掺铒光纤激光器
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。
可调谐多波长掺铒光纤激光器
（ ． 中科技 大学 下一代 互联 网接 入 系统 国家工程 实验 室， １华 湖北 武 汉 ４ ０ ７ ； ３ ０ ４ ２ 武 汉光 电 国家 实验 室（ ， ． 筹） 湖北 武 汉 ４ ０ ７ ； ３ ０ ４
３ ．南洋理 工大 学 网络技 术研 究 中心 ， 新加 坡 ６ ７ ５ ） ３ ５３ 摘 要 ：近年 来 ， 多波 长光 纤激 光 器作 为密 集波分 复 用 系统 中的重要 光 源而被 广泛研 究 。 多信道 取 对 样 光 纤光栅（ Ｆ Ｇ） 行 了详 细的理 论分 析 ， Ｍ—Ｂ 进 并在 此基础 上 实现 了一 种 可调 谐 多波 长光 纤激 光 器。 该 激光 器采 用环 形腔 结 构 ， 以掺铒 光 纤作 为增 益介 质 ， 用 Ｍ．Ｂ 的 多波长 选择特 性在 室温 下 实现 了 利 ＦＧ 功率 平坦 度 小 于 １ Ｂ、 Ｂ线 宽 小 于 ０１ ｌ、 模 抑制 比大 于 ５ Ｂ， ０５ ３ ｄ ｄ ．ｎ 边 ｎ ０ ｄ 且 ． ｈ内功 率 波动 小 于 ０５ Ｂ ．ｄ 的稳 定 多波长输 出。同时 ， 通过 对 Ｍ．Ｂ Ｆ Ｇ施 加 变化应 力 ， 实现 了输 出波 长在 一 定 范围 内连 续可调 谐 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
３ Ｎｅ ｒ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｒｅｅ ｒｈ Ｃ ｎｒ ，Ｎ ｎ ａ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇｃ ｌＵｎｖ ｒｉ ，Ｓｎ ａ ｏ ｅ ６ ７ ５ ） ． ｔ ｋ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｓ ａｃ ｅ ｔ ｗｏ ｅ ａ ｙ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｉａ ｉｅｓ ｙ ｉｇ ｐ ｒ ３ ５ ３ ｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｍ ｕ ｔ． ｖ ｌｎ ｔ ｆｂ ｒ ａ ｅ ｗｈｃ ｃ ｕ ｄ ｅ ｓｒ ｃ ： ｌ ｗａ ｅｅ ｇ ｈ ｉ ｅ ｌｓ ｒ ｉ ｉｈ ｏ ｌ ｂ ｕｓｄ ｓ ｈｅ ｉｈ ｓ ｕ ｃ ｉ ｄ ｎ ｅ ｅ ａ ｔ ｌ ｔ ｏ ｒ ｅ ｎ ｅ ｓ ｗａ ｅｅ ｇ ｇ ｖ ｌｎ ｔ ｈ
掺铒光纤激光器的设计
掺铒光纤激光器的设计
首先，掺铒光纤激光器的基本原理是通过泵浦光源将能量传输给铒元素，激发铒元素的上能级，然后通过自发辐射和受激辐射实现光放大。
因此，选择合适的泵浦光源是设计的首要考虑因素。
泵浦光源的选择应满足以下要求：1.波长要和铒元素的吸收带宽相匹配；2.具有足够的功率和能量密度以激发铒元素的上能级；3.具有较高的光电转换效率。
常用的泵浦光源包括二极管激光器、固体激光器和光纤激光器等。
接下来，需要设计合适的光纤结构以实现高效的光放大。
一种常用的设计方法是使用双包层结构的光纤。
内包层的折射率通常较低，以实现高掺杂浓度，同时外包层的折射率通常较高，以实现光的波导传输和光纤的保护。
另外，还需要选择合适的铒离子浓度和光纤长度。
高铒离子浓度可以提高光放大效果，但过高的浓度会增加不均匀性和光纤损耗；光纤长度的选择应根据具体应用需求和泵浦光源的光功率进行优化。
除了基本结构的设计，还可以通过增加光栅、光耦合器等辅助元件来改善激光器的性能。
光栅可以实现单纵模输出，提高激光器的光谱纯度和输出功率；光耦合器可以实现光纤和光纤之间的耦合，提高输出功率和光束质量。
最后，还需要进行光纤激光器的光学设计和热力学分析。
光学设计可以优化光纤的折射率分布，实现最大的光放大效果；热力学分析可以评估光纤激光器的散热性能，以避免过高的温度对激光器性能的影响。
综上所述，掺铒光纤激光器的设计需要综合考虑泵浦光源、光纤结构、铒离子浓度、光纤长度等因素。
通过合理的设计和优化，可以实现高效的
光放大和优质的激光输出。
石墨烯可调谐被动调Q掺铒光纤激光器
石墨烯可调谐被动调Q掺铒光纤激光器张慧;陈宇;王志腾;赵楚军;张晗【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2012(24)12【摘要】A graphene-based Q-switcher is fabricated by the optical deposition of graphene in a fiber ferrule. The passively Q-switched Er-doped fiber ring laser with the Q-switcher as saturable absorber is made, which produces stable Q-switched pulse with pulse width of 8 μs and maximum output average power 162. 3 μW. The repetition rate can be tuned from 5. 1 kHz to 14. 2 kHz with the increase of the pump power. The central wavelength can be tuned from 1556 nm to 1558 nm by rotating the polarization controller.%基于光学沉积方法,制备了石墨烯可饱和吸收体,并利用此可饱和吸收体搭建了环形腔结构的被动调Q掺铒光纤激光器,实现了稳定的调Q 激光脉冲输出,其重复频率为5.1～14.2 kHz,最窄激光脉冲宽度为8 μs,最大平均功率为162.3μW,且通过调节偏振控制器,中心波长在1556～1558 nm可调.【总页数】4页(P2807-2810)【作者】张慧;陈宇;王志腾;赵楚军;张晗【作者单位】湖南大学信息科学与工程学院,微纳光电器件及应用教育部重点实验室,长沙410082;湖南大学信息科学与工程学院,微纳光电器件及应用教育部重点实验室,长沙410082;湖南大学信息科学与工程学院,微纳光电器件及应用教育部重点实验室,长沙410082;湖南大学信息科学与工程学院,微纳光电器件及应用教育部重点实验室,长沙410082;湖南大学信息科学与工程学院,微纳光电器件及应用教育部重点实验室,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TN248.1【相关文献】1.基于金纳米棒可饱和吸收体的被动调Q掺铒光纤激光器 [J], 许阳;康喆;贾志旭;刘来;赵丹;秦冠仕;秦伟平2.石墨烯被动调Q掺铒光纤激光器的实验研究 [J], 谢彪3.基于SESAM的被动调Q光纤光栅掺铒光纤激光器 [J], 陈聪;王蒙;陈海燕4.氧化石墨烯被动调Q掺铒光纤激光器 [J], 徐佳;吴思达;刘江;杨全红;王璞5.基于马来酸掺杂聚苯胺被动调Q的掺铒光纤激光器(特邀) [J], 王晓丽;简瑛瑛;雷晶晶;张子灏;王军利;吴巍炜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
掺铒光纤激光器原理
掺铒光纤激光器原理一、概述掺铒光纤激光器是一种基于掺铒光纤（Er-doped fiber）的激光装置，具有输出功率高、调制带宽宽、转换效率高等优点，被广泛应用于激光手术刀、激光雷达、激光打标、光通信和能量激光光源等领域。
本文将详细介绍掺铒光纤激光器的原理和构成。
二、原理1. 掺铒光纤的结构与特性掺铒光纤是由玻璃材料制成的，其结构类似于普通光纤，由包层、掺铒核心和侧面反射层组成。
铒元素在光纤中的浓度较高，可以激发激光振荡。
掺铒光纤具有较高的增益系数，适合产生激光。
2. 激光振荡过程当泵浦光照射掺铒光纤时，铒离子受激发射出电磁波，经过谐振腔反射和损耗，最终形成激光振荡。
在这个过程中，泵浦光的强度、波长和掺铒光纤的结构参数都会影响激光的输出功率和波长。
3. 谐振腔谐振腔是掺铒光纤激光器的关键组成部分，由两个反射镜组成。
其中一个反射镜固定在激光器内部，另一个需要通过外部调节来保证激光在特定波长范围内输出。
谐振腔的长度会影响激光的波长和输出功率。
三、构成1. 泵浦源泵浦源是提供能量的设备，通常采用高强度半导体激光器作为泵浦光源。
泵浦光的波长通常在800-900nm范围内，可以根据掺铒光纤的特性进行调整。
2. 掺铒光纤掺铒光纤是激光振荡的核心部件，决定了激光的输出性质。
通常选用具有较高铒离子浓度的光纤，以获得较高的增益系数和激光输出功率。
3. 反射镜反射镜是构成谐振腔的关键部件，通常采用高反射率的光学镜片。
其中一个反射镜固定在激光器内部，另一个需要通过外部调节来保证激光在特定波长范围内输出。
4. 驱动与控制电路驱动与控制电路是掺铒光纤激光器的核心部分，负责控制泵浦光的强度、波长和照射时间等参数，以保证激光的稳定输出。
同时，还需要监测激光的输出功率、波长和稳定性等指标，以便进行调节和控制。
四、应用领域1. 激光手术刀：掺铒光纤激光器具有较短的波长（2μm），可以穿透组织较浅，适用于激光手术刀领域。
通过调节泵浦光的强度和输出功率，可以控制激光的切割深度和宽度。
《基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统的研究》范文
《基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统的研究》篇一一、引言随着科技的进步，对于各种环境下的压力监测需求日益增长，特别是在静冰压力监测方面，对于精确度和稳定性的要求尤为突出。
传统的压力传感系统在极端环境下往往面临信号失真、稳定性差等问题。
因此，研究新型的、适用于静冰压力监测的传感系统显得尤为重要。
本文提出了一种基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统，通过光纤技术，实现对静冰压力的高精度、高稳定性监测。
二、掺铒光纤混沌激光技术掺铒光纤混沌激光技术是一种利用掺铒光纤放大器（EDFA）产生混沌激光的技术。
掺铒光纤中Er3+离子的能级结构使得其能够产生特定波段的激光，而混沌激光具有优良的随机性和宽频谱特性，使其在通信、传感等领域具有广泛应用。
三、Bragg光栅技术Bragg光栅是一种利用光的干涉原理制作的光学元件，其核心作用是对特定波长的光进行衍射和反射。
在静冰压力传感系统中，Bragg光栅被用来检测由于压力变化引起的光纤中光波长的变化，从而实现对压力的测量。
四、系统设计与实现本文提出的静冰压力传感系统，以掺铒光纤混沌激光为光源，结合Bragg光栅技术，实现了对静冰压力的高精度、高稳定性监测。
系统主要由掺铒光纤激光器、Bragg光栅、光电探测器以及数据处理单元等部分组成。
其中，掺铒光纤激光器产生混沌激光，Bragg光栅对激光进行衍射和反射，光电探测器将光信号转换为电信号，数据处理单元对电信号进行处理和分析，最终得到压力值。
五、实验结果与分析我们通过实验验证了该系统的性能。
实验结果表明，该系统具有高精度、高稳定性的特点，能够准确测量静冰压力的变化。
此外，我们还对系统的响应速度、抗干扰能力等方面进行了测试，结果表明该系统具有良好的性能。
六、结论本文提出了一种基于掺铒(Er3+)光纤混沌激光的Bragg光栅静冰压力传感系统，通过实验验证了其高精度、高稳定性的特点。
基于掺铒光纤作为可饱和吸收体的窄线宽光纤激光器研究
基于掺铒光纤作为可饱和吸收体的窄线宽光纤激光器研究张福宇;王蓟;薛明昆;衣文索
【期刊名称】《应用物理》
【年(卷),期】2024(14)4
【摘要】本文介绍了一种以未泵浦的掺铒光纤作为可饱和吸收体,通过3 dB耦合器及环形器,构成一个由驻波效应形成动态光栅的一种窄线宽光纤激光器。
测得在中心波长在1559.54 nm处得到输出的激光器,在泵浦功率为150 mW以下时可以保持长时间的稳定工作,泵浦功率为70 mW,输出光功率为17.03 mW,斜率效率为30.73%,光学信噪比为39 dB,波长分辨率的不稳定性小于0.03 nm,光学信噪比的波动小于0.16 dB,从0到1 MHz的37.5 kHz信号频谱中的弛豫振荡频率峰值为−89.6 dB/Hz。
通过延时自外差法测量线宽为1.99 kHz。
【总页数】9页(P157-165)
【作者】张福宇;王蓟;薛明昆;衣文索
【作者单位】长春理工大学物理学院长春;长春理工大学光电工程学院长春
【正文语种】中文
【中图分类】TN2
【相关文献】
1.(高功率窄线宽掺铒光纤激光器的研究进展
2.基于石墨烯可饱和吸收体的掺铒光纤环形腔脉冲激光器
3.基于金纳米棒可饱和吸收体的被动调Q掺铒光纤激光器
4.
基于氧化铜可饱和吸收体的掺铒光纤激光器5.基于保偏掺铥光纤饱和吸收体的2μm波段超窄线宽光纤激光器
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EDF光纤激光器
• 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
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产生激光的基本条件
? 在光学谐振腔 内,沿轴线方向传播的光 在两反射镜之间往复传播。 (这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发 光)往复传播作用 ,相当于延长了激光工作物质的长度 ,使其中的光 能密度不断增加 ,也使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率 ,从 而使沿光学谐振腔轴线传播的光 ,在粒子数反转分布的条件下 ,受 激辐射占了绝对优势。
? 1966年,英籍华人高馄博士通过分析玻璃纤维损耗的主要原因 , 首次提出只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就有可能使光纤损耗 降低到20dB/km,从而使光导纤维可用于光通信;
? 1970 年,美国康宁公司研制出 传输损耗仅为 20dB/km 的光纤,证 明高馄博士的预言,拉开了光纤通信的新篇章;
产生激光的基本条件
图1.激光器的基本结构 The basic structure of laser
? 增益介质： 要有能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状 态的增益介质； ? 激励源： 在受激辐射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒 子数逐渐增多，所以要通过 泵浦不断将粒子激励到高能级，破坏热平 衡,实现粒子数反转 ；泵浦光必须足够大 ,在泵浦阈值功率以上； ? 谐振腔： 要有一个能 使受激幅射和光放大过程持续 的构造——光 学谐振腔，利用光学谐振腔 提高光子简并度 ；同时，对于光学谐振腔 , 要获得光自激振荡 , 须令光在腔内来回一次所获增益至少能补偿传 播中的损耗 。
掺铒光纤激光器
目录
? 早期 ? 原理 ? 现状 ? 展望
早 期
摸 索 中 前 进
? 1961年,美国光学公司的 E.Snitzer 等就在光纤激光器领域进行 了开创性的工作 ;1963 年和 1964 年分别发表了多组分玻璃光纤 中的光放大结果,提出了光纤激光器和光纤放大器的构思;
? 1963年,由美国光学公司的Snitzer和Koester用掺杂钕(Nd3+)的 方法研制出世界上第一台光纤激光器,实现了以光纤作为增益介质 及谐振腔的设想，但由于当时光纤损耗较大;
? 结构紧凑： 光纤具有 极好的柔绕性 ,光纤激光器可以设计的相当小 巧灵活,能够采用多种封装方式 ,使激光器的结构更加紧凑；
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber) 所具有的优势
? 工作波长合适： 由于掺铒 (Er3+)光纤 在1550nm 波长具有很高的 增益，其 40nm 宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗 口，具有潜在的应用价值，在光纤通信领域获得越来越广泛的应 用，故发展最为迅速。
? 散热性能好： 光纤结构具有 较高的面积体积比 ,因而散热效果好 , 具有很高的转换效率和闭值功率 ,能够在室温下连续工作；
? 光束质量高： 掺铒光纤激光器可以实现单模运行 ,具有极窄的线 宽,良好的单色性和高稳定性；
? 稳定性高： 全光纤的谐振腔结构更加稳定 ,受机械扰动影响更小 , 并且具有相当多的可调参数和选择性 ,光学元件接入后不需要光学 准直；
中得到加强 ,即 ? ? ? 2? 2L ? 2?q，q ? 1,2,3?
?q
?
q为光在激光工作物质中
传播时的波长，2? ?q
为光在激光物质中传播单位长度时的相位变化。
Er 3?的基本组态：[ Xe]4 f 11 5s2 5 p6
L 2S?1 J
无辐射跃迁 受激吸收
5s和5p层的电子始终保持不变, 可以屏蔽4f层的内层电子，使其不 受外场的干扰，因此4f-4f跃迁的 光谱特性(荧光和吸收特性)不易受 宿主影响，所以Er3?具有很好的稳 定性。
? 增益介质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光输出的先决条件。 除此之外 ,产生激光器还必须 满足阈值条件和相位平衡条件
l)激光器产生激光的 阈值条件 即
G0
?
?
i
?
1 ln 2L
1 R1 R2
G0为小信号增益系数 ,? i为损耗系数, L为谐振腔的长度 , R1和R2为两个反射镜的折射率 。
2)在谐振腔中 ,还要满足 相位平衡条件 的波 ,才能在往复反射过程
受激辐射
激 励 源
图2. Er3? 的主要能级图
Eergy-level configuration of Er 3?
98பைடு நூலகம்nm
I4 11/ 2
亚稳态
I4 13/ 2
1480nm 1530nm
I4 15/ 2
掺铒光纤(Erbium Doped Fiber) 所具有的优势
? 高功率密度： 由于光纤纤芯直径只有几个微米 ,光纤内易形成更高 泵浦功率密度 ,能够降低阈值功率 （在泵浦光的作用下光纤内极易 形成高功率密度 ,造成粒子数反转），这种特性对于三能级系统尤为 重要；
谐振腔的选择
1、线形腔(F-P腔)
图3.一般线行腔掺铒光纤激光器结构示意图 General schematic diagram of a linear cavity EDFL
? 优点： 结构简单 ,而且谐振腔可以设计得很短，因此线形腔结构很 适合单纵模输出激光器 ; ? 缺陷： 光纤端面与镜面存在间隙或成斜角；即使是将介质镜直接 镀在光纤端面上也可能存在光纤端面与纤轴不垂直、光纤端面有细 微缺陷等问题 ; ? 实际 的F-P 腔光纤激光器通常 借助光纤光栅，光纤方向耦合器 等, 可以构成多种谐振腔。
? 在1975-1985 十年间,光纤通信进入了实用化阶段 ,由于相关条 件的限制,对光纤激光器的研究很少 ,不过在这十年中许多 发展光 纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟;
? 80年代后期,英国Southhampton 大学的S.B.Poole 等用化学气相 沉积(MCVD)法制成了低损耗的掺铒光纤; R.J.Mears等人发现掺杂 稀土元素的光纤中存在激光振荡和光放大的现象 ;最终于1986年, 应用该掺铒光纤制作了世界上第一台掺铒光纤激光器；
? 可调谐： 具有很宽的荧光谱 ,光纤可调参数多，选择范围大，因此 可产生多激光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范 围,适合于波分复用 (WDM)光纤通信系统应用 ;
? 耦合效率高： 光纤激光器中 ,光纤既是激光介质又是光的波导介质 , 因此泵浦光的耦合效率很高 ,加之光纤激光器可以 方便地延长增益 介质的长度 ,使泵浦光被充分吸收 ,使光光转换效率超过 60%；