究掺镱微结构光纤激光器的设计与实验方面具有重要意义。
2. 研究内容本文旨在探究掺镱微结构光纤激光器的设计与实验，具体研究内容如下：(1) 系统地阐述掺镱微结构光纤激光器的工作原理及其性能特点；(2) 基于各种相应的设计原则（如波导分析、环形共振器分析等），提出掺镱微结构光纤激光器的激光输出电路和参数设计方案；(3) 建立掺镱微结构光纤激光器的模拟仿真模型，并进行性能分析和优化；(4) 搭建实验平台，实现掺镱微结构光纤激光器的激光输出，比较实验结果与仿真分析结果的一致性。
3. 研究意义和预期目标本文的研究意义在于能够提出基于微结构光纤的掺镱光纤激光器设计方案及其性能分析，以此提高这种激光器的效率和可靠性，进一步推动微结构光纤激光器产业的发展。
预期目标是成功搭建掺镱微结构光纤激光器实验平台，实现稳定的激光输出，并能够对其性能进行充分分析，最终证明所提出的设计方案的可行性。
4. 研究方法和步骤为了实现本文的研究目标，需要采取以下措施：(1) 阅读相关文献，深入理解掺镱微结构光纤激光器的原理及其工作特点；(2) 根据文献中提出的电路和参数设计原则，建立掺镱微结构光纤激光器的激光输出电路和参数设计方案；(3) 借助模拟仿真软件（如Lumerical、COMSOL等），建立激光器的仿真模型并进行性能分析和优化；(4) 根据仿真分析结果，进行优化后，搭建实验平台并进行激光输出实验；(5) 对实验数据进行分析，与仿真分析结果进行对比，验证掺镱微结构光纤激光器的性能，并对其发展提出展望。
5. 论文结构本文的结构安排如下：第一章：绪论。
掺铒脉冲光纤激光器及其泵浦的掺铥光纤激光器研究
掺铒脉冲光纤激光器及其泵浦的掺铥光纤激光器研究摘要：掺铒脉冲光纤激光器和掺铥光纤激光器是目前应用最广泛的激光器之一。
本文将综述掺铒脉冲光纤激光器和掺铥光纤激光器的特点、优点、应用以及泵浦方式的研究进展。
关键词：掺铒激光器、掺铥激光器、波长、光谱宽度、泵浦掺铒脉冲光纤激光器的研究掺铒脉冲光纤激光器是基于掺铒光纤而成，具有很高的光谱宽度、很短的脉冲宽度、很高的功率和能量密度。
掺铒脉冲光纤激光器可以产生各种光谱波长的脉冲，从红外到紫外光谱覆盖范围很广。
它具有以下特点：（1）修正倍频技术通过修正倍频技术，可以在掺铒光纤激光器中产生许多有用的波长，从而增加光谱范围。
同时，还可以实现国际上制定的通讯波长标准。
（2）高峰值功率掺铒脉冲光纤激光器的高峰值功率可以达到数兆瓦或以上，具有很大的应用潜力。
（3）极短脉冲掺铒脉冲光纤激光器的脉冲宽度可以降低到微秒、毫秒乃至纳秒的级别，而且可以产生超短脉冲，频率可以从kHz到GHz。
（4）宽谱输出掺铒脉冲光纤激光器具有宽谱输出的特点，可以实现波长可调性。
掺铒脉冲光纤激光器的应用随着科技的不断发展，掺铒脉冲光纤激光器在医学、制造、通讯、摄影和光学仪器等领域得到广泛的应用。
（1）医学掺铒脉冲光纤激光器的超短脉冲可以用于眼科手术，如白内障手术和近视手术。
（2）制造掺铒脉冲光纤激光器可以用于制造高精度光学元件、雕刻和刻蚀微观结构等。
（3）通讯掺铒脉冲光纤激光器可以用于光纤通信，如光纤传输、光纤传感和光纤通道。
（4）摄影和光学仪器掺铒脉冲光纤激光器可以用于激光闪光灯、数字相机、测距仪、激光投影和光学显微镜等。
掺铥光纤激光器的研究掺铥光纤激光器是基于掺铥光纤而成，具有很窄的光谱宽度和高的功率效率。
掺铥光纤激光器可产生波长在约790-1600nm的激光。
它具有以下特点：（1）急冷敏捷调制技术掺铥光纤激光器具有急冷敏捷调制技术，可以使激光的输出被瞬时开启或关闭，从而提高激光的调制速度。
（2）能量密度高掺铥光纤激光器的能量密度非常高，可以达到100mJ，这是其他激光器无法比拟的。
掺铥光纤激光器
掺铥光纤激光器1、掺铥光纤激光器掺铥光纤激光器的光谱可调谐范围更宽（~1600 nm-2200 nm），该波段处于人眼安全波段且包含了1940 nm附近的水吸收峰，对组织的穿透深度浅，且还包含几个大气窗口及特殊气体的吸收峰。
与同时处于人眼安全波段掺铒或铒镱共掺1550 nm激光器相比，掺铥光纤激光器的光光转换效率可达60%以上；且位于铥离子吸收带的790 nm半导体激光器技术成熟，可提供高功率泵浦源；此外，此波段泵浦时，量子转换效率为200%。
掺铥基质为石英光纤，也容易实现高功率输出。
对于掺铥光纤激光器的研究，连续输出已达千瓦量级，如：飞秒150 W的功率输出，皮秒也达到百瓦的输出功率水平，相比之下，单脉冲能量较高的纳秒量级脉冲输出平均功率较低，且多数为空间泵浦结构，最高仅为110 W。
793 nm 半导体泵浦激光器的输出功率已达数百瓦，所以掺铥光纤激光器的输出功率可更高。
且与掺镱光纤激光器相比，掺铥光纤激光的受激布里渊散射和受激拉曼散射的产生阈值要高4倍以上，光纤端面的损伤阈值也高出近10倍，在高功率输出方面优势更加明显。
目前高功率、可调谐掺铥光纤激光器正处于研究的热点。
2、研究进展(1)、纳秒脉冲掺铥光纤激光器研究进展（主动调Q）：输出参数（脉冲能量/功率、斜率效率/重频、脉宽）是否全光纤结构研究单位4 W，4 kHz，130 ns 否加拿大信息技术研究12.3 W，100 kHz，45 ns 否法德研究所33 W，13.9 kHz，15 ns 否耶拿大学应用物理研究所52 W，50 kHz，822 ns 是新加坡南洋理工大学(2)、皮秒/飞秒脉冲掺铥光纤激光器研究进展（锁模）：平均功率，重复频率，脉宽，实现方式是否全光纤结构研究单位3.1 W，100 MHz，108 fs，CPA 否美国IMRA公司5.4 W，100 kHz，300 fs，SESAM/CPA 是美国PolarOnyx公司7 W，2 MHz，33 ps，电流调制否英国南安普顿大学152 W，49.1MHz，~700 fs，CPA 否德国耶拿大学。
高功率连续波掺铥光纤激光器研究进展
第38卷，第5期红外1文章编号：1672-8785(2〇17)〇5-0001-〇7高功率连续波掺铥光纤激光器研究进展张伟^张嘉阳^吴闻迪1余婷1叶锡生1(1.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800 ;2.中国科学院大学，北京1〇〇〇必）摘要：掺铥光纤激光器（Tm-Doped Fiber Laser,TDFL)具有结构装凑、散热性能优良、光束质量好、非钱性效应阈值高等优点，其量子转换效率在理论上可达200% …TDFL产生的1.7〜2.1 nm激光在多个领域具有广泛应用。
筒要介绍了 Tm3+离子的吸收谱和能续结构、T D F L三种系捕方式的优缺点以及国内外高功率T D F L的研究进展，并就其未来发展给出了初步看法.关键词：掺铥先纤激光器；泵浦方式；高功率中图分类号：TN248 文献标志码：A D O I:10.3969/j.issn.l672-8785.2017.05.001 Research Progress of High Power Continuous-waveTm-doped Fiber LaserZHANG Wei 1气ZHANG Jia-yang WU Wen-di \YU Ting \YE Xi-sheng 1(1. Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai201800, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: Tm-doped Fiber Lasers (TDFL) have the advantages of compact structure, excellent coolingcapacity, good beam quality and high non-linear effect threshold etc. Theoretically, its quantum conversion efficiency can be up to 200%. The laser generated by TDFLs at the wavelengths from 1.7 \xmto 2.1 ]xm has wide applications in many fields. The absorption spectrum and level structure of Tm3+,the advantages and disadvantages of three different pumping methods and the research progress of highpower TDFLs at home and abroad are presented in brief. Finally, the preliminary view on the futuredevelopment of high power TDFLs is given.Key words: Tm-doped fiber laser; pumping method; high power〇引言辱在t t i l率，satt着1w就提出了将光评应用于激光器的思路。
非线性偏振旋转锁模掺铥光纤激光器脉冲动力学研究
摘要近些年，光纤激光器的研究逐渐往长波长方向发展，其中掺铥光纤激光器能够输出波长在2 μm附近的激光，受到了广泛的关注。
掺铥光纤激光器中锁模技术是产生超短脉冲的重要条件，尽管被动锁模光纤激光器可以实现不同的锁模脉冲，但在丰富而复杂的非线性动力学驱动下，可以通过控制光纤谐振腔中的色散、非线性、光纤增益和元件损耗等参数来发掘一些特殊形状的脉冲或脉冲的其他特征。
本文以非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation, NPR)锁模掺铥光纤激光器为实验平台，色散管理为基础，系统研究了不同色散被动锁模光纤激光器脉冲的动力学特性，主要的工作内容如下：1. 首先，搭建了负色散NPR锁模掺铥光纤激光器，获得一种重复频率为19.8 MHz，信噪比为56 dB，中心波长在1984.74 nm附近的特殊形状的类h型脉冲。
不同于传统孤子，该脉冲鲜有报道，单脉冲能量为6.7 nJ，打破了传统孤子面积理论的限制。
脉冲在形状上类似字母“h”，称为类h型脉冲。
进一步演化分析发现，类h型脉冲特征上与耗散孤子共振脉冲相似，随着泵浦功率的增加，脉冲会展宽，脉冲持续时间长、无波裂、能量高。
2. 然后，基于高数值孔径(Ultra-High Numerical Aperture, UHNA7)光纤为色散补偿光纤，搭建了在零色散和正色散NPR锁模掺铥光纤激光器。
当激光器工作在零色散附近的反常区域，实验获得了光谱宽度为24.3 nm，信噪比为43 dB，重复频率为6.88 MHz的类噪声锁模脉冲。
通过脉冲的演化分析，发现类噪声锁模脉冲可以发生分裂产生谐波锁模脉冲，说明类噪声脉冲并非可以无限增加能量，在一定条件下脉冲也会分裂。
当激光器工作在正色散区域，实验获得了耗散孤子共振脉冲的输出。
该脉冲是由高斯型演化成平顶的矩形脉冲，脉冲的重复频率为 5.16 MHz，信噪比为51 dB。
实验验证了脉冲会随着泵浦功率的增加发生展宽，并未出现脉冲分裂，表明在正色散下，该脉冲能够容忍更高的非线性效应，可以实现更高能量的脉冲输出。
2_m掺铥_Tm_3_光纤激光器的实验研究
2L m 掺铥(Tm 3+)光纤激光器的实验研究杨丽萍,冯晓强,陆宝乐,王郡婕,任兆玉,白晋涛(西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安 710069)提要:为了实现高效、紧凑、窄线宽的2L m 激光输出,采用中心波长为790nm 的LD 激光器作为泵浦源端面泵浦掺铥光纤,半导体散热系统,光纤布拉格光栅(FBG)构成谐振腔的全光纤激光器。
首先,我们采用一个光栅,光纤尾端采用4%的菲涅尔反射,将所有的光学元件熔接在一起后,我们获得了2L m 的稳定输出。
当泵浦电流为44A 时,获得的最大输出功率为8.7W,斜率效率为29.4%,其线宽为4.5m,阈值功率为0.7W 。
当采用两个光栅构成谐振腔时,其线宽可窄至3nm 左右,光斑质量可得到进一步的提高.实验结果表明:该激光器稳定性可靠、输出激光线宽较窄,功率较高,光斑质量好。
关键词:掺Tm 3+光纤激光器:光纤布拉格光栅;2L m 波长;全光纤激光器中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2012)01-0018-02Experimental study of Tm -doped fiber laser near 2L mY ANG Li-ping,FENG Xiao-qi ang,LU Bao-le,WANG Jun-jie,REN Zhao-yu,BAI Jin-tao (Institute o f Photonics &Photonic Technology,Northwestern Uni v ersily,Xi .an 710069,Chi na)Abs tract:In order to achieve efficient,co mpact,narrow line width laser output at 2L m,with center wavelength of 790nm laser as pump s ource of LD end-pumped Tm-doped fiber,semic onductor cooling s ystem,and resonant cavi ty which was c onstituted by fiber Bragg grati ngs were designed for all-fiber las er.Fi rs t,we use a FBG,and another optical fiber end w i th 4%Fres nel reflection,then w e welded all the optical components together,we get 2L m the stabili ty of the output.When the pump current is 44A,w e access to the maxi mum output power of 8.7W,with a slope effici ency of 29.4%,and the width of 4.5nm,the thres hold power is 0.7W.When the cavity with two gratings,its width can be about as narrow as lnm,spot quality could be further improved.The resul ts show that the s tabili ty of laser output is high,line width i s relatively narrow,the po wer of output is hiagh,and the quality of the beam is perfect.K ey words :Tm 3+-doped fi ber laser;FBG;2L m wavelength;all fiber laser收稿日期:2011-12-11基金项目:国家/8630计划项目(2007AA03)作者简介:杨丽萍(1986-),女,硕士研究生,主要研究方向为光纤激光器。
中红外掺铥光纤激光器光束特性研究
2 x 2 [ 62 7]
σ =
2 y
(x + x ) Z ( x, y ) d x dy � κ , Z ( x, y) dx dy κ ( y + y) � Z ( x, y) d x dy κ . Z ( x, y) dx dy κ
2 2
(2 )
(3)
πD0 xθ πD0 yθ x 2 y ; My = . λ λ 4 4
x
y
其中 , Z ( x, y) 为热释电探测器阵列中某个像素的功 率密度值 , 且
由于本实验使用 热释电探 测器阵列 测量 , 式 和式 (5) 可表达为 σ2x =
(4 )
σ =
2 y
∑∑ , ∑ ∑ Z ( x, y) ) Z ( x, y ) � ∑ ∑ (y - y . ∑ ∑ Z ( x, y)
x
) Z ( x, y ) x (x - x � y
x y
2
(6 )
2
x
y
(7)
[ 1 24 ]
截面垂直方向的光束束腰直径 ; θ x 为光束横截面水 平方向的远场发散角 ; θ 为光束横截面垂直方向的 y 远场发散角 ; λ代表激光的波长 . 根据 Siegm an 的描述 , M 因子的测量可归结为 用二 阶矩 法 测 量 激 光束 的 束 腰 宽 度 和远 场 发 散 角 . 由于本实验 所测光束横 截面是 非均匀 对称 的 , 所以要从水平和垂直两个截面方向来描述光束 质量 . 在测量过程中 , 假设光束沿三维坐标系的 z 轴方向传输 , 则在 z轴某处 , 可得激光光束横截面 上水平方向和垂直方向功率密度分布函数的二阶矩 表达式为 [ 7 ]
[6] 2
, 这
掺铥光纤纤芯掺杂浓度与吸收系数实验研究
掺铥光纤纤芯掺杂浓度与吸收系数实验研究衣永青，梁小红，段云峰，王东波，宁鼎【摘要】以掺铥双包层光纤为例，主要介绍了用高温气相掺杂工艺制备高掺铥双包层光纤的工艺原理和工艺过程，对不同料路温度下铥的掺杂浓度进行了研究，重点研究了纤芯掺杂浓度与吸收系数的关系，通过研究找到了相关规律，为采用高温气相掺杂工艺制备高掺铥双包层光纤提供了依据。
【期刊名称】光通信技术【年(卷),期】2010(034)002【总页数】3【关键词】高温气相掺杂；Tm3+掺杂；吸收系数；双包层光纤0 引言掺杂光纤是一种向常规的石英玻璃基质中掺入稀土元素（如铒、镱、铥等）的特种光纤，主要用于研制光纤激光器和放大器。
由于有源光纤激光器具有高的能效比、输出光束质量好、输出波长范围宽、体积小、重量轻等优点[1]，近年来，有源光纤激光器取得了飞速发展，但随着输出功率的进一步提高，人们越来越发现人眼安全问题成为光纤激光器发展的重要问题，由于掺铥光纤激光器的发射波长在2μm附近，属于人眼安全波段范围[1]，所以掺铥光纤近几年发展迅速，成为研究热点。
铥，为镧系稀土元素，原子序数69。
光纤激光器的发射波长在2μm附近，能够实现1.6～2.1μm的调谐，是所有稀土离子中最宽的，其中2μm近红外长波段对人眼安全，保护视网膜不会受到高功率激光的照射，避免引发永久伤害和失去视力，可广泛应用于激光雷达、遥感技术以及激光医学、眼睛安全的近距离遥感、军事等领域。
由于掺铥光纤的这些重要应用价值，国外在掺铥光纤的研究方面发展迅速，经过短短几年，国际上双包层掺铥光纤和光纤激光器的研究飞速发展。
英国南安普敦大学和通讯研究室、德国汉堡技术大学、美国的Polaroid Corporation、Bell实验室、日本的NTT、Hoys以及俄罗斯的IREPolus公司均在掺稀土离子双包层光纤研究中取得了许多重要成果[2]。
随着对掺铥光纤研究的快速发展，对掺铥光纤的性能尤其是掺杂浓度和掺杂均匀性提出了更高的要求，掺杂物的浓度和掺杂均匀性对掺杂光纤的主动性功能有显著的影响[3]，目前国内有源光纤的制备主要采用MCVD工艺结合溶液掺杂技术，这种传统工艺方法存在光纤芯部的稀土离子掺杂浓度低、均匀性差等缺点。
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摘要掺铥（Tm3+）光纤激光器的研究和应用最近几年来受到了国际科技界的广泛重视。
因为其成本低、易于制作等特点，而且工作波长对目前和将来的某些应用尤其重要，例如在光通信、医学、传感器和光谱学等领域。
本文共分五章：第一章介绍了光纤激光器的结构和工作原理等；第二章和第三章从不同的基质材料分别介绍了两种掺铥光纤激光器；第四章介绍了铥作为敏化剂的铥钬共掺的光纤激光器；第五章综合了近几年来掺铥光纤激光器的发展现状。
关键词：光纤激光器，频率上转换，铥，钬AbstractRecent years, people of worldwide pay attention to the research and application of Tm3+-doped fiber laser. Because of its low cost and easy manufacture, and the working wavelength is much more important in some areas now and in the future, such as optical fiber communication, medical science, the spectrum learns and so on.This paper includes five chapters. The first one introduces the structure and working reason. The second and third ones introduce the two kinds of Tm3+-doped fiber laser from different basic materials. The forth one introduces Tm:Ho-doped fiber laser. And the fifth one introduces the development of Tm3+-doped fiber laser in recent years.Keyword: fiber laser, frequency upconversion, Tm, Ho目录绪论 (4)第一章光纤激光器综述1.1 光纤激光器的基本结构和工作原理 (5)1.2 光纤激光器的优点 (9)第二章掺铥氟化物光纤激光器2.1 掺铥氟化锆光纤激光器 (11)2.2 掺铥氟化物上转换光纤激光器 (12)第三章掺铥石英光纤激光器3.1 掺铥石英单模光纤激光器 (18)3.2 掺铥石英光纤的频率上转换 (21)第四章铥钬共掺光纤激光器4.1 铥钬共掺包层泵浦石英光纤激光器 (28)4.2 高效率铥敏化的掺钬CW氟化物光纤激光器 (33)第五章掺铥光纤激光器的研究现状5.1 掺铥氟化物光纤激光器 (38)5.2掺铥石英光纤激光器 (41)5.3结束语 (42)参考文献 (43)绪论信息技术已成为经济发展、社会进步的关键。
现代通信网作为信息社会不可缺少的基础结构，世界各国都把它放在积极重要和优先的发展地位。
自光纤通信问世以来的短短一二十年间，其发展异常迅速。
激光器的发明对于光纤通信有着跨时代的意义。
掺稀土离子光纤激光器以其特有的简单、效率高、成本低、传输激光波长多、可调谐等特点正引起人们极大的兴趣。
光纤激光器是一种很有希望的便携式小型化激光光源，具有重要的应用价值。
掺铥（Tm3+）光纤激光器有很大的市场潜力。
由于它可提供其它稀土离子不能提供的波长在2μm左右的长波激光振荡，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。
而且其体积比其它的掺杂激光器要小得多，方便治疗和携带。
基本上能溶解各种肿块，可治疗多种疾病。
美国已批准20多种2μm激光在医疗临床使用。
而且其泵浦波长落在800nm区域内，同时具有很宽的增益谱带输出，2μm激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于ND:YAG 和CO2 激光器。
因此在光通信、医学、眼睛安全的近距离遥感技术、视觉、光谱学、超快光学及环保等方面都具有重要的应用价值。
正因为如此，掺铥光纤激光技术是一个越来越受到国际学术界重视的热门研究方向。
第一章光纤激光器综述在目前Si基光纤和未来的中红外光纤系统中，光纤激光器是潜力巨大的光有源器件。
光纤激光器按其激射机理可分为稀土掺杂光纤激光器、光纤非线性效应激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器，其中以稀土掺杂光纤激光器的开发最为成熟，并已应用于光纤通信系统。
1.1 光纤激光器的基本结构和工作原理1.1.1 基本结构稀土离子掺杂的光纤反射镜1：R=100%（对激射波长光）R=0%（对泵浦波长光）反射镜2：R<100%（对激射波长光）R=0%（对泵浦波长光）图1.1 光纤激光器的基本构形图1.1示出典型掺稀土离子光纤激光器的基本构形。
增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在两个仔细选择的反射镜之间，从而构成法布里-珀罗（F-P）谐振器。
泵浦光束从反射镜1入射到稀土离子掺杂光纤中，激射输出光从反射镜2输出来。
从某种意义上讲，光纤激光器实质上是一个波长转换器，即通过它将泵浦波长光转换为所需的激射波长光。
基本工作原理掺稀土离子光纤激光器的基本原理如下：当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激射能级，从而实现通常所说的粒子数反转。
反转后的粒子以辐射形式或非辐射形式从高能级转移到基态，前者就是通常所说的受激发射，后者为自发发射。
由于激射是一种放大过程，要维持受激发射的增益，首先必须保证有足够的反转的粒子数，泵浦是实现粒子数反转的必要条件。
泵浦由外部较高能量光源提供。
如果是两个能级参与激射，要维持受激发射增益还要求泵浦源能量高于较高能级的能量。
由于泵浦能量高于激射能级，所以激射的光子波长应比泵浦光子的波长要长，这一特点为光纤激光器的实用化提供十分有利的条件，即可以用廉价的、成熟的GaAs激光器作为泵浦光源，从光纤激光器获得各种波长的激射输出。
(a) 三能级系统 (b) 四能级系统图1.2 三能级和四能级系统能级图光纤激光器的工作状态（CW或脉冲输出）取决于激活的介质。
对连续波（CW）工作来说，较高激射能级的自发寿命必须大于较低激射能级的自发寿命。
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，如图1.2所示。
两者差别在于较低能级所处的位置。
在三能级激光器中，较低能级基本上处于基态位置；而在四能级激光器中，有较低能级向基态跃迁的可能性。
通常情况下，三能级激射的阈值功率高于四能级激射的阈值功率，因此，总是希望选取四能级激射机构。
此外，激射的能级数直接影响激光器的阈值功率和掺杂光纤的长度。
在四能级激光器中，阈值功率随光纤长度增加而下降，想获得低的阈值功率，应增加光纤的长度。
而在三能级激射的激光器中，在最低阈值功率时有一个最佳的光纤长度。
为了更加清楚的了解光纤激光器的工作原理，必须对下面几个问题有所了解：1、稀土离子稀土离子是光纤激光器的核心，因为它决定着对光泵的吸收和激射光谱。
1D21G43F3F4μmμm3H5μm3H4μm3H6图Tm3+的能级图稀土元素是化学元素周期表倒数第二行的一组元素，共计15个元素，其范围从具有原子数57的镧（La）到具有原子束71的镥（Lu）。
所有的稀土原子都具有相同的5S25P66S2外层电子结构，占据内部4f 电子壳层的电子数的多少，支配着它们的光学特性。
稀土元素通常是给出一个三价态形式（如Er3+、Tm3+）发生离化。
Tm3+ 的能级如图1.3所示。
稀土离子在光纤中的浓度是十分重要的，浓度太低，可得到的离子数少，实现不了激射。
但浓度过高又易引起浓度猝灭，导致较高激射能级上粒子数的减少。
此外，浓度过高还会在玻璃矩阵中发生结晶。
实验表明，最佳的激射结果有一个最佳的掺杂浓度，对大多数SiO2光纤和氟锆酸盐光纤来说，掺杂的浓度一般在百万分之几百。
2、基质材料通常，玻璃是形成稀土掺杂光纤的基质材料。
基质材料是由共价结合的分子组成，形成无规则的网状矩阵。
稀土离子作为网状系统的调节剂存在或者填隙式地存在于玻璃网状物中。
尽管光纤激光器的光学特性主要受稀土离子的控制，但玻璃基质对光学特性也有着重要影响，这些影响包括由于基质原子间的结电场非均匀性分布引起的Stark 分裂，导致光谱呈现出结构分布。
另一个影响是由于基质电场不均匀性引起的能级扰动或由于声子增宽导致能级增宽。
已采用的基质材料是Si基质或基于氟化锆化合物玻璃组分基质，即通常所说的ZBLANP光纤，这种光纤不仅是制作光纤激光器的基质材料，也是理想的中红外传输光纤。
3、法布里-珀罗谐振腔如图1.1所示，光纤激光器的法布里-珀罗（F-P）谐振腔是由稀土掺杂的波导光纤和一对平行的透射、反射镜组成的，当泵浦光通过器件发射光束时，可获得较高的激射输出和较低的反射输出强度。
当腔长等于波长的1/2整倍数且谐振之间的频率间隔是自由光谱范围（FSR）时，谐振腔发生谐振。
典型光纤激光器的腔长在0.5～5m之间。
对四能级机构，可采用较长的光纤来降低激射阈值功率。
掺杂浓度为300ppm的三能级光纤激光器的最佳腔长为1m。
为使内腔的损耗降至最低，光纤激光器的光线中心轴线必须与反射镜面垂直，因此，必须仔细定位反射镜的位置。
如图1.1所示，光纤激光器有两个反射镜，一个是泵浦入射的反射镜，这个反射镜对泵浦光应有100%的透射，而对激射光应有100%的反射。
另一个反射镜是激射输出边的反射镜，为了将激射光耦合出来，该反射镜对激射波长的反射率应小于100%。
输出反射镜对激射波长的最佳反射率取决于激射介质的增益，在低增益系统中，最佳反射率应大于或等于95%；而在高增益系统中，最佳反射率应小于或等于70%。
如果输出反射镜完全透射泵浦波长光，则泵浦光与激射光一起出射，未转换的泵浦光可用滤光器滤掉。
1.2 光纤激光器的优点在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点：（1）不必经过光电转换可直接对光信号放大。
在不改变原有的噪声特性和误码率前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。
因此，对于既有数字格式又有模拟格式的网络（即同时传送语音、图像和数据的网络）特别适宜使用光纤激光器。
（2）光纤激光器容易在低泵浦功率实现连续波（CW）工作。
（3）由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合到系统的传输光纤中。
μmμm以及2～3μm中红外波长的光纤激光器。
（5）光纤激光器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）是完全相容的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。