光纤激光器的作业原理

发布时间:2021-07-05 12:22:15 作者:乐鱼赛事 来源:乐鱼体育进入

产品概述


 

  由泵浦源宣布的泵浦光经过一面反射镜耦合进入增益介质中,因为增益介质为掺稀土元素光纤,因而泵浦光被吸收,吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并完成粒子数回转,回转后的粒子经过谐振腔,由激起态跃迁回基态,开释能量,并构成安稳的激光输出。

  光纤激光器的作业原理首要根据光纤激光器的特别结构。激光器是由作业物质、泵浦源和谐振腔三部分组成,具体效果如下:

  光纤的波导结构决议了光纤激光器易于取得单横模输出,且受外界要素影响很小,能够完成高亮度的激光输出。

  光纤激光器经过挑选发射波长和掺杂稀土元素吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源,能够完成很高的光一光转化功率。关于掺镱的高功率光纤激光器,一般挑选915纳米或975纳米的半导体激光器,荧光寿数较长,能够有用贮存能量以完成高功率运作。

  光纤激光器是选用细长的掺杂稀土元素光纤作为激光增益介质的,其表面积和体积比非常大,约为固体块状激光器的1000倍,在散热才能方面具有天然优势。

  中低功率状况下无需对光纤进行特别冷却,高功率状况下选用水冷散热,也能够有用防止固体激光器中常见的因为热效应引起的光束质量下降及功率下降。

  泵浦源也是选用体积小、易于模块化的半导体激光器,商业化产品一般可带尾纤输出,结合光纤布拉格光栅等光纤化的器材,只要将这些器材彼此熔接即可完满足光纤化,对环境扰动免疫才能高,具有很高的安稳性,可节约保护时刻和费用。

  作业原理:光纤是以SiO2为基质资料拉成的玻璃实体纤维,其导光原理是使用光的全反射原理,即当光以大于临界角的视点由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时,将发生全反射,入射光悉数反射到折射率大的光密介质,折射率小的光疏介质内将没有光透过。

  一般裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中心低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。光纤按传达光波方法可分为单模光纤和多模光纤。

  单模光纤的芯径较小,只能传达一种方法的光,其模间色散较小。多模光纤的芯径较粗,可传达多种方法的光,但其模间色散较大。按折射率散布的状况化分,可分为阶跃折射率(SI)光纤和突变折射率(GI)光纤。

  以稀土掺杂光纤激光器为例,掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质,掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔,泵浦光从M1入射到光纤中,从M2输出激光。

  当泵浦光经过光纤时,光纤中的稀土离子吸收泵浦光,其电子被鼓励到较高的激起能级上,完成了离子数回转。回转后的粒子以辐射构成从高能级转移到 基态,输出激光。

  1、晶体光纤激光器。作业物质是激光晶体光纤,首要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+:YAG单晶光纤激光器等。

  3、稀土类掺杂光纤激光器。光纤的基质资料是玻璃,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。

  2 冲,每单个脉冲有一个持续时刻,比方说 10 ns(纳秒),一般称作单个脉冲宽度,或单个脉冲持续时刻,咱们用 t 表明。这种激光器能够宣布一连串脉冲,比方,1 秒钟宣布 10 个脉冲,或许有的就宣布 一个脉冲。这时,咱们就说脉冲重复(频)率前者为 10,后者为 1,那么,1 秒钟宣布 10 个脉冲,它的脉冲重复周期为 0.1 秒,而 1 秒钟宣布 1 个脉冲,那么,它的脉冲重复周期为 1 秒,咱们用 T 表明这个脉冲重复周期。 假如单个脉冲的能量为 E, 那么 E/T 称作脉冲激光器的均匀功率,这是在一个周期内的均匀值。例如, E = 50 mJ(毫焦), T = 0.1 秒, 那么, 均匀功率 P均匀 = 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 假如用 E 除以 t,即有激光输出的这段时刻内的功率,一般称作峰值功率(peak power),例如,在前面的比如中 E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值 = 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦),因为脉冲宽度 t 很小,它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时刻T=1s/2k=?秒 均匀功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t

  激光的分类: 激光按波段分,可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐 ,现在工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外

  3 激光, 氪灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 氙灯泵浦YAG激光器1.064um红外激光, 半导体旁边面/端面泵浦激光器1.064um红外激光。 激光器的品种分,可分为固体、气体、液体、半导体和染料等几品种型: ( 1 )固体激光器一般小而巩固,脉冲辐射功率较高,使用规模较广泛。如:Nd:YAG激光器。Nd(钕)是一种稀土元素,YAG代表钇铝石榴石,晶体结构与红宝石类似。 ( 2 )半导体激光器能够经过外加的电场、磁场、温度、压力等改动激光的波长,能将电能直接转换为激光能,所以发展迅速。 ( 3 )气体激光器以气体为作业物质(首要为惰性气体),单色性和相干性较好,激光波长可达数千种,使用广泛。气体激光器结构简略、造价低价、操作便利。在工农业、医学、精细丈量、全息技能等方面使用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种鼓励方法。 ( 4 )以液体染料为作业物质的染料激光器于 1966 年面世,广泛使用于各种科学研讨范畴。现在已发现的能发生激光的染料,大约在 500 种左右。这些染料能够溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还能够包括在有机塑猜中以固态呈现,或升华为蒸汽,以气态方法呈现。所以染料激光器也称为 “ 液体激光器 ” 。染料激光器的杰出特色是波长接连可调。燃料激光器品种繁复,价格低价,功率高,输出功率可与气体和固体激光器相媲美,使用于分光光谱、光

  4 化学、医疗和农业。 ( 5 )红外激光器已有多品种型,使用规模广泛,它是一种新式的红外辐射源,特色是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。 ( 6 ) X 射线激光器在科研和军事上有重要价值,使用于激光反导弹兵器中具有优势;生物学家用 X 射线激光能够研讨活组织中的分子结构或具体了解细胞机能 用 X 射线激光拍照分子结构的相片 , 所得到的生物分子像的对比度很高。 ( 7 )化学激光器 有些化学反应发生足够多的高能原子,就能够开释出大能量,可用来发生激光效果。 ( 8 )自由电子激光器 这类激光器比其他类型更适于发生很大功率的辐射。它的作业机制异乎寻常,它从加速器中取得几千万伏高能调整电子束,经周期磁场,构成不同能态的能级,发生受激辐射。 光分为可见光和不行见光:是根据人的肉眼是否能看到来区分的。光的可见与不行见与光(或许说电磁波,光便是电磁波)的波长有联系,人眼能看到的电磁波的波长规模是400nm到760nm,400nm左右的是紫色光,小于这个波长的人眼就看不到了,是紫外线nm附件的是赤色光,波长大于这个规模,人眼也感觉不到也便是红外线nm的电磁波为可见光。可见光透过三棱镜能够呈现出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色彩组成的光谱。赤色光波最长,640—780nm;紫色光波最短,380—430nm。 红640—780nm 橙640—610nm 黄610—530nm 绿505—525nm 蓝505—470nm 紫470—380nm 肉眼看得见的是电磁波中很短的一段,从0.4-0.76微米这部分称为可见光。可见光经三棱镜分光后,成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色彩组成的光带,这光带称为光谱。其间红光波长最长,紫光波长最短,其它各色光的波长则顺次介于其间。波长善于红光的(0.76微米)有红外线有无线电波;波长短于紫色光的(0.4微米)有紫外线 常见的可见光有:

  6 常用的是:红外和紫外,红外的如:YAG灯泵浦,CO2,半导体旁边面/端面泵浦,光纤 激光根据开释能量的方法可分为:接连和脉冲激光,接连激光是以安稳、接连的光束开释出能量,如二氧化碳、CW光纤激光器。脉冲激光的能量是以脉冲的方法开释的,即激光能量在一个固定的(也有可调理的)时刻内(脉冲宽度)开释出来(称为一个脉冲),而每个脉冲之间的时刻是可控的,根据脉冲宽度,此类激光又可分为长脉冲激光(脉宽为毫秒级)和短脉冲激光(脉宽为纳秒级),近年又呈现了皮秒激光(1皮秒等于一万亿分之一秒(10E-12秒)。 激光脉冲:指的是脉冲作业方法的激光器宣布的一个光脉冲,简略的说,比如手电筒的作业相同,一向合上按钮便是接连作业,合上开关马上又关掉便是宣布了一个“光脉冲”

  光纤是以SiO2为基质资料拉成的玻璃实体纤维,其导光原理是使用光的全反射原理,即当光以大于临界角的视点由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时,将发生全反射,入射光悉数反射到折射率大的光密介质,折射率小的光疏介质内将没有光透过。一般裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中心低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。光纤按传达光波方法可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的芯径较小,只能传达一种方法的光,其模间色散较小。多模光纤的芯径较粗,可传达多种方法的光,但其模间色散较大。按折射率散布的状况化分,可分为阶跃折射率(SI)光纤和突变折射率(GI)光纤。以稀土掺杂光纤激光器为例,掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质,掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔,泵浦光从M1入射到光纤中,从M2输出激光(拜见右图1)。

  当泵浦光经过光纤时,光纤中的稀土离子吸收泵浦光,其电子被鼓励到较高的激起能级上,完成了离子数回转。回转后的粒子以辐射构成从高能级转移到 基态,输出激光。图1的反射镜谐振腔首要用以阐明光纤激光器的原理。实践的光纤激光器可选用多种全光纤谐振腔。

  图2为选用2×2光纤耦合器构成的光纤环路反射器及由此种反射器构成的全光纤激光器,(a)表明将光纤耦合器两输出端口联合成环,(b)表明与此光纤环等效的用分立光学元件构成的光学体系,(c)表明两只光纤环反射器串接一段掺稀土离子光纤,构满足光纤型激光器。以掺Nd3+石英光纤激光器为例,使用806nm波长的AlGaAs(铝镓砷)半导体激光器为泵浦源,光纤激光器的激光发射波长为1064nm,泵浦阀值约470μW。

  使用2×2光纤耦合器能够构成光纤环形激光器。如图3(a)所示,将光纤耦合器输入端2联合一段稀土掺杂光纤,再将掺杂光纤联合耦合器输出端4而成环。泵浦光由耦合器端1注入,经耦合器进入光纤环而泵浦其间的稀土离子,激光在光纤环中构成并由耦合器端口3输出。这是一种行波型激光器,光纤耦合器的耦合比越小,表明贮存在光纤环内的能量越大,激光器的阈值也越低。典型的掺Nd3+光纤环形激光器,耦合比≤10%,使用染料激光器595nm波长的输出进行泵浦,发生1 078mn的激光,阈值为几个毫瓦。上述光纤环形激光腔的等效分立光学元件的光路组织如图3(b)所示。

  使用光纤中稀土离子荧光谱带宽的特色,在上述各种激光腔内参加波长挑选性光学元件,如光栅等,可构成可调谐光纤激光器,典型的掺Er3+光纤激光器在1 536和1 550nm处可调谐14nm和llnm。假如选用特别的光纤激光腔规划,可完成单纵模作业,激光线宽可小至数十兆赫,乃至达10kHz的量级。光纤激光器在腔内参加声光调制器,可完成调Q或锁模作业。调Q掺Er3+石英光纤激光器,脉冲宽度32ns,重复频率800Hz,峰值功率可达120W。锁模试验,得到光脉冲宽度2.8ps和重复频率810MHz的成果,可望用作孤子激光源。

  稀土掺杂石英光纤激光器以老练的石英光纤工艺为根底,因而损耗低和准确的参数操控均得到确保。恰当加以挑选可使光纤在泵浦波长和激射波长均作业于单模状况,可到达高的泵浦功率,光纤的表面积与体积之比很大,散热效果很好,因而,光纤激光器一般仅需低功率的泵浦即可完成接连波作业。光纤激光器易于与各种光纤体系的一般光纤完成高功率的接续,且柔软、细微,因而不但在光纤通信和传感方面,并且在医疗、计测以及仪器制造等方面都有极大的使用价值。

  由泵浦源宣布的泵浦光经过一面反射镜耦合进入增益介质中,因为增益介质为掺稀土元素光纤,因而泵浦光被吸收,吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并完成粒子数回转,回转后的粒子经过谐振腔,由激起态跃迁回基态,开释能量,并构成安稳的激光输出。光纤激光器的结构类似于传统的固体激光器、气体激光器,首要由泵浦源、增益介质、谐振腔三大部分构。其间,泵浦源一般为高功率的半导体激光器,增益介质为掺稀土元素的玻璃光纤,谐振腔由耦合器或光纤光栅等构成。

  光纤激光器,英文名称为Fiber Laser,是一种以掺稀土元素的玻璃光纤为增益介质来发生激光输出的设备。光纤激光器可在光纤放大器的根底上进行开发,因为光纤激光器中光纤纤芯很细,因而在泵浦光效果下,光纤内部功率密度高,使得激光能级呈现“粒子数回转”现象,在此根底上,再经过正反馈回路构成谐振腔,便可在输出处构成激光振动。

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