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1、激光加工技术激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器光纤通信系统中的激光器和光放大器 1激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.1 7.1 激光加工的一般原理激光加工的一般原理1.1.激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。激光加工大都基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；因此激光光束特性、材料对光的吸收作用以及导热性等有重大影响；1 1）光束特性）光束特性例：一个例：一个COCO2 2激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸激光器，设聚焦前透镜面上光斑尺寸 ，有效截，有效截面输出功率
2、为面输出功率为200W200W，透镜焦距，透镜焦距f f10mm10mm，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均，求透镜后焦点处光斑有效截面内的平均功率密度？功率密度？2 2）材料的反射、吸收和导热性）材料的反射、吸收和导热性光波照射在不透明的物体表面时，光波照射在不透明的物体表面时， 一部分被反射，一部分被吸收；不一部分被反射，一部分被吸收；不同材料的反射率和波长有密切的关系；同材料的反射率和波长有密切的关系；设入射到材料表面的光强为设入射到材料表面的光强为I I0 0，材料吸收系数为，材料吸收系数为，则进入到材料内，则进入到材料内部距表面距离为部距表面距离为x x处的光强为处的光强为2激光加工
3、技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.1 7.1 激光加工的一般原理激光加工的一般原理2 2）材料的反射、吸收和导热性）材料的反射、吸收和导热性2.2.激光加工举例激光加工举例1 1）激光焊接）激光焊接2 2）激光打孔）激光打孔3 3）激光切割）激光切割激光正入射，在光点中央的温度上升值激光正入射，在光点中央的温度上升值T T与被吸收的光功率、导热系与被吸收的光功率、导热系数之间的关系数之间的关系3激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。 其优点：其优点：7.2 7
4、.2 激光焊接激光焊接1 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。材料实施焊接。 2 2）在激光焊接过程中无机械接触）在激光焊接过程中无机械接触, ,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形易保证焊接部位不因热压缩而发生变形 3 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。 二、图二、图7-197-19所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。 图图7-1
5、97-19阴极芯的激光焊接设备原理图阴极芯的激光焊接设备原理图 1:1:光束分束器；光束分束器；2:2:聚焦透镜；聚焦透镜；3 3：阴极芯：阴极芯4激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.2 7.2 激光焊接激光焊接三、激光热导焊三、激光热导焊 1 1）激光热导焊的原理）激光热导焊的原理2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数）激光热导焊的工艺以及部分参数热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶热量通过热传导向内部扩散
6、，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。 激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图7 72020图图7-20 7-20 激光热导焊焊接不锈钢时功率与激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系焊接速度、熔化深度的关系5激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课
7、件7.2 7.2 激光焊接激光焊接三、激光热导焊三、激光热导焊 2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数）激光热导焊的工艺以及部分参数脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。 离焦量对焊接质量的影响：离焦量对焊接质量的影响：因为
8、焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。 正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方 脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响6激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.2 7.2 激光焊接激光焊接四、激光深熔焊四、激光深熔焊 1 1）激光深熔焊的原理）激光深熔焊的原理2 2）激光深熔焊工艺参数
9、）激光深熔焊工艺参数3 3）激光焊接过程中的几种效应）激光焊接过程中的几种效应五、激光焊的优点五、激光焊的优点 当激光功率密度达到当激光功率密度达到10106 610107 7W Wcmcm2 2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图7-217-21），孔内金属蒸汽压力与四周液），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。 临界功率密度：临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于
10、某深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度功率密度 图图7-21 7-21 深熔焊深熔焊小小孔示意图孔示意图 激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。 7激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.3 7.3 激光打孔激光打孔一、激光打孔原理一、激光打孔原理 激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、
11、数控装置和操作面盘（图（图7-137-13）。）。 二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 脉冲宽度对打孔的影响脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。表面粗糙度变大，尺寸精度下降。图图7-13 7-13 激光打孔机的基本结构示意图激光打孔机的基本结构示意图8激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.3 7.3 激光打孔激光打孔二、
12、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图降低，以至打成盲孔（图7-157-15）。）。 图图7-15 7-15 离焦量对打孔质量的影响离焦量对打孔质量的影响9激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.3 7.3 激
13、光打孔激光打孔二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 被加工材料对打孔的影响被加工材料对打孔的影响 脉冲激光的重复频率对打孔的影响脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调用调Q Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的
14、吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。 10激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.4 7.4 激光切割激光切割一、激光切割的原理与特点一、激光切割的原理与特点 1 1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm0.1mm）使焦点处达）使焦点处达到很高功率密度（可超过到很高功率密度（可超过10106 6W/cmW/cm2 2）。）。如图如图7-177-17所示为激光切割头的结构，除了所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴透镜以外它还
15、有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。 2 2、激光切割的特点：、激光切割的特点： 图图7-17 7-17 激光切割头的结构示意图激光切割头的结构示意图11激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.4 7.4 激光切割激光切割二、激光切割分类及其机理二、激光切割分类及其机理 激光功率激光功率: : 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律 汽化切割汽化切割: :工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料
16、化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为10108 8/cm/cm2 2左右，是无熔化材料的切割方式左右，是无熔化材料的切割方式 熔化切割熔化切割: : 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为10107 7/cm/cm2 2左右左右 氧助熔化切割氧助熔化切割: : 金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生
17、剧烈的氧化反应金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。压力将氧化物从切缝中吹掉。 切割速度切割速度: : 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。表面粗糙度也有较大影响。 12激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件7.4 7.4 激光切割激光切割 喷嘴：喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的喷嘴是影响激光切割质量和效
18、率的个重要部件。激光切割一般采用个重要部件。激光切割一般采用同轴同轴( (气流与光轴同心气流与光轴同心) )喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。离必须保持不变。 三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律四、工业材料的激光切割：四、工业材料的激光切割：金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割金属材料的激光切割和非金属材料的激光切割 气体的压力：气体的压力：在功
19、率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。 光束在质量、透镜焦距和离焦量：光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须小光斑，但焦深很小。离焦
20、量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。 13激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件1.光纤通信对半导体激光器光源的要求光纤通信对半导体激光器光源的要求 9.1.1 9.1.1 半导体激光器半导体激光器半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它半导体激光器是激光器中的一个大家族。它与固体激光器、气体激光器以及其它类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可以直接调制、使类型的激光器相比，具有体积小、重量轻、电光转
21、换效率高、可以直接调制、使用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图用方便等优点，因此它非常适用于光纤通信之中。图9-19-1给出了光发射端机的工给出了光发射端机的工作原理。作原理。 2. 作为通信光源的半导体激光器作为通信光源的半导体激光器 半半导导体体激激光光器器是是光光纤纤通通信信用用的的主主要要光光源源，由由于于光光纤纤通通信信系系统统具具有有不不同同的的应应用用层层次次和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。和结构，因而需要不同类型的半导体激光器。 图图9-1 光发射端机组成方框图光发射端机组成方框图 14激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.1 9.1.1 半
22、导体激光器半导体激光器2. 作为通信光源的半导体激光器作为通信光源的半导体激光器 (1) (1) 法布里珀罗激光器法布里珀罗激光器 法法布布里里珀珀罗罗激激光光器器（FP-LD）是是最最常常见见、最最普普通通的的半半导导体体激激光光器器，它它的的谐谐振振腔腔由由半半导导体体材材料料的的两两个个解解理理面面构构成成。目目前前光光纤纤通通信信上上采采用用的的FP-LD的的制制作作技技术术已已经经相相当当成成熟熟。FP-LD的的结结构构和和制制作作工工艺艺最最简简单单，成成本本最最低低，适适用用于于调调制制速速度度小小于于622Mbit/s的光纤通信系统。的光纤通信系统。(2)(2)分布反馈半导体激
23、光器分布反馈半导体激光器 #实实现现动动态态单单纵纵模模工工作作的的最最有有效效的的方方法法之之一一就就是是在在半半导导体体内内部部建建立立一一个个布布拉拉格格光光栅栅，依依靠靠光光栅栅的的选选频频原原理理来来实实现现纵纵模模选选择择。分分布布反反馈馈布布拉拉格格半半导导体体激激光光器器（DFB-LD）的的特特点点在在于于光光栅栅分分布布在在整整个个谐谐振振腔腔中中，光光波波在在反反馈馈的的同同时时获获得得增增益益，因此其单色性优于一般的因此其单色性优于一般的FP-LD。 图图9-2 DFB-LD结构示意图结构示意图 #在在DFB-LDDFB-LD制制作作技技术术的的发发展展过过程程中中，人人
24、们们发发现现直直接接在在有有源源层层刻刻蚀蚀光光栅栅会会引引入入污污染染和损伤，于是又提出了图和损伤，于是又提出了图9-29-2所示的所示的DFB-LDDFB-LD结构结构15激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.1 9.1.1 半导体激光器半导体激光器2. 作为通信光源的半导体激光器作为通信光源的半导体激光器 (3)(3)分布布拉格反射半导体激光器分布布拉格反射半导体激光器 考考虑虑到到布布拉拉格格光光栅栅反反射射性性好好的的特特点点，将将光光栅栅置置于于激激光光器器谐谐振振腔腔的的两两侧侧或或一一侧侧，增增益益区区没没有有光光栅栅，光光栅栅只只相相当当于于一一个个反反射射
25、率率随随波波长长变变化化的的反反射射镜镜，这这样样就就构构成成了了DBR-LDDBR-LD。其其中中，三三电电极极DBR-LDDBR-LD是是最最典典型型的的基基于于DBR-LDDBR-LD的的单单模模波波长长可可调调谐谐半半导导体体激激光器，其原理性结构如图光器，其原理性结构如图9-39-3。 图图9-3 三电极三电极DBR-LDDBR-LD结构示意图结构示意图 16激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.1 9.1.1 半导体激光器半导体激光器2. 作为通信光源的半导体激光器作为通信光源的半导体激光器 (4)(4)垂直腔面发射激光器垂直腔面发射激光器 光光数数据据传输和和交
26、交换的的多多通通道道往往往往需需要要能能够二二维集集成成的的器器件件，而而垂垂直直腔腔面面发射射激激光光器器（VCSELVCSEL）是是一一个个很很好好的的选择。它它与与边发射射激激光光器器最最大大的的不不同同点点是是：出出射射光光垂垂直直于于器器件件的的外外延延表表面面，即即平平行行于于外外延延生生长的的方方向向。图9-49-4为其其典典型型结构构图，其其上上下下分分别为分分布布布布拉拉格格反反射射（DBRDBR）介介质反反射射镜，中中间（InGaAsNInGaAsN）为量量子子阱阱有有源源区区，氧氧化化层有有助助于于形形成成良良好好的的电流流及及光光场限限制制结构构，电流流由由P P、N
27、N电极极注注入入，光光由由箭箭头方向方向发出。出。 图图9-4 VCSEL的典型结构示意图的典型结构示意图 17激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器1. 光纤激光器的基本原理及其特点光纤激光器的基本原理及其特点 (1)(1)基本原理基本原理 光光纤激激光光器器和和其其他他激激光光器器一一样，由由能能产生生光光子子的的增增益益介介质、使使光光子子得得到到反反馈并并在在增益介增益介质中中进行行谐振放大的光学振放大的光学谐振腔和激励光子振腔和激励光子跃迁的迁的泵浦源三部分浦源三部分组成。成。 图图9-5 光纤激光器原理示意图光纤激光器原理示意图
28、 以以纵向向泵浦的光浦的光纤激光器激光器（如如图9-59-5）为例说明光纤激光器的基本原理）为例说明光纤激光器的基本原理 (2)(2)特点特点 耦耦合合效效率率高高基基于于激激光光介介质质本本身身就就是是导导波波介介质质；光光纤纤纤纤芯芯很很细细，纤纤内内易易形形成成高高功功率率密密度度，可可方方便便地地与与光光纤纤传传输输系系统统高高效效连连接接。由由于于光光纤纤具具有有很很高高的的“表表面面积积/ /体体积积”比比，散散热热效效果果好好，因因此此光光纤纤激激光光器器具具有有很很高高的的转转换换效效率率，很很低低的的激激光光阈阈值值，能能在在不不加加强强制制冷冷却却的的情情况况下下连连续续工
29、工作作。又又由由于于光光纤纤具具有有极极好好的的柔柔绕绕性性，激激光光器器可可以以设设计计得得相相当当小小巧巧灵灵活活，利利于于光光纤纤通通信信系系统统的的应应用用，同同时时可可借借助助光光纤纤方方向向耦耦合合器器构构成成各各种种柔柔性性谐谐振振腔腔，使使激激光光器器的的结结构构更更加加紧紧凑凑、稳稳定定。光光纤纤还还具具有有相相当当多多的的可可调调谐谐参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的色散性和稳定性。18激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器2.光纤激光器的分类及应
30、用光纤激光器的分类及应用 (1)(1)稀土类掺杂光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器 光光纤激激光光器器种种类很很多多，如如按按光光纤结构构可可分分为：单包包层光光纤激激光光器器和和双双包包层光光纤激激光光器；按器；按掺杂元素可分元素可分为：掺铒、钕、镨、铥、镱、钬等等1515种；种； 图图9-6 受激拉曼散射光纤激光器示意图受激拉曼散射光纤激光器示意图 稀稀土土元元素素包包括括1515种种元元素素，在在元元素素周周期期表表中中位位于于第第五五行行。目目前前在在比比较成成熟熟的的有有源源光光纤中中掺入的稀土离子有：入的稀土离子有：铒（ErEr3+3+）、）、钕(Nd(Nd3+3+) )、镨(Pr(P
31、r3+3+) )、铥(Tm(Tm3+3+) )、镱(Yd(Yd3+3+) )。 (2)(2)光纤受激拉曼散射激光器光纤受激拉曼散射激光器 这类激激光光器器与与掺杂光光纤激激光光器器相相比比具具有有更更高高的的饱和和功功率率，且且没没有有泵浦浦源源限限制制，在在光光纤传感感、波波分分复复用用（WDMWDM）及及相相干干光光通通信信系系统中中有有着着重重要要应用用。一一种种简单的的全全光光纤受受激激拉拉曼曼散散射射激激光光器器见图9-69-6所所示示，这是是一一种种单向向环形形行行波波腔腔，耦耦合合器器的的光光强强耦耦合系数合系数为K K。一般典型的受激拉曼分子主要有。一般典型的受激拉曼分子主要有
32、GeOGeO2 2、SiOSiO2 2、P P2 2O O5 5。 19激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.2 9.1.2 光纤激光器光纤激光器2.光纤激光器的分类及应用光纤激光器的分类及应用 (3)(3)光纤光栅激光器光纤光栅激光器 图图9-7 DBRDBR光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 DBRDBR光光纤激激光光器器基基本本结构构如如图9-79-7所所示示，利利用用一一段段稀稀土土掺杂光光纤和和一一对相相同同谐振振波波长的光的光纤光光栅构成构成谐振腔，它能振腔，它能实现单纵模工作。模工作。 DFBDFB光光纤光光栅激激光光器器基基本本结构构如如
33、图9-89-8所所示示，在在稀稀土土掺杂光光纤上上直直接接写写入入的的光光栅构构成成谐振腔，其有源区和反振腔，其有源区和反馈区同区同为一体。一体。 图图9-8 DFB光纤光栅激光器基本结构示意图光纤光栅激光器基本结构示意图 20激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器1.光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有光放大器是放大光信号的器件，它在光纤通信领域中的主要功能有图图9-9 光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意图光放大器在干线光纤通信系统中的应用示意图 2.图9-99-9为光放大器在干光放大器在干线光光纤系系统中的中的应用
34、示意用示意图。图中（中（a a）为无中无中继系系统，图（b b）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器）中采用光放大器作功率放大器和接收机前置放大器图（c c）为线内多中内多中继系系统。图（d d）中用光放大器作）中用光放大器作为在在线中中继放大器或放大器或1R1R（仅有整形功能）中有整形功能）中继器器（1）光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。光功率提升放大。将光放大器置于光发射机前端，以提高入纤的光功率。（2）在线中继放大。在光纤通信系统中取代现有的中继器。在线中继放大。在光纤通信系统中取代现有的中继器。 （3）前置放大。在接收端的光电检测器之前先将微弱的光
35、信号进行预放，以提前置放大。在接收端的光电检测器之前先将微弱的光信号进行预放，以提高接收的灵敏度。高接收的灵敏度。21激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器3.光纤通信中主要的光放大器有以下几类：光纤通信中主要的光放大器有以下几类：（1）、半导体激光放大器（、半导体激光放大器（SLA）；）；（2）、掺稀土光纤放大器，如掺铒光纤放大器、掺稀土光纤放大器，如掺铒光纤放大器(EDFA)等；等；（3）、非线性光纤放大器，如光纤喇曼放大器等、非线性光纤放大器，如光纤喇曼放大器等 图图9-10 TWSLA 的基本结构示意图的基本结构示意图（1 1）半导体光
36、放大器半导体光放大器 图图9-10为行波型光放大器的基本结构示意图，为行波型光放大器的基本结构示意图，行波光放大器的带宽比法布里行波光放大器的带宽比法布里珀罗型放大器大三个数量级，其珀罗型放大器大三个数量级，其3dB带宽可达带宽可达10THz，因此可放大多种频率的光，因此可放大多种频率的光信号，所以是很有前途的一种光放大器。信号，所以是很有前途的一种光放大器。 行波半导体光放大器其性能行波半导体光放大器其性能: :增益带宽、小信号增益、光信号增益对其偏振的灵增益带宽、小信号增益、光信号增益对其偏振的灵敏度、饱和输出功率、放大器的噪声性能敏度、饱和输出功率、放大器的噪声性能22激光加工技术光纤通
37、信系统中的激光器和光放大器课件9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器图图9-11 掺杂光纤放大器的结构示意图掺杂光纤放大器的结构示意图 （2 2） 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 掺杂（如掺杂（如Er3）光纤放大器的结构如图）光纤放大器的结构如图9-119-11所示。它由三部分组成：一是长度为所示。它由三部分组成：一是长度为几米到几十米的掺杂光纤；二是激光泵浦源；三是耦合器几米到几十米的掺杂光纤；二是激光泵浦源；三是耦合器 一一个个EDFAEDFA的的完完整整结结构构应应包包括括如如下下几几部部分分：铒铒石石英英光光纤纤作作为为有有源源介介质质；高高功功率率泵泵浦浦光光源源； 光光纤纤耦耦合合
38、器器，用用于于信信号号光光与与泵泵浦浦光光的的合合路路；偏偏振振不不灵灵敏敏光光隔隔离离器器，用用于于消除反射抑制振荡；消除反射抑制振荡；窄窄带光光滤波器，用以降低自波器，用以降低自发辐射噪声。射噪声。 23激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器图图9-12 EDFA的结构示意图的结构示意图 （2 2） 掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器 铒光纤及泵浦源是铒光纤及泵浦源是EDFAEDFA的关键和研究重点。根据泵浦光和信号光传播方向的相对的关键和研究重点。根据泵浦光和信号光传播方向的相对关系，关系，EDFAEDFA的结构又可分为同向泵浦、反向泵浦和双向
39、泵浦。它们的具体结构图的结构又可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。它们的具体结构图分别如图分别如图9-129-12（a a）（）（b b）（）（c c）所示。）所示。 24激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件9.1.3 9.1.3 光放大器光放大器图图9-13 光纤拉曼放大器示意图光纤拉曼放大器示意图 （3 3） 非线性光纤放大器非线性光纤放大器 普通石英光普通石英光纤在合适波在合适波长的的强强泵浦光作用下会浦光作用下会产生生强强烈的非烈的非线性效性效应，如受激喇，如受激喇曼散射（曼散射（SRSSRS）和受激布里渊散射（）和受激布里渊散射（SBSSBS），当信号光沿着光），当信号光沿着光纤与与泵浦光一起浦光一起传输时就能把信号光放大（就能把信号光放大（图9-139-13），从而构成光），从而构成光纤喇曼放大器（喇曼放大器（FRAFRA）和布里渊放）和布里渊放大器（大器（FBAFBA），它），它们都是分布式光都是分布式光纤放大器。放大器。 25激光加工技术光纤通信系统中的激光器和光放大器课件
