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光纤激光维修基础知识之二

文章附图

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背景信息-激光基础知识:

从基本能级开始,当能量以光的形式施加到原子时,绕原子核运动的电子吸收光能并被激发。在光纤激光器的情况下,最常用作激发源的原子是an(Yb)原子。Yb原子在光纤激光器中嵌入(掺杂)到光纤纤芯中。excitation原子电子的这种激发迫使它们将其能级从其原始的平衡基态改变为一个新的更高能态。对于掺Yb的光纤激光器,能源通常是976纳米二极管激光泵浦光源。Yb原子非常有效地吸收976nm的波长,这就是为什么Yb如此普遍用作掺杂剂的原因。当去除能源时,电子将返回其基态。当他们回到自己的基本状态时,制定了能量守恒定律,被激发的电子必须释放其获得的能量。这种能量以光子的形式释放。这个新创建的光子的振动频率和波长取决于光子释放的能级。对于光纤激光器,制造商通常将其激光器设计为发射1064nm或1030nm的波长:


光纤激光器中的光子发射光纤激光器中的光子发射


在上一节中建立了如何创建光子的基础之后,下面简要描述了五种设计原理,这些原理将使读者对所有激光器的工作原理有基本的了解:

自发辐射

受激发射

持续的受激发射

人口倒置

放大

首先,快速回顾一下频率,能量和波长之间的关系:

光纤激光知识培训

能量和频率:E2-E1 = hv


E是能量,以焦耳为单位

h是普朗克常数,以焦耳秒为单位

v是频率,以1 /秒为增量进行测量

波长和频率:λ= c / v


λ是以米为单位测量的波长

c是活动激光介质中的光速,以米/秒为单位

当电子被激发到改变其能态并释放光子的程度时,就会发生自发发射。上面的段落对此进行了更详细的说明。当受激电子处于较高能量状态时,发生受激发射。能级等于其当前能级与较低能级之差的另一个光子会导致第一个电子返回其基态。这引起能量和频率相等的第二光子的释放。除了光纤激光器,这就是所有激光器的工作方式。所有被释放的光子都可以有效地同步,并在相同的波长,相位和方向上运行。持续的受激发射 表示有足够多的电子释放光子,以维持正在进行的受激发射的状态。


受激光纤激光发射

激光激发发射


除了上述原理外,重要的是要了解总体倒置和放大的原理。人口倒置指电子的总数或总数,以及它们各自能量状态的变化。默认情况下,电子处于基态。为了产生光纤激光,必须将它们从其基态倒置。为了尽可能有效地维持受激发射的状态,与高能级相比,它们需要更多的电子。电子的能级越高,粒子反转的程度越高,放大发射的机会越大。用于激发电子并在光纤激光器中产生粒子反转的能量源来自半导体激光二极管。能量转移的过程称为光泵浦。

光纤激光器中的种群反转

光纤激光器的人口反转

光纤激光器中的种群反转


当光纤激光器中同时存在种群反转和受激发射时,就会发生激光放大的最终原理。当实现种群反转时,这意味着受激发射的速率超过吸收的速率。当存在更多处于激发能态的电子并且每个入射光子释放出更多光子时,就会发生这种情况。在光纤激光器中,这是通过将电子的运动封装在由稀土掺杂光纤构成的光学腔中来实现的。掺杂的光纤也称为增益或放大介质。


光纤激光放大电路

激光放大介质


光纤激光如何工作: