2 掺铒光纤激光器的设计
一、实验目的
1、完成环形腔掺铒光纤激光器谐振腔的设计，通过选择环形腔中耦合器的不同耦合比，优化设计激光器的阈值特性和输出效率。

2、通过使用不同滤波特性的滤波器，完成环形腔掺铒光纤激光器输出纵模特性的设计和选择。

3、完成光纤激光器的构建，并进行相关性能参数的测试。

二、实验原理
1.掺铒光纤(EDF)与掺铒光纤放大器(EDFA)
当泵浦光通过掺杂光纤中的稀土离子（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+等）时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现通常所说的粒子数反转。

反转后的高能态粒子在外界光场的诱使下，以光辐射的形式从高能级转移到基态，完成受激光辐射。

图2.1铒粒子能级图
掺铒光纤在0.5～1.6μm 波长范围内有几个吸收峰，分别对应的铒离子能级（铒离子能级图如图 2.1所示）是0.5～0.60μm （2
/1132/154
~H I ）、0.63μm
（2/942/154
~F I ）、0.8μm μm （
2
/942/154
~I I ）、0.98μm （
2
/1142/154
~I I ）和1.48μm
（
2
/1342/154
~I I ）直接吸收峰。

掺铒光纤放大器主要由波分复用器、大功率泵浦激光器、光隔离器和掺铒光
纤构成。

根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系, 掺铒光纤放大器的结构可分为正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种形式。

EDFA 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在泵浦光(波长980nm 或1480nm ) 的作用下, 形成粒子数反转, 产生受激辐射, 辐射光随入射光的变化而变化, 进而对入射光信号提供光增益。

其放大范围为1530～ 1565 nm , 增益谱比较平坦的部分是1540～ 1560nm , 几乎可以覆盖整个1550nm工作窗口。

2.掺铒光纤激光器(EDFL)
掺铒光纤激光器是在掺铒光纤放大器技术基础上发展起来的。

目前掺稀土元素光纤激光器的研究受到了世界各国的普遍重视，成为国际激光器技术研究领域一个十分活跃的前沿研究方向。

和传统的固体、气体激光器一样，掺稀土光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。

泵浦源一般采用高功率半导体激光器( LD) , 增益介质为掺稀土光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。

泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。

所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。

由于掺稀土光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，在很多方面显示出独特的优点：
(1) 较高的泵浦效率。

通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。

例如采用双包层光纤结构，使用低亮度、廉价的多模LD泵浦光源即可实现超过60%的光光转换效率。

(2) 易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。

光纤激光器表面积/体积比大，其工作物质的热负荷小，易于散热和冷却。

(3) 易实现单模、单频运转和超短脉冲(fs级)。

(4) 工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十分方便。

(5) 激光器可在很宽光谱范围内(455～3500nm)设计与运行, 应用范围广泛。

(6) 与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系统。

上述特点使得光纤激光器在很多应用领域有着广泛的用途。

特别是掺铒光纤近40nm宽的增益谱范围与光纤通信的最佳窗口（1550nm窗口）相吻合，因而掺铒光纤激光器的研究和开发在光纤通信领域得到了极大的重视。

常见的光纤激光器谐振腔类型主要有F-P 腔、光纤环形谐振腔、光纤环路反射器及谐振腔、Fox-Smith 光纤谐振腔等几种结构。

采用环形腔结构的光纤激光器（特别是单向运转的环形腔结构）可以避免空间烧孔效应和模式竞争，同时再结合波长选择装置能够使激光器以单纵模的形式运转，因此有着广泛的用途。

图2.2给出了常见的光纤激光器环形腔的参考方案。

与掺铒光纤放大器类似，掺铒光纤激光器可采用980nm和1480nm的大功率半导体激光器泵浦掺铒光纤实现增益介质的工作。

（a）光纤环形谐振腔及其等效腔
（b）光纤环路反射器型谐振腔及其等效腔
图2.2掺铒光纤激光器谐振腔参考方案
三、实验仪器和装置
本实验仪器和装置主要包括掺铒光纤放大器（图1.3虚线左边部分，含980nm 泵浦LD、980nm/1550nm波分复用器(WDM)、掺铒光纤(EDF)、光隔离器(ISO)）、耦合器（1:9，1:1）、可调光纤光栅反射滤波器(FBG)、可调FP透射滤波器(OBF)、
光功率计(PM)和光谱仪(OSA)。

（a ） （b ）
图2.3掺铒光纤激光器实验系统参考方案
四、实验内容和步骤 1. 掺铒光纤激光器的设计
(1) 比较常见光纤激光器谐振腔的特点，选择光纤激光器谐振腔的类型，参考方案如图2.2所示。

(2) 分析光纤激光器各组成部分和关键器件的作用。

(3) 完成掺铒光纤激光器的设计。

2. 掺铒光纤激光器性能参数的测试和输出特性的优化 (1) 分析不同实验方案的特点。

(2) 结合选定的实验方案，搭建实验系统，参考方案如图2.3所示。

(3) 在掺铒光纤激光器的输出端1接上光谱仪和光功率计。

(4) 调节可调光纤光栅反射滤波器，观察激光器输出光谱和功率的变化。

(5) 测量光纤激光器的性能参数：输出功率、输出光谱中心波长、边模抑制比和谱线宽度。

(6) 取下输出端2的可调光纤光栅反射滤波器，比较激光器输出光谱和功率的变化。

五、思考题
LD
1．简述环形腔作为光纤激光器谐振腔的优点。

2．简述实验方案中光隔离器的作用。

不使用光隔离器，会有激光输出吗？如果光隔离器反向放置呢？
3．实验方案中不使用光纤光栅反射滤波器，会有激光输出吗？为什么？。