光纤激光器的原理及应用

光纤激光器的原理及应用张洪英哈尔滨工程大学理学院摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势1引言对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的YAG、CO2激光器等。光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。2光纤激光器的基本结构与工作原理2.1光纤激光器的基本结构光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。图2.1光纤激光器的基本结构图增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤，经准直光学系统和滤波器得到输出激光。从理论上来说，只有泵浦源和增益光纤是构成光纤激光器的必须组件，而谐振腔并非必不可缺的组件。谐振腔的选模和增加增益介质长度的作用在光纤激光器中是可以不用的，因长光纤本身可以非常长，从而获得很高的单程增益，而光纤的波导效应又可以起到选模的作用。但实际应用中人们一般希望使用较短光纤，所以多数情况下采用谐振腔，以引入反馈。由于光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦、有高增益(单程增益达50dB),稀土元素在玻璃基质中有较宽的线宽和调谐范围[2](Yb3+为125nm、Tm3+300nm)。具体特点如下：1)光纤作为导波介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特点。2)由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，环境温度允许在-20—70℃之间，无需庞大的水冷系统，只需要简单的风冷即可。3)可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下皆可正常运转。4)由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑体积小，易于系统集成，性能价格比高。5)具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性，其泵浦寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以上。2.2光纤激光器的工作原理目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器工作原理是泵浦光通过前反射镜（或前光栅）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过后反射镜（后光栅）输出激光[4]。掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时,就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量[5]。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺铒光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦,输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2.2所示，泵浦（短波长高能光子）使电子从基态跃迁到高能态E44或者E33,然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E32,当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E42或者E31时,就会出现激光的过程。图2.2三能级和四能级激光能级图3光纤激光器的类型光纤激光器有很多种，其按不同的分类方法可分为如表3.1所示的类型，下文主要介绍其中几种激光器。表3.1光纤激光器分类表按谐振腔结构分类F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔及“8”字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器按光纤结构分类单包层光纤激光器、双包层光纤激光器按增益介质分类稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器按工作机制分类上转换光纤激光器、下转换光纤激光器按掺杂元素分类掺饵(Er3+)、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、镱(Yb3+)、钬(Ho3+)等15种按输出波长分类S-波段（1280-1350nm）、C-波段（1528-1565nm）、L-波段（1561-1620nm）按输出激光分类脉冲激光器、连续激光器3.1稀土类掺杂光纤激光器稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+。近几年，双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输出功率获得极大提高，成为激光器又一研究热点。此种光纤结构如3.1所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，从而构成双层的波导结构。掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：1）将泵浦光功率转换为激光的工作介质；2）与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导，同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯并被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输出。工作原理如图3.1所示[6]。图3.1双包层掺杂光纤包层泵浦原理3.2光纤光栅激光器20世纪90年代紫外写入光纤光栅技术的日益成熟，使得光纤光栅激光器愈受重视，其中主要是分布Bragg反射器光纤光栅激光器(DBR)和分布反馈(DFB)光纤光栅激光器。两者的区别主要在于DFB光纤激光器只用一个光栅来实现光反馈和波长选择，故稳定性更好，还避免了掺Er光纤与光栅的熔接损耗。但是，虽然可直接将光栅紫外写入掺Er光纤，由于纤芯含Ge少，光敏性差，DEB光纤激光器实际并不易制作。相比之下DBR光纤激光器可将掺锗(Ge)光纤光栅熔接在掺Er光纤的两端构成谐振腔，制作较为简便。DBR、DFB光纤光栅面临的问题有：由于谐振腔较短，使得泵浦的吸收效率低；谱线较环形激光器宽，模式跳跃现象等，这些问题都在不断解决中。提出的改进方案有：采用Er：Yb共掺杂光纤作增益介质、采用内腔泵浦方式、主振荡器和功率放大器一体化等[7]。3.3超短脉冲光纤激光器超短脉冲激光器也是目前光纤激光器研究的一个热点，它主要应用的是被动锁模技术。与固体激光器相同，光纤激光器也是根据锁模原理产生短脉冲的激光输出。当光纤激光器在增益带宽内大量纵模上运转时,当每个纵模相位同步，任意相邻纵模相位差为常数时，就会实现锁模。谐振腔内循环的单个脉冲经过输出耦合器输出能量。光纤激光器分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。主动锁模调制能力限制了锁模脉冲的宽度，它的脉冲宽度一般是ps量级。被动锁模光纤激光器是利用了光纤或者其它的光学元件的非线性光学效应实现锁模的。激光器结构简单，在一定条件下不需要任何调制元件就可以实现自启动锁模工作[8]。启用被动锁模光纤激光器可以输出fs量级的超短脉冲[9]。超短脉冲激光器已经用在超快光源上，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦技术。超短脉冲发生技术是实现超高速光时分复用(OTDM)的关键技术。超短脉冲光纤激光器几乎遍及材料、生物、医学、化学、军事等各个领域。4发展前景激光器是激光技术的核心，未来光纤激光器的发展方向将会是：进一步提高光纤激光器的性能，如继续提高输出功率、提高光束质量；扩展新的激光波段、拓展激光器的可调谐范围；压窄激光谱宽；开发极高峰值的的超短脉冲（ps和fs量级）高亮度激光器；进行整体小型化、实用化、智能化的研究。而近几年的发展主要集中在3个方面：（1）光纤布拉格光栅的性能的提高，让其很好的应用在光纤激光器中；（2）光纤激光器在脉冲和谱线宽度更窄，输出功率更高，调谐范围更广等；（3）光纤激光器发展的更实用化[10]。在工业上的应用光纤激光器在工业方面的应用最引人注目的是材料处理，随着它的功率不断提高，光纤激光器在工业切割方面已经开始规模化应用。光纤激光器是金属和非金属材料切割，加工与处理的理想设备，可利用光纤激光器进行激光产品定标、精密切割、激光雕刻、激光焊接、精密打孔、激光检测、微弯曲、激光测量等技术方面。在通信上的应用为了满足目前通信的大容量要求，光纤激光器的应用便成为通信中的一项新兴的技术。今后的通信技术将会由电通信逐步转化为光通信。光纤激光器不仅能产生连续的激光输出，而且可以产生皮秒(ps)甚至飞秒(fs)的超短激光脉冲。光纤激光器已经在降低阈值，加宽波长范围，波长可调谐能方面取得了很大的发展。其中光孤子通信是走向实用化的主要技术，光孤子通信传输距离可达到百万km，传输速率可以达到20Gb/s，误码率低于10-13，实现了信号传输的高速度和高质量。在军事方面的应用由于光纤激光器功率的不断提高，其在军事方面的应用也越来越来广泛。为了达到定向能武器的目的，把几个光纤激光器组合成为同相位阵列结构，这样可以提高光纤激光器的功率。在美国空军研究实验室，目前正在研究着100kW级的光纤激光器。这样才能达到军事应用的目的。目前国内的光纤激光器的发展才处于初期发展阶段，但是输出功率已经有了大幅度的提高。单根光纤输出接近衍射极限光束功率已经上升到1000W以上。高功率光纤激光器技术的突破主要受益于大模区光纤的出现和高亮度半导体抽运源技术的成熟。但是国内的光纤激光器技术相比于国外还是很落后的，可见国内在研究如何提高光纤激光器的功率方面还须进一步努力。参考文献[1]刘德明,向清,黄德修.光纤光学(M).北京:国防工业出版社,1995.[2]刘颂豪,光纤激光器新进展[J].光电子技术与信息,2003,16(1):1-8.[3]楼祺洪,周军,张海波等.大芯径光纤激光器的新进展[J].中国激光,2010,37(9):2235-2241.[4]申人升,张玉书,杜国同.光纤激光器研究进展[J].半导体光电,2009,30(1):1-5.[5]明海,张国平,谢建平.光电子技术.中国科学技术大学出版社,1998年1月第一版.[6]PearsonL,KimJW,ZhangZ,etal.High-po