集成光電子器件lpl第三章光纖激光器.pptx

1、第三章 光纖激光器3.1 光纖激光器基本概述 3.2 稀土摻雜光纖激光器 3.2.1 摻鉺光纖激光器 3.2.2 摻鐿光纖激光器 3.2.3 Er/Yb共摻光纖激光器3.3 非線性光纖激光器 3.4 雙包層光纖激光器 3.1 光纖激光器基本概述 半導體激光器的缺點：半導體激光器對溫度敏感。環(huán)境溫度的變化和注入電流的熱效應都會使激光器的閾值電流、外微分量子效率發(fā)生變化，并產生結發(fā)熱效應，導致輸出光功率發(fā)生變化。為此必須采取各種復雜的控制措施和插入各種必要的輔助設備。半導體激光器與光纖的耦合比較困難，需要很高的工藝水平，即便如此，仍有較大的耦合損耗。某些半導體激光器在一定注入電流下，輸出光會出現(xiàn)自

2、脈動現(xiàn)象，嚴重影響著激光器的高速脈沖調制性能。光纖激光器的優(yōu)點：光纖激光器具有波導式結構，可以在光纖纖芯中產生較高的功率密度，使得激光效率大幅度提高；基于SiO2光纖的生產工藝現(xiàn)在也已經非常成熟，可以制作出高精度、低損耗的光纖。光纖激光器基質是SiO2，具有極好的溫度穩(wěn)定性；而且光纖結構具有較高的面積體積比，所以其散熱效果很好。光纖激光器與常規(guī)光纖具有自然的通融性和兼容性，因此易于進行光纖集成，與通信線路耦合損耗低，使用方便可靠。 20世紀60年代初，法國的Smitzer首次提出光纖激光器的概念。 70年代初美國、蘇聯(lián)等國的研究機關開展了一般性研究工作。 1975年至1985年，由于半導體激光

3、器工藝和光纖制造工藝的成熟 和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛： 國外：英國的南安普敦大學和通信研究實驗室、西德的漢堡大學、 日本的NTT、美國的斯坦福大學和Bell實驗室，相繼開展了 光纖激光器的研究工作，成果累累； 國內：清華大學、北京大學、中國科技大學、南開大學、上海科 技大學、南京理工大學、天津大學、電子部和郵電部等單 位的研究工作也取得了很大進展。光纖激光器的發(fā)展 20世紀80年代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為光纖激 光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化。 90年代初，包層泵浦技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功 率水平提高了45個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一 個里程

4、碑。光纖激光器的分類 按激光產生機理分類 摻稀土元素的光纖激光器： 摻鉺（Er3+）、鐿（Yb3+）、釹（Nd3+）、 鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）等 非線性效應光纖激光器： 受激拉曼散射光纖激光器 受激布里淵散射光纖激光器 按諧振腔結構分類 F-P腔光纖激光器 DFB光纖激光器 DBR光纖激光器 按光纖結構分類 單包層光纖激光器 雙包層光纖激光器3.2 稀土摻雜光纖激光器 稀土元素包括15種元素。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+、 Yb3+、Pr3+、Tm3+等。摻鉺光纖激光器在1.55m波段具有很高的增益，正對應低損耗第三通信窗口。由于其潛在的應用價值，摻鉺光纖激光器發(fā)展

5、十分迅速。摻鐿光纖激光器在1.0-1.2m波長具有很高的增益，Yb3+具有相當寬的吸收帶(8001064nm)以及相當寬的激發(fā)帶(9701200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛，泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。摻銩光纖激光器的激射波長為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。TKomukai等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率59的1.47m摻Tm3+光纖激光器。其它的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.0m附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學研究上有廣闊的應用前景。摻鉺光纖激光器工作在石英光纖最低

6、損耗波長1.55m處，調諧范圍50nm，可供多路光頻復用，適于通訊應用，是目前研究最徹底、應用最廣泛的一種光纖激光器。3.2.1 摻鉺光纖激光器激光器產生激光的三個先決條件： 增益介質 激勵源 光學諧振腔1. 增益介質Er3+離子產生光放大效應的能級有三個：激發(fā)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)、基態(tài)，屬三能級系統(tǒng)；鉺離子的能級結構鉺離子（Er3+）能級結構4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài) 摻鉺光纖強泵浦光將大部分處于基態(tài)的Er3+離子泵浦到激發(fā)態(tài)上;處于激發(fā)態(tài)的Er3+離子又迅速無輻射地轉移到亞穩(wěn)態(tài)上；由于Er3+離子在亞穩(wěn)態(tài)上能級壽命較長，很

7、容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉。用1550nm波長的光信號激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)的電子，發(fā)生受激輻射，產生與輸入信號光完全相同的光子，實現(xiàn)信號光放大。產生光放大的過程：鉺離子（Er3+）能級結構4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)2. 泵浦方式泵浦光波長有：820nm、980nm和1480nm三種。因為980nm的泵浦源具有突出優(yōu)點：噪聲低、泵浦效率高、驅動電流小、增益平坦性好等。鉺離子（Er3+）能帶結構4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦無輻射躍遷1550nm基態(tài)高能態(tài)亞穩(wěn)態(tài)應用最多的是980nm泵

8、浦源。光泵浦 F-P腔、DFB和DBR3. 光學諧振腔泵光摻Er3石英光纖激光輸出剩余泵光F-P腔光纖激光器優(yōu)點：結構簡單。缺點： 調制或泵浦功率變化時，出現(xiàn)模式跳變和譜線展寬，難以實現(xiàn)動態(tài)單縱模； 對泵浦光的吸收效率和斜率效率低； 存在自脈動，導致模式跳變現(xiàn)象。改進辦法： 采用光纖光柵激光器； 采用共摻雜光纖激光器； 采用主振蕩器和功率放大器一體化和有源反饋技術； 采用共振泵浦，可有效抑制自脈動。DFB光纖光柵激光器泵浦隔離器FBG1EDFFBG2輸出 利用一段摻鉺光纖和一對光纖光柵（其Bragg波長相等）構成諧振腔。優(yōu)點：能比較準確地選波長，成本較低。缺點：需要兩個光柵實現(xiàn)反饋和波長選擇，

9、頻率穩(wěn)定性受限； 存在摻鉺光纖與光柵的熔接損耗。DBR光纖光柵激光器泵浦隔離器FBGEDF輸出直接在摻鉺光纖中寫入光柵構成諧振腔，有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體。優(yōu)點：只用一個光柵實現(xiàn)反饋和波長選擇，頻率穩(wěn)定性更好，旁瓣抑制比高； 避免了摻鉺光纖與光柵的熔接損耗。缺點：光柵寫入較困難。3.2.2 摻鐿光纖激光器激活介質在整個可見和紅外區(qū)只有一個基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2 兩個能級族組成，其它能級都在紫外區(qū)；由于沒有高能級的存在，摻鐿光纖中沒有激發(fā)態(tài)吸收和多光子弛豫，適于發(fā)展高功率激光器件；鐿離子的能帶結構圖鐿離子的能帶結構：摻鐿光纖鐿離子的能帶結構圖摻鐿光纖激光器一般被泵浦到激發(fā)態(tài)中的子能級f；

10、然后Yb3+離子快速無輻射躍遷到激發(fā)態(tài)的子能級e，在子能級e上具有較長的壽命；形成粒子數(shù)反轉。鐿離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)都有較寬的能帶，因此具有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長的抽運源，在9701200nm波段獲得激光；摻Yb3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長的抽運源， 在9701200nm波段獲得激光，并可進行寬帶調諧；同時，這種光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅、多聲子躍遷等 消激發(fā)過程，量子效率高，能夠獲得很高的能量轉化效率。由于以上優(yōu)點及其廣闊的應用前景，摻Yb3+光纖激光器受到越來越多研究者的關注。摻鐿光纖激光器的優(yōu)點： 3.2.3 Er/Yb共摻光纖激光器 摻鉺光纖

11、激光器的缺點： 對泵浦光的吸收效率和斜率效率低； 頻率不太穩(wěn)定，出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象。 提出了采用Er/Yb共摻光纖為增益介質激光器。而摻鐿光纖激光器的工作波長不在1550nm波段。2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3Er3Er/Yb共摻光纖就是在摻Er3光纖中摻入Yb3。 由于Yb3具有較大的峰值吸收，它吸收泵浦光（980nm），然后迅速轉移給Er3離子，以實現(xiàn)Er3的粒子數(shù)反轉。Er/Yb離子的能帶結構圖 使Er3在低摻雜下，對泵浦光的吸收能力可提高2個數(shù)量級， 提供更大的增益； Er/Yb共摻光纖中Er3的低摻雜抑制了激光器的自脈沖效應。這大大提高了激光器的效率和輸出功

12、率的穩(wěn)定性，可以在無需放大和反饋的條件下實現(xiàn)高功率高效率輸出。3.3 非線性效應光纖激光器 主要分為兩類： 受激拉曼散射光纖激光器 受激布里淵散射光纖激光器光纖受激拉曼散射激光器散射光的頻率下移，頻移量等于被輻射介質的振動頻率，這種類型的散射為斯托克斯散射；受激拉曼散射：強激光與介質分子相互作用，產生受激聲子，聲子 對入射光的散射。散射光的頻率上移，頻移量等于被輻射介質的振動頻率，這種類型的散射為反斯托克斯散射。大功率 泵浦隔離器FBG1EDFFBG2輸出光纖受激拉曼散射激光器的結構示意圖缺點：屬三階非線性效應，需大功率泵浦。非線性效應光纖激光器的優(yōu)點： 比稀土摻雜光纖激光器具有更高的飽和功率

13、； 沒有泵浦源的限制。所以，一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級。 3.4 雙包層光纖激光器 單包層光纖激光器（缺點）： 泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內， 光光轉換效率較低； 常規(guī)的單模光纖激光器要求泵浦光的輸出模式必須為基模， 這也限制了其輸出功率的水平。 80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了開創(chuàng)性的工作，發(fā)展了一種包層泵浦技術，大大促進了高功率光纖激光器的發(fā)展。 所謂包層泵浦技術，就是采用雙包層光纖做為激光器的增益介質，泵浦光不是直接耦合到光纖芯內，而是將泵浦光耦合到內包層，光在內包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。雙包層摻雜光纖的結構內包層

14、光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光外包層：外包層由折射率比內包層小的軟塑材料構成；保護層：最外層由硬塑材料包圍，構成光纖的保護層。光纖芯：由摻稀土元素 的SiO2構成，它作為 激光振蕩的通道，對 相關波長為單模；內包層：由橫向尺寸和數(shù) 值孔徑比纖芯大的多、 折射率比纖芯小的純 SiO2構成，它是泵浦 光通道，對泵浦光波長 是多模的；雙包層光纖內包層的作用：包繞纖芯，將激光輻射限制在光纖芯內；泵浦光的傳輸通道，把多模泵浦光轉換為單模激光輸出。 泵浦光的能量不是直接耦合到光纖芯內，而是將泵浦光耦合到內包層，光在內包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。 這種結構的光纖不要求泵浦光是單模激

15、光，而且可對光纖的全長度泵浦，因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵浦源，將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內，大大提高了泵浦效率。雙包層光纖的內包層形狀：雙包層光纖內包層的形狀內包層的形狀有： 圓形 偏心形 D形 長方形 正方向 梅花形內包層的橫截面積、形狀和數(shù)值孔徑都是限制吸收泵浦光功率的主要因素。圓形、偏心、D形、矩形內包層的雙包層光纖吸收效率的比較雙包層光纖的研究進展 俄羅斯普物所研制的內包層為方形的摻Yb雙包層光纖； 美國寶麗來公司研制的內包層為矩形的摻Yb雙包層光纖； 美國朗訊公司研制的內包層為星形的摻Yb雙包層光纖； 德國研制的內包層為D形的摻Yb和Nd雙包層光纖； 中國

16、武漢郵電科學研究院研制了摻Yb雙包層光纖； 中國天津46所和南開大學合作研制成功摻Yb雙包層光纖。雙包層光纖激光器的結構雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點：可實現(xiàn)極高功率輸出的光纖激光器； 由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時一般無需復雜的冷卻裝置； 多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運轉壽命超過l00萬小時)決定了這種激光器具有高可靠性； 轉換效率高； 結構緊湊、牢固、不需精密的光學平臺，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。雙包層光纖激光器有許多的缺點： 石英雙包層光纖的原料制備復雜、要求純度高，拉絲困難； 不能做到高摻雜（摻雜濃度小于0.2，一般是0.15），使光纖激光器所需的光纖長度較大，

17、一般為2050m。 因此，雙包層光纖激光器的價格非常貴。高功率摻鐿雙包層光纖激光器 美國朗訊公司S.Kosinki和D.Inniss在98 CLEO會議上報導，用一種內包層為星形的雙包層單模Yb3+光纖激光器得到20W的激光輸出。 加州圣何塞光譜二極管實驗室工程師V.Dominic等人在99年CLEO會議上報道在一個摻Yb3+的雙包層光纖激光器上，實現(xiàn)了連續(xù)輸出功率大于110W的單模輸出。其光光轉換效率為58.3%。實驗裝置如圖所示： 國內上海光機所用大于10瓦的915nm LD泵浦內包層為矩形的摻Yb雙包層光纖獲得1060nm、4.9瓦的激光輸出。光-光轉換效率為43.6%。 南開大學對高功

18、率光纖激光器進行了研究。 美國IPG公司的摻Yb雙包層高功率激光器的輸出功率水平超過700瓦，幾十瓦幾百瓦的雙包層光纖激光器的商品也已問世。 窄線寬、可調諧、高功率摻Yb3+雙包層光纖激光器有著廣闊的應用前景，研究工作進展很快。英國南安普敦大學采用空氣包層Yb3+雙包層光纖，在Littrow結構中得到的調諧范圍1010nm1120nm;法國的Ammar Hideur等人在全光纖環(huán)行腔摻Yb3+雙包層光纖激光器得到的調諧范圍1040nm 1100nm，輸出功率大于800mW; 德國M.Auerbach等人采用Littman-Littrow外腔結構(雙光柵結構)，在1040nm 1100nm范圍內獲得了調諧輸出，輸出功率大于2