扬州大学学报·自然科学版 理论与实践研究·2006·3 激光原理课程在毕业设计中的应用 杜戈果,赖广文,肖迪,张敏 (深圳大学电子科学与技术学院,广东深圳51800) 摘要:在指导本科毕业设计“国产掺Yb光纤激光器研究”的过程中,启发学生运用激光原理知识对 些实验现象进行分析,使他们加深了对激光形成的理解,增强了利用所学知识对实际问题进行分析的能力, 达到了学以致用的目的 关键词激光原理;毕业设计;掺Yb光纤激光器;模式竞争 赖广文与肖迪是深圳大学原工程技术学院(现电子科学与技术学院)2001级光信息科学与技术 专业的学生,笔者在指导毕业设计“国产掺Yb光纤激光器研究”的过程中,启发他们对观察到的实验 现象进行分析,既完成了毕业设计任务,同时也加深其对所学激光原理知识的理解 1实验部分 实验装置如图1所示,采用光纤端面直接泵浦方式,准直镜和聚焦镜均为显微镜物镜.通过对各种 参数的物镜实验,最终采用60x的物镜作为准直镜,20x的物镜作为聚焦镜实验采用的掺Yb光纤为烽 火通信科技股份有限公司生产,光纤的技术指标如下:纤芯直径为6.0{m;内包层直径为12pm;内包层 数值孔径为0.17;纤芯数值孔径为0.17;吸收系数为3~20dB/m(920m波长).泵浦源的中心波长为 974m,线宽2m;在泵浦电流为2A时,最大输出功率Pm=968mW;透过显微物镜组后功率衰弱为 P1=232mW;ID与光纤的耦合效率为n=72%,则最大人纤功率为Pa=P1X7=16.7mW 二色镜M1 二色镜M 光谱仪 LD 掺镱双包层光纤 功率计 60x准直20x聚焦 图1摻镱双包层光纤激光器结构示意图 为了降低阈值,我们在光纤两个端面加了两块二色镜构成F-P型谐振腔使用M1作为前腔镜, M对泵浦光高透,在974mn处透过率大于90%,对1050~1100mm范围内的光反射率大于98%,后 腔镜有两块镜子选择,一块是与前腔镜同一批镀膜的另一镜子,另外一块为M;M2与M的主要区别 是M2对泵浦光高反,在974mm处反射率大于85%.工作物质分别选用10m的掺Yb光纤和40m的 掺Yb光纤,这样用两种长度的光纤分别结合M1、M2一共做了四种组合实验其中除了用40m掺Yhb 光纤为工作物质、M1为后腔镜时未能观察到激光光谱外,其他三种组合都观察到了激光光谱 2运用激光原理知识对实验结果进行分析 2.1不同光纤长度对模式竞争的影响 图2,3是在泵浦电流为2A、腔结构相同而光纤长度分别为10m和40m时激光器的纵模由图 可见,使用40m光纤得到的模式比使用10m光纤得到的模式多,模式竞争比较剧烈这是由于它们 139
之间的纵模间隔不同所产生的从激光原理可知纵模间隔为△vn=c/(2nL),其中n为工作物质的折 射率,L为腔长,对于光纤激光器,其腔长即为所用的光纤长度从公式可以看出,光纤越长,织模间隔 越小.而纵模间隔又影响着模式竞争,它对模式竞争的影响如图4所示 f1:排tY积*1/1 10,in SPEc%k:1099:B001.W 个A你 1030,00 10030 09500500 an/D 4120.00 SELECT: IITERINLI 图2光纤长10m时激光器的纵模 图3光纤长40m时激光器的纵模 (v) g --------- gt q -2vg1 vivo+lvg 能起振的模式→ ⊥ Va1Ua Va+l 短腔,纵模间隔大 长腔,纵模间隔小 图4纵模间隔对模式竞争的影响 其中g(v)为小信号的增益曲线,g为阈值一个模式能否起振,取决于它的增益是否大于阈值 增益谐振腔比较长时,其纵模间隔较小,增益大于阈值曲线下的模式较多,能起振的模式也越多,如 右图所示,能起振的为n11,n,三个模式,故模式竞争较为激烈如果缩短谐振腔的长度,就能够 增大相邻纵模间隔;如果在增益曲线大于阈值下只存在一个纵模,就可实现单纵模振荡,如左图所示, 能够起振的模式只剩为vn,这其实就是短腔法选纵模的原理 图5显示了纵模数随泵浦电流的降低而变化的情况,上排为使用10m长掺Yb光纤为工作物质 时观察到的光谱由图中看出,能够起振的纵模数随泵浦电流的降低而不断减少,最后在泵浦电流为 I=1616mA时基本实现单模振荡而下排为使用40m长掺Yb光纤为工作物质时观察到的光谱,虽 然随泵浦电流的降低而能够起振的模式数也不断减少,但是在泵浦电流几乎减少到阈值时仍未能实 现单纵模振荡,模式竞争依然较剧烈
产影 的的 7 S0LCT: LFTEETL 图5纵模数随泵浦电流的降低而减少 2.2不同后腔镜透过率对模式的影响 图6,7为使用10m长掺Yb光纤为工作物质,M,M2分别为后腔镜时观察到的光谱.在泵浦电流 较小的情况下,使用M1为后腔镜时模式竞争不剧烈,基本实现单纵模振荡使用M2为后腔镜时模式 竞争比较剧烈,主要振荡在两个模式上腔镜M1与M2的最大区别是M对泵浦光高透而M2对泵浦 光高反,这造成M1的带宽小于M2的带宽,一定程度上限制了增益带宽 .g ADWlnTEST $8304 OPTICAL SPECTRUM AHLYZER . 1?/Hor/2005 17:34: 4 ADVANTEST QUJ04 OPT ICAL SPECTRUM AllALYZER ..21/Ha/2005 1/:22:59 SPEC Pk: 1046. 770mn 1 In no:t RES: 0, 5a SPEC PK: 107.200nm 300 0p G:I RES: 0. 5nn H: 1001 LBRMnL SHT11 小好到 SELECT: STIERIEM. STOP: 200, 000nn 图6使用M为后腔镜的情况 图7使用M2为后腔镜的情况 增益带宽对模式竟争的影响如图8所示,g1,g2是两条增益带宽不同的曲线,其中g1的带宽较 窄对某一频率如图中vn-1和v2*模,对应g2增益时满足阈值条件能够起振;而对应增益时不满 足阙值条件不能够起振因此,使用增益带宽较窄的二色镜M作为后腔镜能减弱模式竞争
3小结 g(v)年 用国产ⅠD泵浦国产掺Yb光纤,实现了激光输 出.不仅验证了国产掺Yb光纤的可行性,更重要的 是,本科生通过此实验研究,加深了对激光形成的理9t 解,锻炼了运用所学的激光原理知识对实验现象进行 g 分析的能力,达到了学以致用的目的,从而顺利完成 了毕业设计任务.其中赖广文同学的论文被评为2005 年深圳大学优秀毕业论文 Vg-1 Vq vg+ 参考文献: 图8增益带宽对模式竞争的影响 [1]周炳琨,高以智,陈倜嵘,等.激光原理[M].4版.北京:国防工业出版社,2000 [2]杜戈果,阮双琛,罗烽,等.国产LD泵浦掺Yb双包层光纤光谱特性研究[J.激光与红外,2004,34(2):149-152 [3]赖广文.40m掺Y3+双包层光纤的激光特性研究[D].深圳:深圳大学,2005 [4]肖迪DD泵浦10m长掺Yb双包层光纤激光器的实验研究[D]深圳:深圳大学,2005 (上接第138面) △e=(Eq/1)2/2m,△e∝q2 所以,△e1: △2 △e3=q12/m1:g2/m2:g32/m3=2:1:2 4类比方法的局限性 物理世界客观事物的类似,使我们有了类比的基础,然而各种运动形态的千差万别,又使类比有 它的局限性类比方法是由已知事物的相同点推断未知事物的相同点,其思维过程是从一种特殊的对 象知识过渡到另一种特殊对象类比方法得出的结论仅仅是一种推测,不够严格,根据也不够充分,类 比方法本身不能保证它的正确性,故类比方法本身具有一定的局限性实践是检验真理的惟一标准 用类比方法得出的结论必须用实践来检验,用实验来证实,否则就必须抛弃尽管用类比方法有它的 局限性,但是类比推理的逻辑性特点,决定了它同创造性思维、科学假说、灵感紧密相连.已经被人们 有效地认识了的物质和运动规律,在激发科学家的创造性思维和为新的发现都起到了重要作用 总之,物理教学中,若能恰当地运用类比,通过概念、规律的相似性比较,教师可以少费口舌,化 “抽象为具体”,让学生对新知识既有“似相识”的亲切感,又觉得新鲜,从而激发了学生的学习兴趣 这样在运用类比方法沟通新旧知识的同时,学生不仅掌握了知识的网络,弄清了概念之间的细微差 别,对知识的理解更系统化、条理化,更重要的是培养了学生的科学思维能力因此,掌握类比方法对 于高职物理的教学和学习都是十分必要的 142