第六章第七節(jié)光纖激光器

第三章光纖激光器

3.1光纖激光器諧振腔

3.2摻Er3＋光纖激光器

3.3摻Yb3＋光纖激光器

3.4包層泵浦光纖激光器

3.5調(diào)Q光纖激光器

3.6鎖模光纖激光器

光纖激光器的特點及其應用前景

優(yōu)點：波導式結構、效率高、閾值低、窄線寬、可調(diào)諧、結構小巧、性能價格比高、易于與光纖通信系統(tǒng)連接。

應用前景：光通信、光傳感、航天航空、生命科學、精密機械加工、廣告顯示、印刷技術等領域都有廣闊的應用前景。

光纖激光器的發(fā)展

1.20世紀60年代初，法國的Smitzer首次提出光纖激光器的概念。

2.70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。

3.1975年至1985年，由于半導體激光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。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(nèi)，清華大學、北京大學、中國科技大學、南開大學、上?？萍即髮W、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。

4.20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。

5.90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4－5個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。3.1光纖激光器諧振腔泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余泵光圖3.1F-P線形腔摻鉺光纖激光器WDMOutputcoupler1480nmLDPCcontrollerEDFFFPfilterIsolatorOutput圖3.2環(huán)形腔摻鉺激光器

摻雜硅光纖激光器以其摻雜的稀土元素不同而形成不同激射波長的各類光纖激光器，例如：Nd3＋和Yb3＋光纖激光器激射波段1.06

mEr3＋光纖激光器激射波段1.55

mTm3＋光纖激光器激射波段1.4

mHo3＋光纖激光器激射波段2.0

m3.2摻Er光纖激光器泵光摻Er3＋石英光纖激光輸出剩余泵光圖3.3

3.2.1F-P線性腔摻Er3＋光纖激光器

摻Er3＋光纖激光器的激射波段（1.55

m）正好在硅光纖的最低損耗窗口，因此對光纖通信有特別重要的意義，是目前研究最徹底、應用最廣泛的一種光纖激光器。

激光是由Er3＋能級的4I13/2至4I15/2的躍遷產(chǎn)生，屬三能級系統(tǒng)。器件效率較低，同時存在激光態(tài)吸收的問題，研究工作圍繞如何提高器件的效率展開。

Er3＋光纖光柵激光器的缺點是對泵浦光的吸收效率和斜率效率低、頻率不太穩(wěn)定（跳?，F(xiàn)象）。為解決這些問題，采用Er3＋－Yb3＋共摻的光纖作為增益介質。Yb3＋離子起著吸收泵光（980nm），然后迅速轉移給Er3＋離子，2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋圖3.4以實現(xiàn)1.5

m區(qū)的放大器，對泵光的吸收能力可提高2個數(shù)量級。其原理如圖2-2所示：

3.2.2

光纖光柵激光器一、光纖光柵利用光纖在紫外光照射下產(chǎn)生的光折變效應，在纖芯上形成周期性折射率調(diào)制分布，從而對入射光產(chǎn)生相干反射的一種光纖無源器件。由于它易于制造、插入損耗小、選頻穩(wěn)定、使用靈活、易于同光纖系統(tǒng)集成等。

光纖光柵的優(yōu)點:

穩(wěn)定準確的選頻特性易于集成，使全光纖一維光子集成成為可能

制作方法：全息法相位掩模法點－點寫入法光纖光柵的種類：均勻周期光纖布拉格光柵（PFBG）

啾光纖光柵閃耀光纖光柵相移光纖光柵長周期光纖光柵

取樣光纖光柵交叉型的相移啁啾光纖光柵相移長周期光纖光柵啁啾長周期光纖光柵

性能指標：

Bragg光纖光柵

反射率

95％～99％

帶寬

0.1～0.12nm

簡支梁調(diào)諧

調(diào)諧范圍

7nm

線性度

0.999

懸臂梁

調(diào)諧范圍

5.6nm

線性度

0.996

二、光纖光柵激光器的基本結構

1、單波長、窄線寬Er3＋光纖光柵激光器WDM1EDFWDM2LD980nmPOLPI-ISOoutputFBGIMG圖3.5性能指標：輸出功率：>1mW波長穩(wěn)定性：1.610-5功率穩(wěn)定性優(yōu)于3％偏振性能：消光比>18dB輸出線寬：<0.01nm斜率效率：>10%

2、多波長Er3＋光纖光柵激光器

光纖光柵提供反饋和波長選擇的多波長光纖光柵激光器；濾波機制的多波長光纖光柵激光器；鎖模機制的多波長光纖光柵激光器；非線性效應的多波長光纖光柵激光器。圖3.6Tapered光纖光柵的透射光譜圖3.7Tapered光纖光柵光纖激光器激光輸出光譜WDMOutputcoupler1480nmLDPCcontrollerEDFFFPfilterIsolatorOutput圖3.8

實驗結果：閾值7mW調(diào)諧范圍106nm

功率14dBm

斜率效率37.3％（1555nm處)信噪比>60dB3、寬帶可調(diào)諧Er3＋光纖激光器3.3

摻Yb3＋光纖激光器

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970～1200nm波段獲得激光，并可進行寬帶調(diào)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，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。

3.3.1

單波長、窄線寬Yb3+光纖激光器

LD978nmYb-dopedSMFFBG1FBG2

圖3.9實驗結果：閾值：15mW,

波長：1060nm,

功率：2.3mW線寬：0.2nm3.3.2單一偏振多波長Yb光纖激光器

多波長激光器可以同時為多個信道提供所需光源，在密集波分復用系統(tǒng)、光譜測量、光纖傳感等領域有著廣泛的用途。目前已有很多研究者報道了摻鉺多波長激光器的實現(xiàn)方案。

PC(twinedbyMMFG.652fiber)YDF976/1550WDM976nmLDCouplerOutput1OSA2圖3.10圖3.11實驗結果：波長個數(shù)：2～6個（1025.6～1046.6nm）

線寬：0.16nm邊模抑制比：40dB

單信道功率：3mW

3.4包層泵浦光纖激光器

單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關注，得到了長足發(fā)展。但是，由于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(nèi)，光－光轉換效率較低；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作和開發(fā)

應用大都集中在光通信和光傳感領域。

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。在特種光纖生產(chǎn)技術和半導體激光器制造工藝高速發(fā)展的基礎上，包層泵浦技術發(fā)展迅猛，激光器的能量轉換效率高達70%以上、連續(xù)輸出功率高達幾十瓦、乃至幾百瓦。同時，利用纖芯內(nèi)的超高功率密度所產(chǎn)生的諸如受激布里淵散射、受激喇曼散射和頻率上轉換等非線性效

應，大大拓寬了光纖激光器的輸出頻率范圍，并使超短脈沖技術、喇曼光纖激光器和放大器技術的發(fā)展上了一個新的臺階。預計此類大功率、寬波段、高模式質量、結構緊湊、運轉可靠、高性能價格比的雙包層光纖激光器將在光通信（特別是高速長距離和孤子通信）、遙感、航天航空、生命科學、機械精密加工等領域獲得廣泛應用。

3.4.1雙包層摻雜光纖圖3.12雙包層摻雜光纖的構形內(nèi)包層光纖芯外包層保護層激光輸出泵浦光一、雙包層摻雜光纖的結構

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(nèi)包層：內(nèi)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，它是泵光通道，對泵光波長是多模的；外包層：外包層由折射率比內(nèi)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。二、雙包層光纖內(nèi)包層的作用：

1.包繞纖芯，將激光輻射限制在光纖芯內(nèi)；

2.多模導管作為泵光的傳輸通道，把多模泵光轉換為單模激光輸出。泵光的能量不能直接耦合到光纖芯內(nèi)，而是將泵光耦合到內(nèi)包層，光在內(nèi)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光是單模激光，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源，將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi)，大大提高了泵浦效率。三、雙包層光纖的研究進展

俄羅斯普物所研制的內(nèi)包層為方形的摻Yb雙包層光纖。美國寶麗來公司研制的內(nèi)包層為矩形的摻Yb雙包層光纖。美國朗訊公司研制的內(nèi)包層為星形的摻Yb雙包層光纖。德國研制的內(nèi)包層為D形的摻Yb和Nd雙包層光纖，中國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。

圓形內(nèi)包層的摻Yb3+雙包層光纖。內(nèi)包層直徑：125μm,數(shù)值孔徑（NA)：0.38；芯徑：5.5μm，NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)：64dB/km；

矩形內(nèi)包層的摻Yb雙包層光纖。內(nèi)包層尺寸：100μm×70μm；NA：0.38；芯徑：5.5μm；NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)為73dB/km。

3.4.2

高功率摻Yb光纖激光器在雙包層光纖和高功率多模LD的制造工藝的日趨完善的基礎上，高功率光纖激光器發(fā)展極為迅速。美國寶麗來公司的M.Muendel等人在‘97CLEO會議上報道，用916nm、54.4W的激光二極管條泵浦內(nèi)包層為矩形的雙包層光纖，在1100nm波長上獲得35.5W的激光輸出。美國朗訊公司的D.Inniss等在‘97CLEO會議上，采用一個915nm波長、1cm寬的高功率半導體激光二極管條作泵源，使系統(tǒng)的輸出功率在1065nm波長處為16.4W，在1101nm波長處為20.4W。

美國朗訊公司S.Kosinki和D.Inniss在‘98CLEO會議上報導，用一種內(nèi)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：

圖3.13

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。

●

國內(nèi)上海光機所用大于10瓦的915nmLD泵浦內(nèi)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%。●南開大學對高功率光纖激光器進行了研究。激光器的結構：如圖3-14

所示。

圖3.14實驗裝置示意圖光纖：選用了內(nèi)包層形狀為D形的摻Yb3+雙包層光纖，幾何尺寸為400μm×340μm，數(shù)值孔徑0.38。摻雜濃度0.65mol%（Yb2O3）。光纖長度20米。

諧振腔：二色鏡（對976nm泵光高透、對1060nm激光高反）和光纖端面（費涅爾反射3.5%）構成駐波腔。泵浦源：采用輸出尾纖直徑為800μm、數(shù)值孔徑小于0.22、輸出波長

976nm的多模大功率LD作泵源。用精心設計光束耦合系統(tǒng)從右端

面泵入腔內(nèi)。

性能指標：閾值功率：570mW輸出功率：6.8W

耦合效率：40％斜率效率：86.5％中心波長：1098nm光譜半寬：1.6nm

3.4.3瓦級全光纖摻Yb雙包層光纖激光器高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)的體器件構成諧振腔，未能實現(xiàn)全光纖化，這不僅極大地限制了光纖激光器的結構緊湊性和工作可靠性，也增加了抽運光的耦合難度，同時不利于光纖激光器與后續(xù)光纖光學系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上述問題，采用光纖Bragg光柵（FBG）作為腔鏡的全光纖高功率激光器。

光纖：摻Yb雙包層光纖的內(nèi)包層形狀為正方形，截面尺寸為125μm×125μm，數(shù)值孔徑約為0.38。單模纖芯的模場半徑為7μm，數(shù)值孔徑為0.11。纖芯中摻雜有較高濃度的Yb離子，對976nm抽運光的吸收損耗約為1.7dB/m。光纖長度為20m。諧振腔：一對中心反射波長為1060nm的FBG作為選頻反饋腔鏡，構成駐波腔，相應的峰值反射率分別為99%和5%。圖3-5泵浦源：為一臺帶有輸出尾纖的LD模塊，中心波長為976nm。在LD模塊與光纖激光器注入端之間專門設計了一個taper型光纖耦合器，以提高抽運光的注入效率。

性能指標：閾值功率：300mW輸出功率：1.18W

光光轉換效率：53.1%斜率效率：68％中心波長：1060nm光譜半寬：<0.1nm

3.4.4包層泵浦可調(diào)諧Yb光纖激光器

窄線寬、可調(diào)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(diào)諧范圍1010nm~1120nm;

法國的AmmarHideur等人在全光纖環(huán)行腔摻Yb3+雙包層光纖激光器得到的調(diào)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(nèi)獲得了調(diào)諧輸出，輸出功率大于200mW；

●

上海光機所陳柏等人則通過調(diào)節(jié)光纖后端面與后腔鏡之間的距離以及后腔鏡角度的方法，獲得了50nm的調(diào)諧輸出；

●

南開大學采用國產(chǎn)圓形內(nèi)包層摻Yb3+雙包層光纖為增益光纖分別用Littrow、Littman和雙光柵三種外腔結構實現(xiàn)了寬帶調(diào)諧輸出。

一、Littrow結構外腔調(diào)諧激光器的實驗研究

圖3-15

調(diào)諧范圍：1040nm~1107.6nm，功率：34mW

圖3-16輸出功率隨激光波長的變化關系二、Littman結構外腔調(diào)諧激光器的實驗研究

圖3.17

實驗結果：調(diào)諧范圍：1037.6nm~1097nm，功率：25.4mW

輸出功率隨激光波長的變化關系圖3-18三、雙光柵結構外腔調(diào)諧激光器的實驗研究

圖3-19實驗結果：調(diào)諧范圍：1040nm~1107.6nm，功率：24.5mW圖3-20輸出功率隨激光波長的變化關系一、摻Yb3+光纖激光器性能參數(shù)的理論分析1、理論基礎a、粒子速率方程：返回b、C.Barnard的理論公式：在環(huán)形腔中閾值：斜率效率：在線形腔中式中含有激光器飽和功率等抽象物理量，因此公式復雜，不便于對激光器性能參數(shù)的討論?；赮b離子的能級分布及其光譜特性，推出：2、推導后的公式在線形腔中在環(huán)形腔中閾值：斜率效率：式中不再含有飽和功率因子，各參數(shù)可直接根據(jù)激光器結構參數(shù)進行計算。a、線形腔泵浦閾值隨后腔鏡反射率R2、光纖長度L的變化規(guī)律（1）采用適當長度的Yb光纖做增益介質，可以降低激光器泵浦閾值，在激光損耗系數(shù)很小的情況下，這種作用更加明顯。（2）提高后腔鏡反射率降低泵浦閾值是一種相對簡單而有效的方法，對于激光沿光纖損耗系數(shù)很大而不宜采用長光纖的情況，這種方法很有意義。

b、線形腔斜率效率隨后腔鏡反射率R2、光纖長度L的變化規(guī)律返回圖示反映：反射率R2、光纖長度L都有個最佳值，最佳值的大小與激光器的具體結構參數(shù)有關。

c、線形腔輸出功率隨后腔鏡反射率R2、光纖長度L的變化規(guī)律

圖示反映：在摻雜濃度一定的情況下，欲使激光器的輸出功率達到最大，光纖長度和輸出腔鏡的反射率應有較好的匹配。

二、摻Yb3+光纖激光器泵浦方式的理論分析1、結構模型返回2、理論模型

1、激光功率傳輸方程式中：為增益系數(shù)2、泵光功率傳輸方程返回3、實例分析

以美國Polaroid公司的35瓦LD包層泵浦摻Yb光纖激光器為例進行模擬計算。有關參數(shù)如下：反射率：R1=1，R2=3.4%

；兩端泵浦：p1=18.7W，p2=36.7W

；

泵浦波長：915nm；熒光壽命：τf=0.8ms；雙包層光纖長50m

，有關參數(shù)見下表：

纖芯數(shù)值孔徑

纖芯直徑(μm)

內(nèi)包層尺寸(μm)

內(nèi)包層數(shù)值孔徑

976nm吸收系數(shù)/m激光傳輸損耗/m0.18170×3300.450.0560.0034理論分析的結果包括：a、不同泵浦方式時泵光功率密度的分布前向泵浦：p1=55.4W，p2=0W；后向泵浦：p1=0W，p2=55.4W；兩端泵浦：p1=18.7W，p2=36.7W；對稱泵浦：p1=p2=27.7W；單端泵浦時，泵浦光功率分布沿光纖成指數(shù)變化，在注入端功率密度最高。兩端泵浦時泵浦光功率沿光纖的分布均勻性優(yōu)于單端泵浦（前向泵浦或后向泵浦），其中對稱泵浦時的光功率分布均勻性最佳。b、不同泵浦方式時增益系數(shù)的分布圖示反映：采用后向泵浦或兩端泵浦時，纖芯內(nèi)的增益分布較前向泵浦更為平坦。另外還出現(xiàn)一個值得注意的現(xiàn)象，采用非對稱兩端泵浦（p1=18.7W，p2=36.7W）獲得的激光增益分布比兩端對稱泵浦（p1=p2=27.7W）時均勻性更好。c、不同泵浦方式時激光功率密度的分布根據(jù)圖示：隨著輸出端泵浦光功率p2的增加（前端泵浦功率p1相應減小，以維持總泵浦功率不變），纖芯內(nèi)遠離輸出端的激光功率密度有所減小，而靠近激光輸出端的激光功率密度有所增加。在總泵浦功率不變的情況下，增加后向泵浦功率可以提高光纖激光器的輸出功率。表格給出了四種泵浦方式對應得到的最大輸出功率。

P1(w)P2(w)Pout(w)55.422.718.70022.736.755.433.9535.0735.3835.894、小結：1、前向泵浦可使泵浦光注入端與激光輸出端相分離，因此泵浦耦合最為方便。但光纖中的光功率分布及增益分布都很不均勻，在大功率泵浦的情況下容易造成注入端的光纖熔融。

2、兩端泵浦方式的耦合結構更復雜，但可以大大降低注入端的泵光的功率密度，并且光纖內(nèi)的功率密度及增益分布都較為均勻,因此，對大功率光纖激光器來說兩端泵浦是一種較好的選擇。3、后向泵浦時泵浦光的耦合注入比前向泵浦復雜，同前向泵浦一樣存在泵浦光分布不均勻的問題。但是這時的增益分布較為平坦，容易獲得較高的激光輸出。三、摻Yb3+光纖激光器動態(tài)特性的理論分析

1、結構模型采用線形腔結構2、理論模型粒子數(shù)速率方程3、摻Yb3+光纖激光器動力學耦合方程激光功率的穩(wěn)態(tài)解：其中4、動力學耦合方程的運用

在推導動力學耦合方程的基礎上，我們將理論運用于雙包層摻Yb3+光纖激光器動態(tài)特性的研究中，結合實驗情況，假設：

波長：λs=1060nm，λp＝976nm；反射率：R1(1060)=1，R2(1060)=0.04；

熒光壽命：τ2＝0.77ms；光纖折射率：n=1.46；損耗系數(shù)：αs=0.42m-1；

光纖長14m，纖芯模場直徑為7μm，

對兩種不同摻雜濃度的雙包層摻Yb3+光纖激光器的動態(tài)輸出進行了模擬。得出以下結果：a、摻雜濃度為560ppm的動態(tài)輸出：如圖所示：b、摻雜濃度為2380ppm的動態(tài)輸出：圖示反映的物理意義結合實驗在后面具體介紹。

3.5調(diào)Q光纖激光器（一）調(diào)Q光纖激光器基本結構及特點聲光調(diào)QA.非光纖型Q開關

電光調(diào)Q

機械轉鏡調(diào)Q

可飽和吸收體調(diào)Q

光纖馬赫-曾特爾干涉儀B.光纖型Q開關

光纖邁克爾遜干涉儀

基于光纖中的SBS調(diào)QA.非光纖型：聲光（AOM）調(diào)Q特點：開關時間較快，消光比大，脈沖寬度一般十幾到幾十ns，但插入損耗大，穩(wěn)定性較差。A.非光纖型：電光（EOM）調(diào)Q特點：開關時間快（幾ns），消光比大（>95％），但插入損耗大，穩(wěn)定性較差，需要幾千伏的高壓，產(chǎn)生的電子干擾大。A.非光纖型：可飽和吸收體被動調(diào)Q特點：在1.53mm得到0.1mJ能量，開關速度慢，插入損耗大B.光纖型Q開關：光纖邁克爾遜干涉儀調(diào)Q特點：開關速度較慢，能產(chǎn)生ms量級脈沖，要求兩臂光纖光柵完全相同，這樣的兩個光纖光柵比較難制作，