辅助阅读材料 第一章光纤器件 第一章光纤器件 1.1光纤激光器 1.1.1基本概念 许多稀土离子，如铒、铥、和镜，都可用于制造光纤激光器，其工作波长在 0.4m~4m之间。早在1961年就研制了第一台光纤激光器，当时所用的是掺钕 光纤，芯径为300m。低损耗的硅光纤出现不久，便于1973年出现了被用于 极管激光器泵浦源的光纤激光器。虽然之后又开展了一些工作，但直到20世纪 80年代后期，光纤激光器才取得长足的进展。初期工作侧重于掺钕和掺饵的光 纤激光器，但诸如钬、钐、铥和镜等参杂物也曾使用过。从1989年开始，研究 重点集中在锁模的掺饵光纤激光器上，这类激光器能在1.55m波段产生超短脉 冲，并在光纤通信、超快现象、光纤传感器等方面有广泛应用。 1泵浦和光增益 激光器泵浦结构可分为三能级和四能级两种，如图1.1所示。在某种情况下， 另一种泵浦机制也可能实现，即上转换激光。作为一个实例，图1.2给出了Tm 掺杂上转换激光器的泵浦过程。来自同一（或不同）泵浦激光器的两个或多个光 子被掺杂离子同时吸收，使该离子跃迁到能力相差大于单个泵浦光子能量的能级 上。结果激光器的工作频率高于泵浦光频率，该现象在非线性光学中被称为频率 上转换。频率上转换可以用半导体激光器产生的红外光泵浦，而使激光器工作在 蓝光波段，因此引起人们的注意。在图1.2所示的例子中，三个1.06m的泵浦 光子使Tm3*离子跃迁到'G,激发态，通过'G,→3H,的辐射跃迁，发出475m的 蓝光。注意，图中各能级事实上均是因基质加宽形成的能带。 (a)三能级系潮结构 (化)四能级结构 图11两种泵浦原理的示意图 1
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 第一章 光纤器件 1.1 光纤激光器 1.1.1 基本概念 许多稀土离子，如铒、铥、和镱，都可用于制造光纤激光器，其工作波长在 0.4 µm~4 µm之间。早在 1961 年就研制了第一台光纤激光器，当时所用的是掺钕 光纤，芯径为 300 µm。低损耗的硅光纤出现不久，便于 1973 年出现了被用于二 极管激光器泵浦源的光纤激光器。虽然之后又开展了一些工作，但直到 20 世纪 80 年代后期，光纤激光器才取得长足的进展。初期工作侧重于掺钕和掺铒的光 纤激光器，但诸如钬、钐、铥和镱等参杂物也曾使用过。从 1989 年开始，研究 重点集中在锁模的掺铒光纤激光器上，这类激光器能在 1.55 µm波段产生超短脉 冲，并在光纤通信、超快现象、光纤传感器等方面有广泛应用。 1 泵浦和光增益 激光器泵浦结构可分为三能级和四能级两种，如图 1.1 所示。在某种情况下， 另一种泵浦机制也可能实现，即上转换激光。作为一个实例，图 1.2 给出了Tm 掺杂上转换激光器的泵浦过程。来自同一（或不同）泵浦激光器的两个或多个光 子被掺杂离子同时吸收，使该离子跃迁到能力相差大于单个泵浦光子能量的能级 上。结果激光器的工作频率高于泵浦光频率，该现象在非线性光学中被称为频率 上转换。频率上转换可以用半导体激光器产生的红外光泵浦，而使激光器工作在 蓝光波段，因此引起人们的注意。在图 1.2 所示的例子中，三个 1.06 µm的泵浦 光子使Tm3+离子跃迁到 4激发态，通过 的辐射跃迁，发出 475 1 G 5 3 4 1 G → H µm的 蓝光。注意，图中各能级事实上均是因基质加宽形成的能带。 图 1.1 两种泵浦原理的示意图 1
辅助阅读材料 第一章光纤器件 (被纹箭头表示光子通过非辐射过程的快速驰豫) G 泵浦 0.48um H 泵 桑浦 图1.2铥掺杂上转换激光器的泵浦过程 (波纹箭头表示能级间的快速跑豫过程，吸收三个1.064m的泵浦光子后，发射一个0.484m 的光子 G. 激发态吸收 图1.3掺钕光纤激光器的四能级结构图 在图11所示的泵浦结构中，掺铒光纤激光器使用的是三能级泵浦机制，可 用输入波长为0.98m或1.48m的半导体激光器实现高效率泵浦。图1.3是掺钕 光纤激光器的四能级结构图。该激光器可用输出波长为0.8m的GaAs半导体激 光泵浦，实现12→*F2的跃迁：该激光器可工作在0.92m、1.06m和135m 三个波长上，其中工作波长1.06m时泵浦效率最高。虽然工作波长为1.35m也 是四能级泵浦过程，但其效率受到‘F→G跃迁引起的激发态吸收的严重影
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 （波纹箭头表示光子通过非辐射过程的快速驰豫） 图 1.2 铥掺杂上转换激光器的泵浦过程 （波纹箭头表示能级间的快速驰豫过程，吸收三个 1.06 µm的泵浦光子后，发射一个 0.48 µm 的光子） 图 1.3 掺钕光纤激光器的四能级结构图 在图 1.1 所示的泵浦结构中，掺铒光纤激光器使用的是三能级泵浦机制，可 用输入波长为 0.98 µm或 1.48 µm的半导体激光器实现高效率泵浦。图 1.3 是掺钕 光纤激光器的四能级结构图。该激光器可用输出波长为 0.8 µm的 GaAs 半导体激 光泵浦，实现 5 2 4 9 2 4 I → F 的跃迁；该激光器可工作在 0.92 µm、1.06 µm和 1.35 µm 三个波长上，其中工作波长 1.06 µm时泵浦效率最高。虽然工作波长为 1.35 µm也 是四能级泵浦过程，但其效率受到 7 2 4 3 2 4 F → G 跃迁引起的激发态吸收的严重影 2
轴助阅读材料 第一章光纤器件 响。第一台光纤激光器出现于1961年，工作波长为1.06m。而半导体泵浦的光 纤激光器则出现于1973年，现在用半导体激光器阵列泵浦的掺钕光纤激光器已 能产生功率超过10W的连续光。 普通通信用的小功率光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，多采用单模光 纤、端面泵浦。但单模纤芯直径只有9μm,对LD的输出光束有严格的要求， 无法承受太高的功率密度，因为强泵浦光耦合在很细的的纤芯里会出现很严重的 非线性效应，从而改变纤芯光学性能、降低转换效率。 高功率光纤激光器多采用双包层光纤。单模纤芯由掺稀土离子的石英材料构 成，作为激光器振荡通道：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率 比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纤：因为掺杂激 活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层是分开的，所以实现了多模光泵浦而单模 输出。为了提高纤芯的吸收效率，内包层的截面形状多采用D形、矩形和梅花 形。 高功率光纤激光器采用侧面泵浦。光纤侧面引出多个权纤，每个分权可与带 尾纤的LD耦合形成分点泵浦，不仅极大地提高输出功率，同时又避免了传统端 泵带来的一系列热效应问题。 2腔形设计 光纤激光器的腔形设计可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔一法布 里-珀罗(FP),它是将增益介质置于两片高反射率的腔镜之间构成的。在光纤 激光器中，腔镜经常对接耦合到光纤端面，以避免衍射损耗。1985年出现的早 期掺钕光纤激光器就采用了这种结构，介质膜对1.08m的输出光高反，而对 0.82m的泵浦光高透。该腔的损耗很小，仅需1004W的泵浦功率就可以达到激 光阈值。但这种腔的调整较为困难，光纤端面或腔镜稍微倾斜，就会使损耗急刷 增加，允许的倾斜度小于°。该问题可通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛 光面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感，而且泵浦光也经由用 一腔镜入射，所以当泵浦光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。 有几种替代方法可以使注入的泵浦光不通过介质膜镜。第一种是使用定向光 纤耦合器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分泵浦光从耦合器的第一个出口输 入腔内，耦合器是光纤激光器的一部分，这样地耦合器称为WDM耦合器。第二 种方法是直接在光纤上刻写光纤光栅作为腔镜。对激光器波长而言，布拉格光栅 相当于高反镜，对泵浦光则是透明的。如果将FP腔的两个腔镜都用这种方法制 3
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 响。第一台光纤激光器出现于 1961 年，工作波长为 1.06 µm。而半导体泵浦的光 纤激光器则出现于 1973 年，现在用半导体激光器阵列泵浦的掺钕光纤激光器已 能产生功率超过 10W 的连续光。 普通通信用的小功率光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，多采用单模光 纤、端面泵浦。但单模纤芯直径只有 9 µ m，对 LD 的输出光束有严格的要求， 无法承受太高的功率密度，因为强泵浦光耦合在很细的的纤芯里会出现很严重的 非线性效应，从而改变纤芯光学性能、降低转换效率。 高功率光纤激光器多采用双包层光纤。单模纤芯由掺稀土离子的石英材料构 成，作为激光器振荡通道；内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率 比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模 LD 泵浦光的多模光纤；因为掺杂激 活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层是分开的，所以实现了多模光泵浦而单模 输出。为了提高纤芯的吸收效率，内包层的截面形状多采用 D 形、矩形和梅花 形。 高功率光纤激光器采用侧面泵浦。光纤侧面引出多个杈纤，每个分杈可与带 尾纤的 LD 耦合形成分点泵浦，不仅极大地提高输出功率，同时又避免了传统端 泵带来的一系列热效应问题。 2 腔形设计 光纤激光器的腔形设计可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔——法布 里-珀罗（F-P），它是将增益介质置于两片高反射率的腔镜之间构成的。在光纤 激光器中，腔镜经常对接耦合到光纤端面，以避免衍射损耗。1985 年出现的早 期掺钕光纤激光器就采用了这种结构，介质膜对 1.08 µm的输出光高反，而对 0.82 µm的泵浦光高透。该腔的损耗很小，仅需 100 µW 的泵浦功率就可以达到激 光阈值。但这种腔的调整较为困难，光纤端面或腔镜稍微倾斜，就会使损耗急剧 增加，允许的倾斜度小于 10 。该问题可通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛 光面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感，而且泵浦光也经由用 一腔镜入射，所以当泵浦光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。 有几种替代方法可以使注入的泵浦光不通过介质膜镜。第一种是使用定向光 纤耦合器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分泵浦光从耦合器的第一个出口输 入腔内，耦合器是光纤激光器的一部分，这样地耦合器称为 WDM 耦合器。第二 种方法是直接在光纤上刻写光纤光栅作为腔镜。对激光器波长而言，布拉格光栅 相当于高反镜，对泵浦光则是透明的。如果将 F-P 腔的两个腔镜都用这种方法制 3
辅助阅读材料 第一章光纤器件 造的光纤光栅代替，就形成了全光纤系统：利用布拉格光栅的另一个优点就是由 于光栅具有频率选择幸而能获得单纵模窄线宽的激光输出。第三种方法是使用光 纤环形镜，该镜可设计成对输出光全反，而对泵浦光全透。 因环形腔能够单向输出而经常用于激光器系统。应用于光纤激光器时，由于 环形腔中没有腔镜，因此构成了一个全光纤系统。最简单的环形腔结构是将 WDM耦合器的两端通过一段掺杂光纤连在一起，如图1.4所示。在光纤环路中 插入光纤隔离器是为了使激光器单向运转，如果所使用的是普通的掺杂光纤而不 是保偏光纤，还需要插入一个偏振控制器。 泵浦 8 DM和输出 锅合器 输出 排杂光纤 图14单向环形腔光纤激光器的示意图 早在1985年研制的第一台掺钕光纤激光器上就使用了这种环形腔设计，之 后又出现了几种新的结构形式。图1.5给出了一种用于锁模光纤激光器的结构， 这种结构因其形状而被称为“8”字形腔，右边的环形腔相当于一个具有增益作 用的非线性光纤环形镜。非线性效应对“8”字形激光器有重要作用。在低功率 运转时，光纤环路透射率很低，使得连续工作时腔内损耗很大：当光脉冲的峰值 功率达到一临界值时，环路儿乎透明。基于此原因，“8”字形腔有利于锁模运转。 左侧腔中的隔离器可以保证激光器单方向运转。激光通过另一个光纤耦合器输 出，其透射率很小(<10%)，以降低腔内损耗。“8”字形腔的一个有趣特征在于 它不用任何附加元件，如饱和吸收体，就可以实现被动锁模
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 造的光纤光栅代替，就形成了全光纤系统；利用布拉格光栅的另一个优点就是由 于光栅具有频率选择幸而能获得单纵模窄线宽的激光输出。第三种方法是使用光 纤环形镜，该镜可设计成对输出光全反，而对泵浦光全透。 因环形腔能够单向输出而经常用于激光器系统。应用于光纤激光器时，由于 环形腔中没有腔镜，因此构成了一个全光纤系统。最简单的环形腔结构是将 WDM 耦合器的两端通过一段掺杂光纤连在一起，如图 1.4 所示。在光纤环路中 插入光纤隔离器是为了使激光器单向运转，如果所使用的是普通的掺杂光纤而不 是保偏光纤，还需要插入一个偏振控制器。 图 1.4 单向环形腔光纤激光器的示意图 早在 1985 年研制的第一台掺钕光纤激光器上就使用了这种环形腔设计，之 后又出现了几种新的结构形式。图 1.5 给出了一种用于锁模光纤激光器的结构， 这种结构因其形状而被称为“8”字形腔，右边的环形腔相当于一个具有增益作 用的非线性光纤环形镜。非线性效应对“8”字形激光器有重要作用。在低功率 运转时，光纤环路透射率很低，使得连续工作时腔内损耗很大；当光脉冲的峰值 功率达到一临界值时，环路几乎透明。基于此原因，“8”字形腔有利于锁模运转。 左侧腔中的隔离器可以保证激光器单方向运转。激光通过另一个光纤耦合器输 出，其透射率很小（<10%），以降低腔内损耗。“8”字形腔的一个有趣特征在于 它不用任何附加元件，如饱和吸收体，就可以实现被动锁模。 4
辅助阅读材料 第一章光纤器件 WDM 菜浦 光 隔离器 偏振控制器 图1.5“8”字形腔锁模光纤激光器示意图 还有许多其它腔可以用于光纤激光器系统。例如，可以将两个FP腔连在 一起。这种腔形的最简单形式是将一个腔镜放在距光纤端面一定距离处，具有 4%反射率的光纤空气界面相当于一个低反射率镜，它将光纤腔和空气为介质的 空腔耦合在一起。这种复合腔曾用于减小掺铒光纤激光器的线宽。将三个光纤光 栅串联也可以构成两个耦合FP腔。 1.1.2掺饵光纤激光器 掺饵光纤激光器是利用掺入石英光纤的稀土铒E离子作为增益介质，在 泵浦光激发下进行光放大从而发射激光，其特性主要由掺杂元素决定，而不是由 起主介质作用的石英光纤决定。 产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效 获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与 发射光波长取决于介质的能级结构。图1.6展示了铒离子(E)的能级结构。 由于石英的非晶态特性，E+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子 从下能级(152)向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃 迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态 能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，形成粒子数反转。随后产生粒子数 反转分布的由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对 E+,存在如下有实际意义的跃迁过程： 「+1,2（对应800nm泵浦） 吸收过程：从基态*152→1w2(对应980nm泵浦) L32(对应1480nm泵浦) 激光发射过程：从激发态1→1s2(对应1536nm) 5
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.5 “8”字形腔锁模光纤激光器示意图 还有许多其它腔可以用于光纤激光器系统。例如，可以将两个 F-P 腔连在 一起。这种腔形的最简单形式是将一个腔镜放在距光纤端面一定距离处，具有 4%反射率的光纤-空气界面相当于一个低反射率镜，它将光纤腔和空气为介质的 空腔耦合在一起。这种复合腔曾用于减小掺铒光纤激光器的线宽。将三个光纤光 栅串联也可以构成两个耦合 F-P 腔。 1.1.2 掺铒光纤激光器 掺铒光纤激光器是利用掺入石英光纤的稀土铒(Er3+)离子作为增益介质，在 泵浦光激发下进行光放大从而发射激光，其特性主要由掺杂元素决定，而不是由 起主介质作用的石英光纤决定。 产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效 获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与 发射光波长取决于介质的能级结构。图 1.6 展示了铒离子（Er3+）的能级结构。 由于石英的非晶态特性，Er3+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子 从下能级（4 I15/2）向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃 迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态 能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，形成粒子数反转。随后产生粒子数 反转分布的Er3+由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对 Er3+，存在如下有实际意义的跃迁过程[3]： 吸收过程： ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ → （对应 泵浦） （对应 泵浦） （对应 泵浦） 从基态 I 1480nm I 980nm I 800nm I 13 / 2 4 11/ 2 4 9 / 2 4 15 / 2 4 激光发射过程：从激发态4 I13/2 →4 I15/2 （对应 1536nm） 5
辅助阅读材料 第一章光纤器件 444444以阳 44444以s 4444444Fg 4444445以1 44444以h Ert (d) 图1.6掺饵光纤中E能级图，14ms为上能级平均寿命 1基本结构 掺铒光纤激光器的基本结构与其它类型的激光器基本相同，主要由泵浦源、 掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。此处掺铒光纤是增益介质。当泵浦光（多 采用半导体光源)通过掺铒光纤时，借助泵浦光的能量实现E#的反转分布，随 后出现受激辐射光放大。常见的谐振腔结构主要有两种： (1)F-P腔 使用介质膜或金属膜的方法构成下-P腔，典型的线性腔光纤激光器如图1.7所 示。可以有单向泵浦、双向泵浦两种，其中单向又可分为正向泵浦和反向泵浦 两种方式，反向泵浦可使更多泵浦光能量转化为信号光能量，因而可获得比同向 泵浦光高约3dB的增益，但反向泵浦方式噪声系数将比同向泵浦高（约1.5dB),二 者相结合的双向抽运可实现高增益。 (2)环形腔 泵浦光能量由980nm1550nm波分复用器耦合到掺铒光纤中构成环形谐振 腔，隔离器的作用是提高激光输出的稳定性，耦合比可视要求而定
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.6 掺铒光纤中Er3+能级图，14ms为上能级平均寿命 1 基本结构 掺铒光纤激光器的基本结构与其它类型的激光器基本相同，主要由泵浦源、 掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成。 此处掺铒光纤是增益介质。当泵浦光（多 采用半导体光源）通过掺铒光纤时，借助泵浦光的能量实现Er3+的反转分布，随 后出现受激辐射光放大。常见的谐振腔结构主要有两种： （1）F-P 腔 使用介质膜或金属膜的方法构成F-P腔，典型的线性腔光纤激光器如图1.7所 示。可以有单向泵浦、双向泵浦两种， 其中单向又可分为正向泵浦和反向泵浦 两种方式，反向泵浦可使更多泵浦光能量转化为信号光能量，因而可获得比同向 泵浦光高约3dB的增益,但反向泵浦方式噪声系数将比同向泵浦高(约1.5dB)，二 者相结合的双向抽运可实现高增益。 （2）环形腔 泵浦光能量由 980 nm /1550nm 波分复用器耦合到掺铒光纤中构成环形谐振 腔，隔离器的作用是提高激光输出的稳定性，耦合比可视要求而定。 6
辅助阅读材料 第一章光纤器件 掺饵光纤 耦合器 配液光纤光裙 光纤光栅 隔离器 980nm激光二极管 00 掺饵光纤 隔离器 耦合器 耦合器 激光二极管 输出 (b) 图1.7掺铒光纤激光器结构(a)F-P腔：b)环形腔) 2输出特性的实验研究 (1)实验装置 掺铒光纤激光器的实验系统由半导体激光器、波分复用器、EDF(掺铒光纤)、 光耦合器、频谱分析仪等组成，光路实验连接图如下： PORT1 PORT3 激光拾出 4801550150nm ORT2 PORT4 480/1550WD 1480/1550WDM 140n LD2.OU Sin in 480nm DFB-LD 图1.8掺饵光纤激光器实验系统图 在图1.8所示的实验系统中，1480m半导体激光器作为泵浦源，为铒离子 在掺铒光纤中基态和亚稳态之间形成粒子数反转分布提供能量。 (2)激光器输出光功率 将光纤激光器输出端至光功率计OPM,OPM量程置1mW档，连接1480nm >
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 (a) (b) 图 1.7 掺铒光纤激光器结构（(a) F-P 腔； (b) 环形腔） 2 输出特性的实验研究 （1）实验装置 掺铒光纤激光器的实验系统由半导体激光器、波分复用器、EDF(掺铒光纤)、 光耦合器、频谱分析仪等组成，光路实验连接图如下： 图 1.8 掺铒光纤激光器实验系统图 在图 1.8 所示的实验系统中，1480nm 半导体激光器作为泵浦源，为铒离子 在掺铒光纤中基态和亚稳态之间形成粒子数反转分布提供能量。 （2）激光器输出光功率 将光纤激光器输出端至光功率计 OPM，OPM 量程置 1mW 档，连接 1480nm 7
辅助阅读材料 第一章光纤器件 泵浦激光器控制信号至主机的LD2.OUT端口，设置LD2工作模式MOD)为恒 流模式(ACC),驱动电流(Ic)置为0。缓慢增加1480nm泵浦激光器驱动电流，0 至300mA每隔5mA记录一次泵浦激光器(1480 nm DFB)输出光功率和掺铒光纤 激光器输出功率（即OPM功率数据），测得的实验数据如表1.1所示，其中c (mA)为驱动电流，Pp(mW)为泵浦光功率，Po(μW)为光纤激光器输出 光功率。 表1.1掺饵光纤激光器测最数据 Ic (mA) Pp (mW) Po (uW) Ic (mA) Pp (mW) Po (uW) 0 0 0 155 37.9 363.5 0 0 160 39.3 378.6 10 01 0 165 40.8 3884 02 0 170 424 395.8 20 0.3 175 43.9 398.8 25 0.3 0 180 45.4 401.9 0.6 0.5 185 46.8 405.0 4.3 190 48.3 3998 40 37 12.7 195 49.9 398.5 45 5.4 24.2 200 51.3 406.1 50 6.9 37.4 205 52.7 465.9 8.5 524 210 540 5102 10.0 68.5 215 55.2 552.0 11.5 102.3 220 56.3 554.1 70 131 1200 225 57g 573.9 75 14.5 1378 230 595 5743 80 16.0 156 235 61.0 572.8 85 17.4 174.4 240 62.5 561.2 0 189 1909 245 640 5600 95 20.3 2039 250 653 588.0 100 21.8 210.7 255 66.7 687.2 105 23.4 214.9 260 67.8 720.3 110 24g 214.8 265 690 723.6 115 264 2158 270 70.4 726.8 120 28.0 215.9 275 72.0 7298 125 29.6 226.7 280 73.6 724.5 130 31.0 2465 285 74.9 717.8 135 32.5 2765 290 76 710.7 140 33.9 305.2 29 77.6 735.6 145 35.3 3245 300 79.2 860.5 150 36.6 3441
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 泵浦激光器控制信号至主机的 LD2.OUT 端口，设置 LD2 工作模式(MOD)为恒 流模式(ACC)，驱动电流(Ic)置为 0。缓慢增加 1480nm 泵浦激光器驱动电流，0 至 300mA 每隔 5mA 记录一次泵浦激光器（1480nm DFB）输出光功率和掺铒光纤 激光器输出功率（即 OPM 功率数据），测得的实验数据如表 1.1 所示，其中 Ic （mA）为驱动电流，Pp（mW）为泵浦光功率，Po（ µ W）为光纤激光器输出 光功率。 表 1.1 掺铒光纤激光器测量数据 Ic（mA） Pp（mW） Po（µ W） Ic（mA） Pp（mW） Po（µ W） 0 0 0 155 37.9 363.5 5 0 0 160 39.3 378.6 10 0.1 0 165 40.8 388.4 15 0.2 0 170 42.4 395.8 20 0.3 0 175 43.9 398.8 25 0.3 0 180 45.4 401.9 30 0.6 0.5 185 46.8 405.0 35 2.1 4.3 190 48.3 399.8 40 3.7 12.7 195 49.9 398.5 45 5.4 24.2 200 51.3 406.1 50 6.9 37.4 205 52.7 465.9 55 8.5 52.4 210 54.0 510.2 60 10.0 68.5 215 55.2 552.0 65 11.5 102.5 220 56.3 554.1 70 13.1 120.0 225 57.9 573.9 75 14.5 137.8 230 59.5 574.3 80 16.0 156.1 235 61.0 572.8 85 17.4 174.4 240 62.5 561.2 90 18.9 190.9 245 64.0 560.0 95 20.3 203.9 250 65.3 588.0 100 21.8 210.7 255 66.7 687.2 105 23.4 214.9 260 67.8 720.3 110 24.9 214.8 265 69.0 723.6 115 264 215.8 270 70.4 726.8 120 28.0 215.9 275 72.0 729.8 125 29.6 226.7 280 73.6 724.5 130 31.0 246.5 285 74.9 717.8 135 32.5 276.5 290 76.2 710.7 140 33.9 305.2 295 77.6 735.6 145 35.3 324.5 300 79.2 860.5 150 36.6 344.1 8
辅助阅读材料 第一章光纤器件 900 80 是300 1020 3 40 506070 泵浦光功率(m 图1.9掺铒光纤激光器输出光功率与泵浦光功率关系曲线图 由上述实验数据和曲线图可以看到，引入泵浦光后，初始时刻随着泵浦源驱 动电流或泵浦光功率的增加，光纤激光器的输出光功率很微弱，几乎没有激光输 出。这是因为由光纤耦合器、波分复用/解复用器、光纤光栅和铒光纤共同构成 闭合光纤环，即谐振腔，当光场在谐振腔内往复振荡时，由于光无源器件都有 定的附件损耗，尤其是饵光纤，其损耗值高达8一l0B/km。所以在初始振荡时 刻，虽然光场由于受激辐射光功率得到了一定程度的放大，但功率放大倍数较小 不足以抵消光纤环路的损耗，考虑到环路损耗这一因素后光功率总体呈现减小而 不是放大。直到经过足够多次数的受激辐射光放大后，光场的增益大于光纤环路 的损耗后才能获得真正意义上的激光输出。此后随着泵浦源驱动电流和输出光功 率的增加，曲线呈上升趋势， (1)激光器输出光谱特性 连接光纤微光器输出端至C波段光谱分析器，输入狭缝置2m,输出狭缝置 O.1m,将光谱分析器功率探头输出连接至PD,OPMMOD置PD/mW,量程 (OPMRTO)置100uW档，再设置LD2工作模式(MOD)为恒流模式(ACC),测 量光纤激光器输出光谱，波长范围1540-1580m,波长间隔0.1m。调节泵浦光 激光器驱动电流LD2(1c)置分别为100mA、125mA、150mA、175mA、 200mA、225mA、250mA、275mA、300mA,保存每一驱动电流条件下激 光器的输出光谱图，并测量计算每一驱动电流对应的摻饵光纤激光器峰值波长 和3B线宽。各驱动电流条件下激光器的输出部分光谱图如下
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 泵浦光功率(mW) 掺铒光纤激光器输出光功率(uW) 图 1.9 掺铒光纤激光器输出光功率与泵浦光功率关系曲线图 由上述实验数据和曲线图可以看到，引入泵浦光后，初始时刻随着泵浦源驱 动电流或泵浦光功率的增加，光纤激光器的输出光功率很微弱，几乎没有激光输 出。这是因为由光纤耦合器、波分复用/解复用器、光纤光栅和铒光纤共同构成 闭合光纤环，即谐振腔，当光场在谐振腔内往复振荡时，由于光无源器件都有一 定的附件损耗，尤其是铒光纤，其损耗值高达 8－10dB/km。所以在初始振荡时 刻，虽然光场由于受激辐射光功率得到了一定程度的放大，但功率放大倍数较小， 不足以抵消光纤环路的损耗，考虑到环路损耗这一因素后光功率总体呈现减小而 不是放大。直到经过足够多次数的受激辐射光放大后，光场的增益大于光纤环路 的损耗后才能获得真正意义上的激光输出。此后随着泵浦源驱动电流和输出光功 率的增加，曲线呈上升趋势。 （1） 激光器输出光谱特性 连接光纤激光器输出端至 C 波段光谱分析器，输入狭缝置 2mm，输出狭缝置 0.1mm，将光谱分析器功率探头输出连接至 PD，OPMMOD 置 PD/mW，量程 (OPMRTO)置 100uW 档，再设置 LD2 工作模式(MOD)为恒流模式(ACC)，测 量光纤激光器输出光谱，波长范围 1540-1580nm，波长间隔 0.1nm。调节泵浦光 激光器驱动电流 LD2 (Ic)置分别为 100 mA 、125 mA 、150 mA 、175 mA 、 200 mA 、225 mA 、250 mA 、275 mA 、300mA，保存每一驱动电流条件下激 光器的输出光谱图，并测量计算每一驱动电流对应的掺铒光纤激光器峰值波长 和 3dB 线宽。各驱动电流条件下激光器的输出部分光谱图如下。 9
辅助阅读材料 第一章光纤器件 05a 5461m 5TART 图1.10【c=100mA条件下激光器的输出光谱图 由图1.20可看到，当泵浦光驱动电流为100mA时，此时光纤激光器输出光 谱呈一条直线，观察不到任何明显的峰值光谱，这说明此时激光器没有真正意 义上的稳定高功率激光输出。这和前面的理论分析是一致的。 15807nm54k START 图1.11Ic=150mA条件下激光器的输出光谱图
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.10 Ic=100 mA 条件下激光器的输出光谱图 由图 1.20 可看到，当泵浦光驱动电流为 100mA 时，此时光纤激光器输出光 谱呈一条直线，观察不到任何明显的峰值光谱，这说明此时激光器没有真正意 义上的稳定高功率激光输出。这和前面的理论分析是一致的。 图 1.11 Ic=150mA 条件下激光器的输出光谱图 10
