更全的杂志信息网

掺铥光纤激光器结构与特性研究

更新时间:2016-07-05

随着光纤通信技术的快速发展,各种不同的通信技术不断涌现,层出不穷。在光纤通信中,采用的光源是激光,而光纤激光器作为第三代激光技术,在通信领域已经展现出强大的生命力和广阔的应用前景,是未来实现全光纤通信的关键技术之一[1-3]。所谓的光纤激光器,是指用掺杂了一些特殊离子的光纤作为增益介质的激光器,如镱(Ytterbium, Yb)、铒(Erbium, Er)、铥(Thulium, Tm)、钬(Holmium, Ho)等离子元素[4-6]。这种掺杂了不同离子的光纤,根据离子不同的能级跃迁,以及不同的辐射波长,在一定条件下可以输出不同波长的激光。正因为有这些优势,光纤激光器已经被用在各种光通信技术之中了[7-8]。光纤激光器采用的材料为光纤,原材料来源非常丰富。一方面,随着技术的不断发展与进步,制造光纤的成本越来越低,光纤材料比较容易获得,并且光纤还具有体积小、重量轻、易于集成以及损耗低等特点;另一方面,采用光纤作为增益介质的激光器,具有激光阈值较小的优点,较容易产生激光[9-10]。因此,大量的光纤激光器被不断制造出来,在这些种类繁多的光纤激光器中,掺铥光纤激光器较为引人注目[11-12]。在掺铥光纤激光器中,掺铥基质为石英光纤,根据铥离子的能级结构与辐射性质,掺铥光纤激光器的光光转换效率较高,实验表明可达 70%以上。此外,掺铥光纤激光器的输出激光波长范围较宽,为1 600~2 200 nm,这个波段包括了2 um的重要波长,这个波长对于人眼是较为安全的,因此,掺铥光纤激光器不仅能在光纤通信中发挥作用,也有望在生物医学技术方面发挥重要的作用。目前,国际国内都在对掺铥光纤激光器的研究方面投入大量的人力物力进行积极探索,掺铥光纤激光器已经成为光纤激光技术中的研究热点之一。

1 掺铥光纤激光器结构

从激光产生的机制来看,一个激光器应该具备三大要素:第一是增益介质,其作用是产生激光辐射;第二是要有一个谐振腔,用来维持光振荡状态;第三是要有一个泵浦光源,作为产生激光的能量来源提供者。典型的激光器工作原理如图1所示,激光器内部结构如图2所示。谐振腔是构造一个激光器的重要元件,常见的激光腔有Fabry-Perot腔和环形腔。对于采用Fabry-Perot谐振腔的结构来说,两个端面上的腔镜是平行放置的,其中一个腔镜是全反射型,另一个腔镜是部分反射型。

刘静萍表示,当前,公司的巡视整改工作取得了预期成效。下一阶段,务必要巩固巡视整改成果,继续努力开创云南电网公司党建工作新局面。一是务必要把政治建设摆在首位,坚定两个“维护”。二是务必要把思想建设作为基础性建设,不断坚定理想信念。三是要着力加强组织建设,落实党的组织路线。四是要坚持把纪律和规矩挺在前面,注重抓早、抓小。五是要提升基层党委组织力和党支部战斗力。

图1 激光器工作原理 Fig.1 Laser operating principle

图2 激光器内部结构 Fig.2 The internal structure of the laser

图3 掺铥光纤激光器结构 Fig.3 The structure of thulium doped fiber laser

对于光纤激光器来说,增益介质为掺杂了稀土元素离子的光纤,再加上2个腔镜构成谐振腔,由泵浦光源提供能量产生激光。掺铥光纤激光器结构如图3所示。增益介质为掺杂了铥离子的光纤,泵浦光源通常选择大功率半导体激光器LD光源。

2 掺铥光纤的发光机制

2.1 原子的能级

从微观角度来看,原子内部存在着不同的能级结构,这些能级在发生从高能级到低能级的跃迁时,就能对外辐射出光来,如图4所示。

图4 原子的能级结构 Fig.4 Atomic energy level structure

2.2 铥的辐射结构

图5 铥的多种辐射结构 Fig.5 Various radiation structures of thulium

[3] Pang M, He W, Russell P. Gigahertz-repetition-rate Tm-doped fiber laser passively mode-locked by optoacoustic effects in nanobore photonic crystal fiber[J]. Optics Letters, 2016,41(19):4601-4604.

2.3 铥的速率方程

由于铥的能级结构非常丰富,所以在选择泵浦光时有较多的选择。不过,为了实现产生2 μm激光的目标,较多选用的泵浦光方式是铥的一种四能级结构,如图6所示。泵浦光采用的是790 nm的波长,从基态激发到高能级上面去,然后回落向下跃迁,产生出2 μm的激光。

图6 790 nm泵浦方式能级图 Fig.6 Energy level diagram with 790 nm pumping method

按照文献上的惯用表达方法,设Aij为自发跃迁的几率大小,σe(λs)表示输出激光波长为λs时的受激发射截面,c是光速,Γi表示非辐射跃迁几率,Wij为泵浦吸收几率,σα(λs)表示信号光波长从H6到H4跃迁时的吸收截面,σα(λp)表示泵浦光波长从H6到H4跃迁时的吸收截面,CR1CR2是交叉弛豫项, Sf(z)表示前向传输的信号光功率,Sr(z)则表示后向传输的信号光功率。则有粒子速率方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

上述方程是用来描述铥的四能级结构的粒子速率方程。

3 掺铥光纤激光器中掺杂量与光纤长度的关系

掺铥光纤作为一种优良的增益介质,其品质的好坏会严重影响到产生激光的效果。现有的各种研究结果表明,稀土离子的掺杂浓度对于光纤长度具有相当大的作用。不同的掺杂浓度,对应不一样的光纤长度。为此,对掺杂浓度与光纤长度的关系进行了仿真实验。掺杂浓度N分别为8×1024/m3、10×1024/m3, 得到如图7所示。

2.3.1 蕹菜产量 从图2看出,处理1、处理2的蕹菜总产量比CK高,增幅分别为19.95%和14.95%。处理1各次采收产量均高于CK,处理2除第1次采收产量显著低于CK外,其余均高于CK,可能是秸秆加量覆盖并且前期快速腐解消耗了过量N从而抑制蕹菜生长,也有可能是加量的秸秆前期腐解速度较快产生过多养分导致了肥害。水稻秸秆覆盖处理的产量从第3次采收起均显著高于CK,可能是秸秆腐解中后期养分开始缓慢释放所致。第1次采收处理2的蕹菜产量显著低于处理1,其余采收次数间差异不显著,但第6次、第7次处理2的产量均高于处理1,说明随着覆盖量的增加秸秆腐解释放养分更持久。

图7 掺杂浓度对光纤长度的影响 Fig.7 The effect of doping concentration on fiber length

从功能上来看,光栅可以分为两种类型,一种是透射光栅,另一种是反射光栅。对于透射光栅来说,透射光是其衍射光,如图9所示。

4 光纤光栅谐振腔

第四,5.12汶川大地震的发生,使得原本就羸弱的羌族文化受到了又一次重创。这不仅是一次自然灾害更是一场文化的大灾难。据统计,5.12地震使93个羌寨受灾,羌族遇难人数达三万多人,同时,羌族地区的房屋受损严重,95%的羌族传统民居受损,其中80%的房屋成为危房。而原本就后继无人、老龄化突出的释比群体,5.12地震不仅使他们的生存空间受损,更使他们传承的文化空间受损。

造林质量对造林造林具有重要意义。造林质量的好坏决定着造林的作用能否顺利进行。因此,造林质量技术显得尤为重要。造林质量技术一般包括造林前的探索、造林中的质量检测和造林后的质量调查。因此,造林质量技术逐步完成,虽然比较麻烦,但效果显著。同时,还需要提高造林质量。在造林前,必须对造林地进行调查,以减少造林中出现的问题。在造林中,有必要对苗木进行检测,并确保苗木的质量,因为有些苗木受到感染,有可能使其他苗木生病,不值得损失。同时,造林结束后,对整个森林进行消毒,减少垃圾的发生,同时避免树苗流失,使森林质量下降。

4.1 光栅的基本性质

光纤激光器同样需要有一个谐振腔,而光纤光栅在功能上相当于反射镜,这就使得光纤光栅在构造光学谐振腔方面能发挥重要的作用。现在常常把满足Bragg反射条件的光栅作为腔镜使用,光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)对腔内激光相当于高反射镜,而对泵浦光则是完全透明的,所以光纤Bragg光栅可取代Fabry-Perot腔两端的高反射镜,构成全光纤激光器。用光纤Bragg光栅构造光学谐振腔的结构如图12所示。

不论是固体宝石类激光器,还是光纤激光器,其结构中都有一个光学谐振腔。在固体宝石类激光器结构中,光学谐振腔通常是用2个高反镜作为腔的端面,如F-P光学谐振腔。但对于光纤激光器来说,由于光纤本身的直径就非常细小,在这种情况下,再沿用传统的光学镜作为F-P光学谐振腔的两个端面,显然是比较困难的,不论在技术上还是操作效果上都不太适宜了。随着光纤技术的不断发展与进步,人们发明了一种光纤光栅,用这种光栅就可以在光纤激光器中实现F-P光学谐振腔的两个端面镜功能了。

图8 光栅结构 Fig.8 Grating structure

结果说明,不同的掺杂浓度,对于光纤增益介质来说有一个最优化的光纤长度。并非光纤长度越长越好,因为如果光纤较长,就会损耗掉更多的泵浦光能量,进而影响了增益介质对泵浦光能量的吸收,因此,一定会存在一个最优化的光纤长度。

图9 透射光栅结构 Fig.9 Transmission grating structure

对于反射光栅来说,反射光是其衍射光,如图10所示。但不论是透射光栅,还是反射光栅,都遵守光栅基本方程。

图10 反射光栅结构 Fig.10 Reflection grating structure

光栅具有分光的功能,如果一束白色光入射到光栅上,经过光栅分光后,会得到不同颜色的彩条,也就是光谱,如图11所示。

图11 白色光经过光栅后形成的光谱 Fig.11 Spectrum formed by the grating with white light

4.2 光纤光栅特点

所谓的光纤光栅,实际上就是在一根光纤中,用某种方法制造一种密集﹑等间距、能使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制,从而形成的衍射光栅。

光纤光栅在制造技术上,利用了光纤材料的光敏特性,用光刻的方法,通过紫外光曝光,将入射光相干场图样写入光纤的纤芯,在纤芯内就会产生一种固化不退的沿纤芯轴向的折射率周期性变化的光纤,其功能相当于反射镜。在光纤光栅中,当有一束多波长的复合光束经过这种光纤光栅时,所有满足光纤光栅的Bragg条件的波长,都将被反射,这叫作Bragg反射条件,而其他不满足Bragg反射条件的波长,则会透过光纤光栅,继续向远处传输。

4.3 光栅谐振腔

光栅,实际上就是一种由等宽、等间距的平行狭缝(或反射面)构成的一种光学元件,如图8所示。

再次,目前的水量分配制度没有考虑水质,不能实现水量水质的统一管理。一方面,没有水质规定和保证,分配的水量也用不了;另一方面,在制度设计上水量与水质的脱节,使得在实践中难以落实水资源的量与质的统一管理。

5 掺铥光纤激光器的应用

掺铥光纤激光器由于是以光纤为材料,具有体积小、重量轻、易于操作及性能稳定的优点,因此有着广泛的应用价值。

幼儿自出生起,与父母或养育者朝夕相处,建立了牢固的依恋关系,这种依恋构筑了幼儿安全感的基础。而入园是一直生活在家人关爱中的幼儿第一次与其分离,这种分离类似于第一次断乳,使幼儿紧张、不安、焦躁,从而产生了入园不适症。

除了这些学术有专攻的研究机构外,目前对新汉学进行再研究的成果主要来自于中国人民大学、南京大学、武汉大学、北京大学等高校。相对来说,这些研究得到所在机构支持的力度较小;其研究特点是学者们利用自己个人的学术资源或者学术专长,通过长期的知识积累以及对海外中国研究的持续关注,形成了带有较强个体研究特征的一系列研究成果。

图12 光纤Bragg光栅构造光学谐振腔的结构 Fig.12 Optical resonant cavity constructed by fiber Bragg grating

光纤激光器是第三代激光技术,也是光纤通信系统中的重要器件,并对全光纤通信技术的发展起着至关重要的作用。掺铥光纤激光器是当前激光技术领域研究的一大热点。本文探讨了掺铥光纤激光器的各项特点,分析了激光器的结构组成;根据铥离子的能级结构,分析了其吸收与辐射的性质,在此基础上建立了速率方程;分析了不同离子掺杂浓度与增益光纤长度之间的关联;对光纤光栅进行了研究,分析了光栅的基本性质,探讨了用光纤Bragg 光栅构造光学谐振腔问题。掺铥光纤激光器能发出2 μm的激光,在生物医学与军事技术领域都有着非常光明的应用前景。

其次,2 μm光纤激光器在军事上也极为重要。在探测方面,2 μm光纤激光器可以作为激光雷达的重要工具。对于地面车辆来说,大功率的2 μm光纤激光器可以作为一种武器来使用,用来进行导弹防御。在海上可用来对付反舰导弹,攻击有人机、无人机和小型舰艇等军事目标。

6 结束语

首先,在生物医学方面,掺铥光纤激光器能产生2 μm的激光,而这个波长正好对应于水分子的吸收峰,能大量被水吸收,这一特点可以用于医学手术。例如对于人的眼晴进行角膜手术治疗时,由于人眼中有大量液体水,则2 μm的激光射进后,首先会被水体大量吸收,这样就不会灼伤眼里深层的物质了,使用起来比较安全。

[参考文献]

[1] Sotor J, Boguslawski J, Martynkien T. All-polarization-maintaining, stretched-pulse Tm-doped fiber laser, mode-locked by a graphene saturable absorber[J]. Optics Letters, 2017, 42(8): 1592-1595.

[2] Berenice P R, Manuel D S, Ricardo I A, et al. Study of a Hi-Bi FOLM for tunable and dual-wavelength operation of a thulium-doped fiber laser[J]. Optics Express, 2017, 25(3):2560-2568.

铥的辐射结构如图5所示。铥在自然界中存量非常少,可以说是自然界中最稀少的稀土元素之一,因此,铥的价格十分昂贵,这直接导致了掺杂铥的光纤价格高、成本大,并限制了掺铥光纤的应用。但由于铥的原子能级结构非常丰富,能提供多个不同的波长,从发光角度来看,调谐频率较宽,因此,掺铥光纤仍然得到了高度重视,并广泛应用于光纤激光器的设计和制造中。

[4] Sobon G,Sotor J, Przewolka A, et al. Amplification of noise-like pulses generated from a graphene-based Tm-doped all-fiber laser[J]. Optics Express, 2016, 24(18):20359-20364.

[5] Sun B, Luo J, Ng B P, et al. Dispersion-compensation-free femtosecond Tm-doped all-fiber laser with a 248 MHz repetition rate[J]. Optics Letters, 2016, 41(17): 4052-4055.

[6] Qiao T, Chen W, Lin W, et al. Generation of Q-switched mode locking controlled rectangular noise-like soliton bunching in a Tm-doped fiber laser[J]. Optics Express, 2016, 24(16):18755-18763.

[7] Huang Y, Jivraj J, Zhou J, et al. Pulsed and CW adjustable 1942 nm single-mode all-fiber Tm-doped fiber laser system for surgical laser soft tissue ablation applications[J]. Optics Express, 2016, 24(15):16674-16686.

[8] Kuan P W, Li K, Zhang L, et al. 0.5-GHz repetition rate fundamentally Tm-doped mode-locked fiber laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, 28(14):1525-1528.

[9] Jeong H, Choi S Y, Kim M H, et al. All-fiber Tm-doped soliton laser oscillator with 6 nJ pulse energy based on evanescent field interaction with monoloayer graphene saturable absorber[J]. Optics Express, 2016, 24(13):14152-14158.

不同教师或同一教师对教学目标的设定不同,自然对教学内容的设计也不尽相同。例如,教材的文章基本都是单篇选文,但基于教学目标,为实现有效的教学,课堂设计可以安排单篇教学,也可以彼此连类,进行专题性质的教学,从而形成同课异构。

[10] Wang X, Jin X, Zhou P, et al. All-fiber high-average power nanosecond-pulsed master-oscillator power amplifier at 2 μm with mJ-level pulse energy[J]. Applied Optics, 2016, 55(8):1941-1945.

[11] Smith A V, Smith J J. Mode instability thresholds for Tm-doped fiber amplifiers pumped at 790 nm[J]. Optics Express, 2016, 24(2):975-992.

[12] Stachowiak D, Kaczmarek P, Abramski K M. High-power pump combiners for Tm-doped fibre lasers[J]. Opto-Electronics Review, 2015, 23(4):259-264.

作为云南省大型进口企业,11月6日,云天化集团公司及联合商务与三井物产、TRAMMO(美商运安)、LUKOIL(鲁克石油)、ADM、CARGILL(嘉吉)等10家主流国际客户现场签约,签约金额超过10亿美元,成为云南省交易团进口签约的最大买家。

张宁
《北京联合大学学报》2018年第2期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号