影響光纖激光器呢光束性能的研究

西安郵電學(xué)院科研訓(xùn)練論文畢設(shè)題目：影響光纖激光器光束性能因素的研究院系：電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系專業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)班級(jí)：姓名：指導(dǎo)教師：

影響光纖激光器光束性能因素的研究摘要：由于光纖激光器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、無需外部水冷等優(yōu)點(diǎn)而得到人們地廣泛應(yīng)用，是目前發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最好的一類激光器。因而光纖激光器輸出功率和光束質(zhì)量對(duì)于人們來說很是重要,但是光纖激光器內(nèi)部器件中光纖與光纖的耦合，光纖彎曲導(dǎo)致的損耗，光纖中的模式傳輸特性等，都影響著輸出光束的質(zhì)量,所以研究影響光纖激光器的性能因素，在激光技術(shù)中具有重要意義。本文主要介紹了各個(gè)影響光纖激光器光束性能的因素。關(guān)鍵詞：光纖激光器；光束性能；光纖耦合；光纖傳輸損耗；光纖模式傳輸特性ResearchoftheImpactonOpticalFiberLaserBeamPerformanceWritor：PanFeng（0702class，opticalinformationscienceandtechnology，Electronicengineering,Xi’anUniversityPosts&Telecommunications）Directteacher（hai-yanzhu，Electronicengineering）Abstract：Becausethelaserhasasmallsize,lightweight,compactstructureandnoexternalcoldwater,Thefibreiswidelyusedinvariousfliedsandisthebesttypeoflaserandthefastestgrowingmarketsforthefuture.Sotheresearchofthelasers’outputpowerandbeamqualityisveryimportanttopeople.Butaninternalcomponentoffibreandwastageoffibercouplingandfibreinthetransmissionpropertiesareaffectingthequalityofthebeamanditissignificanceinlasertechnologytostudytheimpactoflaserbeamperformance.Thisarticlemainlyintroduceimpactonopticalfiberlaserbeamperformance.Keywords：Fibrelaser，Beamperformance，fibercoupling，F(xiàn)ibretransportcost，F(xiàn)ibrepropertiesoftransportmode0引言光纖激光器誕生于20世紀(jì)60年代初，它是伴隨著光纖通信技術(shù)，光纖制造工藝以及與激光器生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟而孫萌發(fā)展起來的新型器件。由于其在高速率，密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)，高精度傳感技術(shù)和大功率激光加工等方面呈現(xiàn)出潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，所以備受世界各國(guó)科研工作者的青睞，現(xiàn)已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的熱門研究對(duì)象。光纖激光器與其他類型激光器相比較，其優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：⑴泵浦功率低，增益高，輸出光束質(zhì)量好；⑵與其他光纖器件兼容，可實(shí)現(xiàn)全光纖傳輸系統(tǒng)；⑶使用光纖作為基體，其結(jié)構(gòu)具有比較高的比表面積，因而散熱好；⑷體積小，攜帶方便；⑸光纖激光器可以作為光孤子源，實(shí)現(xiàn)光孤子通信。因而，光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，如光纖通信，工業(yè)加工，軍事國(guó)防，醫(yī)療器械，大型基礎(chǔ)建設(shè)等。隨著對(duì)光纖激光器研究的不斷深入，其應(yīng)用的范圍不斷地?cái)U(kuò)展，實(shí)用化的步伐不斷加快。所以，研究影響光纖激光器的性能因素，在激光技術(shù)中具有重要意義。在光纖激光器中，內(nèi)部器件中光纖與光纖的耦合，光纖彎曲導(dǎo)致的損耗，光纖中的模式傳輸特性等，都影響著輸出光束的質(zhì)量。1影響光纖激光器光束性能的各個(gè)因素1.1光纖耦合對(duì)光束性能的影響光纖激光器作為波導(dǎo)激光器的一種,將不可避免地產(chǎn)生諧振腔反饋耦合損耗[1],這將影響激光輸出效率。反饋耦合損耗產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面:1)由于到達(dá)腔鏡光束的波前和腔鏡的曲率不匹配,當(dāng)光場(chǎng)被反饋到光纖端面時(shí),不能全部進(jìn)入光纖;2)一部分進(jìn)入光纖中的光場(chǎng)能量沒有耦合到光纖基模中,對(duì)基模來說就是損耗。為了使光纖激光器的反饋耦合損耗最小,選擇合適的腔鏡是非常必要的。(1)光纖激光器反饋耦合損耗雙包層光纖激光器中通常使用的腔鏡結(jié)構(gòu)可以分為兩類,第一類為平面反射鏡[2]、球面反射鏡[3],其結(jié)構(gòu)如圖1（a）。第二類為透鏡和平面反射鏡組成的復(fù)合腔鏡,其結(jié)構(gòu)如圖1(b)。在結(jié)構(gòu)1中,曲率為R的球面反射鏡被放置在離光纖端面z的位置處。在結(jié)構(gòu)2中,焦距為f的透鏡被放置在離光纖端面f處,平面反射鏡放置在透鏡后z處。以上均假設(shè)透鏡和反射鏡足夠大以致可以忽略衍射損耗。圖1腔鏡結(jié)構(gòu)根據(jù)定義,LP01模的模式反饋耦合效率c2可定義為經(jīng)過腔鏡反饋后進(jìn)入波導(dǎo)中并重新耦合為L(zhǎng)P01模的能量占總能量的比例。因此,反饋耦合損耗C01可以表示為：(1)式(1)中,c為光纖端面出射場(chǎng)E(r)和被腔鏡反射后返回到光纖中的返回場(chǎng)E′(r)的交疊積分。E′(r)可以由式(2)表示為[4]：（2）拉蓋爾高斯光束的q參量可以表示為[4]（3）設(shè)纖芯折射率為n,以下對(duì)圖1和圖2中兩種腔鏡結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反饋耦合損耗分別進(jìn)行討論：=1\*GB3①腔鏡結(jié)構(gòu)1拉蓋爾-高斯光束在光纖端面和腔鏡間往返一次的ABCD矩陣可以表示為（4）通過M可以計(jì)算返回場(chǎng)的q參量q=（Aq0+B）/(Cq0+D)(5)則返回場(chǎng)拉蓋爾高斯光束的特征參量ω，ρ，β可以表示為（6）拉蓋爾高斯光束在光纖端面和腔鏡間往返一次的相移為[5](7)式中b1和b2分別為從光纖端面出射后以及通過腔鏡變換后的瑞利長(zhǎng)度,z′為通過腔鏡變換后腰斑距離腔鏡的位置,可以求得(8)=2\*GB3②腔鏡結(jié)構(gòu)2同腔鏡結(jié)構(gòu)1，可以求得拉蓋爾-高斯光束在光纖端面和腔鏡間往返一次的ABCD矩陣為（9）通過M可以求得返回場(chǎng)的拉蓋爾-高斯光束的特征參量R,β，ω拉蓋爾高斯光束在光纖端面和腔鏡間往返一次的相移為（10）式中,b1,b2和b3分別為拉蓋爾高斯光束在光纖端面處、經(jīng)過透鏡后以及被平面鏡反射后再次通過透鏡后的瑞利長(zhǎng)度,l′為被平面反射鏡反射后再次通過透鏡后腰斑距離透鏡的位置。可以求得：（11）將ω，ρ，β代入式(2),就可以求得返回場(chǎng)E’(r)。根據(jù)式(1)，便可求得腔鏡結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2中的反饋耦合損耗。(2)數(shù)值結(jié)果和討論設(shè)V=2.405,則ω0=1.0815a。前六項(xiàng)拉蓋爾-高斯光束的展開系數(shù)AP和F(m)在表1中列出?？梢钥闯?前六項(xiàng)拉蓋爾-高斯光束包含了LP01模能量的99.99%。圖2為L(zhǎng)P01模的精確電場(chǎng)分布和拉蓋爾-高斯近似的場(chǎng)分布,拉蓋爾-高斯近似的均方差為10-3。因此,可以用前六項(xiàng)拉蓋爾-高斯光束來近似LP01模。由此,可以利用拉蓋爾高斯光束在空間中的傳輸來分析光纖激光器中的反饋耦合損耗。表1V=2.405時(shí),拉蓋爾-高斯光束展開系數(shù)和F(p) 圖2LP01模纖芯電場(chǎng)的拉蓋-高斯模擬對(duì)于腔鏡結(jié)構(gòu)1,可以分為三種情況:=1\*GB3①在z處,R=R’=z+b2/z即球面反射鏡的曲率半徑R和到達(dá)腔鏡的光束波前的曲率半徑R’相匹配。如圖3,當(dāng)z/b趨向于0時(shí),由式(7)可得φ趨于0,即返回場(chǎng)和光纖端面出射場(chǎng)的相位差為0。所以C01趨于0,即匹配反射鏡緊靠光纖端面時(shí),它引入的耦合損耗很低。當(dāng)z/b趨于無窮時(shí)，由式(7)可得φp=(2p+1)，所有的拉蓋爾高斯光束將同相返回,它們?cè)俣券B加的時(shí)候還原為L(zhǎng)P01,這種情況下引入的耦合損耗也很低。=2\*GB3②腔鏡為平面反射鏡，即R/b=∞從圖3可以看出,C01隨平面反射鏡離光纖端面的距離增大而急劇上升。即使平面反射鏡離開光纖端面毫米量級(jí)的距離,損耗也非常大。所以在實(shí)際的光纖激光器中,如果使用平面反射鏡為腔鏡,則必須將其緊貼光纖端面。當(dāng)z=0時(shí),平面反射鏡是匹配腔的一種特例,此時(shí)C01=0值。而此時(shí)光纖激光器常用的4%菲涅爾反射的光纖端面可以看作是平面反射鏡緊貼光纖端面的一種特例。=3\*GB3③在z處,R≠R′,高斯光束被腔鏡反射后不能夠自再現(xiàn)變換,耦合損耗將增大,并且R和R′偏離越大,耦合損耗越大。從圖3可以看出,對(duì)于R=2b,4b,8b球面鏡,它們的反饋耦合損耗曲線有和圖中虛線(對(duì)應(yīng)匹配腔)都有兩個(gè)交點(diǎn),這是因?yàn)樵谶@些交點(diǎn)處,剛好實(shí)現(xiàn)匹配耦合。圖3腔鏡結(jié)構(gòu)1的反饋耦合損耗圖4是腔鏡結(jié)構(gòu)2的反饋耦合損耗曲線。如圖4對(duì)于焦距f=5b,10b，15b和20b透鏡,反饋耦合損耗都是隨著平面反射鏡離透鏡的距離增加先減小再增大。當(dāng)平面反射鏡放置在透鏡的焦平面位置處,對(duì)于不同焦距的透鏡,反饋耦合損耗相同并且都達(dá)到最小,此時(shí)C01=0.25%。這是因?yàn)閺墓饫w端面出射的高斯光束經(jīng)過透鏡后,束腰剛好在焦平面處,當(dāng)平面反射鏡放置在焦平面處,高斯光束被平面反射鏡反射后返回到光纖端面處能夠?qū)崿F(xiàn)自再現(xiàn)變換。從圖4還可以看出,當(dāng)透鏡焦距較大的時(shí)候,反饋耦合損耗隨平面反射鏡放置的位置變化就越不明顯。圖4腔鏡結(jié)構(gòu)2的反饋耦合損耗通過上面兩種腔鏡結(jié)構(gòu)的反饋耦合損耗的分析可知,可以通過選擇腔鏡的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化光纖激光器的反饋耦合效率。在第一種腔鏡結(jié)構(gòu)中,當(dāng)平面鏡反射鏡緊貼光纖端面時(shí),C01=0。在第二種腔鏡結(jié)構(gòu)中,當(dāng)平面反射鏡放置在透鏡焦平面時(shí),C01=0.25%。雖然在第一種腔鏡結(jié)構(gòu)中,當(dāng)R=R′時(shí),反饋耦合損耗也很小,但是在這種情況下,反饋耦合損耗對(duì)腔鏡位置敏感,不易調(diào)節(jié)。所以,在光纖激光器中,通常選擇平面反射鏡緊貼光纖端面或者透鏡加平面反射鏡這兩種腔鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,對(duì)于腔鏡為球面鏡的情況,當(dāng)球面鏡和到達(dá)球面鏡的光束的曲率半徑匹配時(shí)獲得最小的耦合損耗,特別是當(dāng)平面鏡緊貼光纖端面時(shí),耦合損耗為0.當(dāng)球面鏡到達(dá)球面鏡的光束的曲率半徑不匹配時(shí),耦合損耗急劇增大對(duì)于腔鏡為透鏡加平面反射鏡的情況,0.25%的最小反饋耦合損耗在平面鏡放置在透鏡焦平面時(shí)獲得,同時(shí)反饋耦合損耗的變化隨著透鏡焦距的增大而趨于平緩。1.2.光纖中的模式傳輸對(duì)光束性能的影響由于光纖端面的激光損傷和光纖中的非線性效應(yīng),單根雙包層光纖要實(shí)現(xiàn)幾百瓦甚至近千瓦級(jí)的功率輸出,就要突破單模光纖的限制,而采用纖芯較粗的多模雙包層光纖。由于光纖本身不是單模的,因此在纖芯中的參與激光振蕩模式很多,導(dǎo)致光纖激光不是單模激光,而是多模輸出,光束質(zhì)量較差。(1)模式控制原理1999年英國(guó)Southampton大學(xué)的J.A.Alvarez-Chavez等人將粗芯的雙包層光纖進(jìn)行拉錐,由于纖芯橫截面相應(yīng)變小,使得在拉錐區(qū)域的纖芯接近滿足單模條件,從而使得高階模的損耗增大,而基橫模LP01的損耗最小,得到高光束質(zhì)量的激光輸出。2000年美國(guó)Livermore實(shí)驗(yàn)室的D.A.V.Kliner小組提出了一種基于光纖宏彎損耗的模式選擇技術(shù),實(shí)現(xiàn)了多模雙包層光纖的單模激光振蕩或放大輸出。宏彎損耗是由于光纖軸線的彎曲產(chǎn)生的,理論上的分析是以彎曲光纖相應(yīng)求解亥姆霍茲方程為基礎(chǔ)的,對(duì)厚片波導(dǎo)的方程解說明當(dāng)彎曲半徑超過某個(gè)臨界值后,電磁場(chǎng)為振蕩的;當(dāng)彎曲半徑小于臨界值時(shí),電磁場(chǎng)就發(fā)生指數(shù)級(jí)的衰減。特別是宏彎損耗與光纖中的模式有關(guān),當(dāng)光纖彎曲時(shí),高階模最先消失,因此可以將光纖彎曲為一定的半徑,使基橫模LP01基本上不受影響,但是LP11及以上的高階模卻發(fā)生較大的損耗。(2)結(jié)論通過手動(dòng)測(cè)量方式,對(duì)20m雙包層光纖的光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。其D內(nèi)包層尺寸為650/600um,數(shù)值孔徑為0.37,其芯徑尺寸為43um,數(shù)值孔徑為0.08。所用凹面鏡曲率半徑均為30mm,鍍以直徑為1mm的薄膜。光束質(zhì)量評(píng)價(jià)的參數(shù)有很多,包括聚焦光斑尺寸、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,和斯特列爾比等,M2因子同時(shí)考慮了束寬和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的變化對(duì)激光光束質(zhì)量的影響,是評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量的有效方法。M2因子的定義式為(12)其中W0x和W0y為光束在x,y方向的束腰寬度,θx和θy為光束在x和y方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。光束在自由空間中滿足光束傳輸方程為:(13)其中L0為相對(duì)某一參考面束腰ω0的位置。在導(dǎo)軌上放置CCD,測(cè)量輸出光束聚焦后在焦點(diǎn)附近測(cè)量焦斑直徑。記錄下CCD位于導(dǎo)軌上的刻度z，和此時(shí)測(cè)得的焦斑直徑ωz。沿導(dǎo)軌移動(dòng)CCD,進(jìn)行多次測(cè)量,然后用oringin按(2)式定義一個(gè)非線性擬合函數(shù),在導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)測(cè)所數(shù)據(jù)x,y后,就可以用這個(gè)函數(shù)進(jìn)行非線性擬合。圖5為鍍膜直徑1mm時(shí)Origin給出的擬合結(jié)果,M2為1.3。圖5M2測(cè)量曲線由此可見,外腔限模方法可以有效改善粗芯光纖的輸出光模式,操作簡(jiǎn)單,不損傷光纖.但光路調(diào)整較為繁瑣,而且斜率效率并不高,這種外腔結(jié)構(gòu)還有待于進(jìn)一步完善,可以通過把凹面外腔鏡換成非球面鏡來提高效率.1.3光纖損耗對(duì)光束性能的影響近年來，光纖通信在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)光纖通信，一個(gè)重要的問題是降低光纖的損耗。所謂損耗是指光纖每單位長(zhǎng)度上的衰減，單位為dB／km。光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距離的遠(yuǎn)近，因此，了解并降低光纖的損耗對(duì)光纖通信有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。(1)光纖的吸收損耗這是由于光纖材料和雜質(zhì)對(duì)光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗于光纖中，是光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括物質(zhì)本征吸收損耗,摻雜劑和雜質(zhì)離子引起的吸收損耗和原子缺陷吸收損耗幾種.(2)光纖的散射損耗光纖內(nèi)部的散射，會(huì)減小傳輸?shù)墓β剩a(chǎn)生損耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纖材料內(nèi)部的密度和成份變化而引起的。光纖材料在加熱過程中，由于熱騷動(dòng)，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進(jìn)而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來，它的尺寸比光波波長(zhǎng)要小。光在傳輸時(shí)遇到這些比光波波長(zhǎng)小，帶有隨機(jī)起伏的不均勻物質(zhì)時(shí)，改變了傳輸方向，產(chǎn)生散射，引起損耗。另外，光纖中含有的氧化物濃度不均勻以及摻雜不均勻也會(huì)引起散射，產(chǎn)生損耗。(3)波導(dǎo)散射損耗這是由于交界面隨機(jī)的畸變或粗糙所產(chǎn)生的散射，實(shí)際上它是由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合。一種模式由于交界面的起伏，會(huì)產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。由于在光纖中傳輸?shù)母鞣N模式衰減不同，在長(zhǎng)距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續(xù)的變換和反變換后，雖然各模式的損失會(huì)平衡起來，但模式總體產(chǎn)生額外的損耗，即由于模式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了附加損耗，這種附加的損耗就是波導(dǎo)散射損耗。要降低這種損耗，就要提高光纖制造工藝。對(duì)于拉得好或質(zhì)量高的光纖，基本上可以忽略這種損耗。(4)光纖彎曲產(chǎn)生的輻射損耗光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導(dǎo)光，但會(huì)使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，