EDF光纤激光器
掺铒单模光纤飞秒脉冲激光器和放大器
文章编号：1005-5630(2020)06-0066-07DOI : 10.3969/j.issn.1005-5630.2020.06.011掺铒单模光纤飞秒脉冲激光器和放大器曹 顺1，郝 强1，曾和平2（1．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2．华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062）摘要：为了获得一种被动锁模掺铒光纤振荡器及功率放大器，数值模拟出超短脉冲在光纤中的传输和演化过程，并基于此搭建了一种被动锁模掺铒光纤飞秒振荡器及功率放大器。
实验获得了中心波长1 560 nm 、重复频率100 MHz 、输出功率30 mW 、脉冲宽度85 fs 超短脉冲。
通过采用PPLN 晶体进行倍频，进一步获得了输出功率5 mW ，中心波长780 nm 的飞秒脉冲。
该光纤激光器为全保偏光纤结构，具有体积小巧、可靠性高、稳定性好的特点。
关键词：掺铒光纤激光器；锁模激光器；超短脉冲；倍频中图分类号：TN 248 文献标志码：AErbium-doped single-mode fiber femtosecondpulse laser and amplifierCAO Shun 1，HAO Qiang 1，ZENG Heping2（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University ofShanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China ）Abstract: Based on the numerical simulation of the transmission and evolution of ultrashort pulses in the fiber, a passively mode-locked erbium-doped femtosecond fiber laser was developed.Ultrashort pulses with 1 560 nm central wavelength of, 100 MHz repetition rate, 30 mW output power, and 80 fs pulse width was obtained. By using a PPLN crystal, the femtosecond pulse is frequency-doubled to 780 nm with 5 mW average power. The fiber laser system with all polarization-maintaining fibers could be compact in a small box facilitating high reliability and stability.Keywords: erbium-doped fiber laser ；mode-locked laser ；ultrashort pulse ；frequency doubling收稿日期 ：2020-04-17基金项目 ：国家重点研发计划（2018YFB0407100）作者简介 ：曹 顺(1995—)，男，硕士研究生，研究方向为超快激光技术方面的研究。
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。
近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。
光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。
它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。
1.光纤激光器工作原理光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。
光纤激光器的基本结构如图1所示。
掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。
当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。
反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。
从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。
激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。
光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。
例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。
激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。
光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。
三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
光纤激光器 特点 分类
光纤激光器特点分类光纤激光器分类特点光纤激光器是指以光纤为基质掺入某些激活离子作做成工作物质,或者是利用光纤本身的非线性效应制作成的一类激光器.Nd2o3的光纤激光器是于1963年首先研制成功。
光纤激光器是一种新颖的有源光纤器件。
它的主要特点是：（1）光纤的芯径很细（10-15um），光纤内易形成的泵浦光功率密度，且单摸状态下激光与泵浦光可充分耦合，因此光纤激光器的能量转换效率高，激光阀值低；（2）工作物质可以做的很长，因此可获得很高的总增益；（3）腔镜可直接镀在光纤端面，或采用定向耦合起方式构成谐振腔，且由于光纤具有良好的柔绕性，而可以设计成相当紧凑的激光器构型；（4）光纤基质具有很宽的荧光光谱，并且还具有相当多的可调参数和选择性，因此，光纤激光器可以获得相当宽的调谐范围和好积的单色性。
光纤激光器的类型按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成一下几种类型：一：晶体光纤激光器工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等；二：非线性光学型光纤激光器主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器；三：稀土类掺杂光纤激光器光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器；四：塑料光纤激光器向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。
光纤激光器的迅速发展是基于近年来的光纤技术{拉晶体光纤技术、稀土掺杂光纤技术、单摸低损耗光纤和光纤耦合技术等}和大功率半导体激光技术的突破性进展。
特别是采用半导体激光二极管（ld）作为泵浦源，以其小体积和高效率为光纤激光器的实用化奠定了基础。
目前，光纤激光器已进入实用化阶段，已见有连续输出功率几千瓦，峰值功率几万千瓦。
半导体激光器半导体激光器又称激光二极管(LD)。
进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。
掺铒光纤放大器EDF掺铒光纤放大器.PPT
半导体光放大器（SOA)
四、应用
1、多信道放大中存在的问题 •噪声大（Fn~8dB) •信道串扰（交叉增益调制XGM、四波混频FWM） •增益饱和引起信号畸变
2、其他应用 A、光波长转换：
光波长转换器（Wavelength Converter）是一种实现将光信号从某一波 长的光载波转换至另一波长光载波的器件，是波分复用光通信系统向 光 网络演变的一个关键性器件。光波长转换器能使网络在不同节点处 重复 使用某一个波长，这种“波长再利用”无疑能提高波长的利用效 率，有 效地减少波分复用网络中所需波长的数量 机理：
掺铒光纤放大器(EDFA)
•多信道放大中存在的其它问题： 要求：增益平坦、增益钳制、高的输出功率
1、增益平坦
固有的增益不平坦 增益差随级联放大而积累增大
各信道的信噪比差别增大 各信道的接收灵敏度不同
1544
1569
典型的EDFA增益谱
光发射机 1 光发射机 2 光发射机 3
光发射机 N
掺铒光纤放大器(EDFA)
掺铒光纤放大器(EDFA)
2、增益钳制
•EDFA对信道的插入、分出或信道无光故障等因素引起的输入 光功率的变化（较低速变化）能产生响应--瞬态特性 •瞬态特性使得剩余信道获得过大的增益，并输出过大的功率， 而产生非线性，最终导致其传输性能的恶化--需进行自动增益 控制 •对于级联EDFA系统，瞬态响应时间可短至几~几十 s，要求 增益控制系统的响应时间相应为几~几十 s
dfb光纤激光器matlab仿真代码
DFB光纤激光器是一种具有高光谱纯度和较小的波长漂移的激光器，因其在通信、激光雷达、光学传感等领域具有广泛的应用前景。
在DFB光纤激光器的研究与开发过程中，Matlab仿真技术被广泛应用，用于验证设计方案的可行性和性能优化。
本文将针对DFB光纤激光器的Matlab仿真代码进行介绍和解析，以期为相关领域的研究人员提供一定的参考和帮助。
一、DFB光纤激光器的原理1. DFB光纤激光器的结构DFB光纤激光器是一种采用光纤作为增益介质的激光器，其结构主要包括激发源、光纤增益介质、光栅反射镜等。
其中，光栅反射镜在光纤中起到了选择性反射和模式锁定的作用，使得DFB激光器能够产生单纵模的激光输出。
2. DFB光纤激光器的工作原理DFB激光器的工作原理主要是基于布拉格光栅的共振效应，通过在光纤中形成布拉格光栅的周期性折射率调制，实现了光的选择性放大和反射。
这种选择性放大和反射使得光在DFB光纤激光器中仅限于某一纵模，从而实现了单纵模的激光输出。
二、DFB光纤激光器的Matlab仿真代码针对DFB光纤激光器的Matlab仿真代码，主要包括以下几个方面的内容：1. 光纤增益介质的传输矩阵建立在DFB光纤激光器的仿真代码中，首先需要建立光纤增益介质的传输矩阵。
这一步是基于光纤的折射率分布和增益分布，通过Matlab的矩阵运算方法来建立光纤增益介质的传输矩阵，以便后续的光场传输和增益调制。
2. 光场传输的数值模拟接下来，在DFB光纤激光器的仿真代码中，需要进行光场传输的数值模拟。
这一步是通过有限元数值计算的方法，对光在光纤中的传输过程进行数值模拟，并得到输出端的光场分布和功率特性。
3. 布拉格反射镜的反射特性分析在DFB光纤激光器中，布拉格反射镜是起到了关键作用的元器件。
在仿真代码中，需要对布拉格反射镜的反射特性进行分析，以获得反射率、相位变化等关键参数。
4. 单纵模激射输出的优化设计通过对DFB光纤激光器的仿真代码进行综合分析和优化设计，可以得到满足特定应用要求的单纵模激光输出。
环形腔掺铒光纤激光器输出特性理论与实验研究
环形腔掺铒光纤激光器输出特性理论与实验研究作者：沈红荣万生鹏李向涛来源：《现代电子技术》2008年第06期摘要：对由不同长度的掺铒光纤和不同分光比的耦合器构成的光纤环形腔激光器的输出特性进行了理论和实验研究。
理论分析表明，激光器的输出功率、斜率效率与掺铒光纤的长度、耦合器的分光比有关，且存在最佳值。
最后通过实验得到，在泵浦功率为120 mW，掺铒光纤的掺杂浓度为4 000 ppm下，最佳的掺铒光纤长度为3 m左右，最佳输出耦合比在80%附近，与理论分析基本一致。
关键词：掺铒光纤；光纤激光器；环形腔；耦合比中图分类号：TN248 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2008)06-189-03Theoretical and Experimentical Research on Output Characteristic ofErbium-doped Fiber Ring LaserSHEN Hongrong，WAN Shengpeng，LI Xiangtao(Key Laboratory of Nondestructive Test Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang，330063，China)Abstract：The output characteristics of fiber ring lasers composed of different length Er-doped Fibers(EDF) and different split ratio output couplers are studied experimentally.Theoretical analysis indicates the threshold and slope efficiency of the laser are related to the length of EDF and the split ratio of the output coupler，and one optimum value exists，these are according with the experimental result.Keywords：Erbium-doped fiber；fiber laser；ring cavity；coupler ratio1 引言光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最热门的研究课题之一。
dfb光纤激光器原理
dfb光纤激光器原理
DFB光纤激光器原理
DFB光纤激光器（Distributed Feedback Fiber Laser），是一种基于光纤的激光器。
与传统的光纤激光器相比，DFB光纤激光器具有更高的输出功率、更窄的光谱线宽和更稳定的输出特性。
它在通信、光纤传感、激光雷达等领域具有广泛的应用。
DFB光纤激光器的原理主要包括光纤光栅耦合机制、光纤光栅增益耦合机制和光纤反馈机制。
光纤光栅耦合机制是DFB光纤激光器实现单模输出的关键。
光纤光栅是通过在光纤中形成周期性折射率变化的结构，使得只有特定波长的光能够在光纤中传输。
光纤光栅的周期和折射率变化的幅度决定了传输的波长。
通过调整光纤光栅的参数，可以实现激光器的单模输出。
光纤光栅增益耦合机制是DFB光纤激光器实现高增益的关键。
在DFB光纤激光器中，光纤光栅不仅起到耦合作用，还能够增强光纤中激光的增益。
光纤光栅的周期和折射率变化的幅度可以调节激光的增益特性，从而实现高增益的输出。
光纤反馈机制是DFB光纤激光器实现稳定输出的关键。
光纤激光器在工作过程中，会自发辐射出一部分光，这部分光会被光纤光栅反
馈回激光器中，形成光纤激光器的输出。
通过调整光纤光栅的参数，可以实现激光器的稳定输出。
DFB光纤激光器是利用光纤光栅耦合机制、光纤光栅增益耦合机制和光纤反馈机制实现高效、稳定的激光输出的激光器。
它具有窄的光谱线宽、高的输出功率和稳定的输出特性，广泛应用于通信、光纤传感和激光雷达等领域。
未来，随着光纤技术的不断发展，DFB 光纤激光器有望在更多领域展现出更大的应用潜力。
5.掺铒光纤激光器的工作原理(2)
5.掺铒光纤激光器的工作原理(2)收稿日期：2014-4-29；收到修改稿日期：2014-5-15基金项目：无作者简介：郭冰清（1993-），女，本科生，光电子技术科学2011级。
E-mail:tjuguobingqing@ 导师简介：胡明列（1978-），男，博士后，教授，目前研究方向为超短脉冲激光技术和光子晶体光纤2掺铒光纤激光器的工作原理郭冰清刘昭韩达明张红伟（天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072）摘要光纤激光器由于其特有的优点，近些年受到广泛关注和研究，而掺铒光纤激光器（EDFL）则是几种比较成熟的光纤激光器之一。
本文主要介绍了掺铒光纤激光器的工作原理，包括掺铒光纤激光器铒离子能级结构、泵浦机制和增益谱线，以及五种常见的谐振腔型，并对可调谐掺铒光纤激光器和多波长掺铒光纤激光器的工作原理进行了简单介绍。
之后简述掺铒光纤激光器的特点，比较了掺铒光纤激光器与其他激光器的优势所在，并在此基础上详述了掺铒光纤激光器在光纤通信及光纤传感方面的应用及问题。
最后对掺铒光纤激光器的发展进行了展望。
关键词激光器；工作原理和应用；掺铒光纤激光器；谐振腔中图分类号TN248文献标识码 AThe Working Principle of Doped Fiber LaserGUO Bing-qing, LIU Zhao, HAN Da-ming, ZHANG Hong-wei(College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University,Tianjin, 300072,China)Abstract In recent years, the optic fiber lasers are paid much attention and researched, due to its special advantages. And erbium-doped fiber laser is one of the several mature fiber lasers. This paper mainly introduces the working principle of erbium-doped fiber laser, including energy level structure of erbium ion, pumping mechanism, resonant cavity, gain spectrum, and five common resonant cavity. The principle of tunable erbium-doped fiber laser and multi wavelength erbium-doped fiber laser are introduced. After that, the paper introduces the characteristic of erbium-doped fiber laser, and the advantagescomparing with other laser. And on this basis, its application in fiber communication and fiber sensing is elaborated. Finally, the prospects for the future of erbium-doped fiber laser are presented.Key words lasers; working principle and application; erbium-doped fiber lasers; resonatorOCIS codes 140.3500; 140.3510; 140.34301引言掺稀土元素光纤激光器是利用在光纤中掺杂稀土元素引起的增益机制，通过引入反馈，实现激光振荡的。
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• 选择工作物质要求：
• A32、A31和S31 S32 以及 • S32 WP(3-1) ， • N2 N1。 • 一般选择A21较小的工作物质。
•因此有速率方程组：
dN3/dt=(N1-N3) WP -N2 S32 -N2 A31
dN2/dt=N1 W12 +N3 S32–N2 W21 –N2(A21 +S21)
所以能级系统化为：
N1+N2 = Nt dN2/dt= N1 WP P1 + W12 (N1-N2)- N2 A21 / P2
ＥＤＦ:erbium-doped fiber,意思是掺铒光纤， 掺铒光纤是在信号通过的纤芯中掺入了铒 离子Er3 + 而得到的一种有特殊用途的光纤。
光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而 该光纤本身又起到导波作用的固体激光器。由工 作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。
ＥＤＦ光纤激光器
掺杂稀土元素的光纤，再加上一个恰当 的反馈机制便形成了光纤激光器。
N1+N2 +N3= Nt
Nt是工作介质内的总粒子数密度。 这三个方程为三能级系统的速率方程组。 可见，只要WP(1-3) 足够大，就能实现粒子数 反转，掺稀土光纤就变成激活介质，对频率为 (E2-E1 )/h的信号具有放大作用。
• N3近似为0 N1+N2 = Nt
P2 = A21 /(A21 + S21) P1 = S32 /(A31 + S32 + S31) S31 S32 P1 = S32 /(A31 + S32 ) (N1-N3) WP =N2 S32/(P1) S32 WP(3-1) N2 S32 =N1 WP P1
增益介质：掺杂稀土元素的光纤 在光纤激光器中有一根非常细的光纤纤 芯，由于外泵浦光的作用，在光纤内便很容 易形成高功率密度，从而引起激光工作物质 能级的粒子数反转。 谐振腔：一般是采用光纤光栅
泵浦源 腔镜
掺杂光纤
输出
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
腔镜
图3 光纤激光器结构示意图
光纤激光器与传统的激光器一样，同样拥有 三能级和四能级系统，不过三能级系统在 光纤激光器中比较常见，而掺铒光纤激光 器（EDF光纤激光器）就是典型的三能级系 统结构。
掺Er 3+光纤激光器
Er 3+的三能级系统
1. 以980 nm的 半导体光源 作为泵浦源；
2. 掺 Er 3+ 光 纤 中 Er 3+ 的 受 激辐射产生 Laser。
斜率效率 =输出功率/吸收功率% =3.3%
• 掺铒的三能级系统：基态E1、亚稳态 E2、 高能 级E3。从E3 ——E1 ，泵浦几率为WP，跃迁几 率为WP 。 E3 非辐射——E2 ，几率为S32； E3 自发辐射和 非自发辐射——E2 、 E1 ，几率为A32 、A31 、 S31。