光纤激光器2019

1第八章如何使信号源更强?哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心2019年3月第八章如何使信号源更强?8.1光纤激光器简介8.2光纤激光器的结构8.3光纤激光器的实验1.20世纪60年代初，美国光学公司的（斯尼泽）Snitzer首次提出光纤激光器的概念。2.70年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。3.1975年至1985年，由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。光纤激光器的发展1985年英国南安普敦大学的研究组取得突出成绩。他们用MCVD方法制作成功单模光纤激光器,此后他们先后报道了光纤激光器的调Q、锁模、单纵模输出以及光纤放大方面的研究工作。英国通信研究实验室(BTRL)于1987年展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置,同时在增益和激发态吸收等研究领域中也做了大量的基础工作,在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作。世界上还有很多研究机构活跃在这个研究领域,如德国汉堡技术大学,日本的NTT、三菱,美国的贝尔实验室,斯坦福大学等。20世纪80年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。光纤激光器的发展1988年,E.Snitzer等提出了双包层光纤,从而使一直被认为只能是小功率器件的光纤激光器可以向高功率方向突破。90年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功率水平提高了4－5个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。进入21世纪后,高功率双包层光纤激光器的发展突飞猛进,最高输出功率记录在短时间内接连被打破,目前单纤输出功率(连续)已达到2000W以上。光纤激光器的分类按谐振腔结构分类：F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“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、单晶光纤激光器按掺杂元素分类：掺铒（Er3+）、钕（Nd3+）、镨（Pr3+）、铥（Tm3+）镱（Yb3+）、钬（Ho3+）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、连续激光器光纤激光器的优点光纤激光器近几年受到广泛关注，这是因为它具有其它激光器所无法比拟的优点，主要表现在:(1)光纤激光器中，光纤既是激光介质又是光的导波介质，因此泵浦光的耦合效率相当的高，加之光纤激光器能方便地延长增益长度，以便使泵浦光充分吸收，而使总的光-光转换效率超过60%；(2)光纤的几何形状具有很大的表面积/体积比，散热快，它的工作物质的热负荷相当小，能产生高亮度和高峰值功率，己达140mW/cm；(3)光纤激光器的体积小，结构简单，工作物质为柔性介质，可设计得相当小巧灵活，使用方便；(4)作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当多的可调参数和选择性，光纤激光器可在很宽光谱范围内(455-3500nm)设计运行，加之玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范围己达80nm；(5)光纤激光器还容易实现单模,单频运转和超短脉冲；(6)光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非常成熟，连接损耗小且增益与偏振无关；(7)光纤激光器的光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温度稳定性；(8)光纤激光器所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此，可以制作出高精度，低损耗的光纤，大大降低激光器的成本。由于光纤激光器具有上述优点，它在通信、军事、工业加工、医疗、光信息处理、全色显示、激光印刷等领域具有广阔的应用前景。通信:在光通信领域，采用布喇格光栅作为腔反馈和模式选择的掺铒光纤激光器比较容易实现单模、单频和低噪声，并被应用于光通信和光传感系统中，特别是可应用于密集波分复用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外调制的掺铒光纤激光器在2019年就能提供传输距离654km，速率为2.5Gb/s的信号，与DBF半导体激光器性能类同，但后者难以实现波长特定。刘颂豪院士认为，光纤光孤子激光器、光纤放大器和光孤子开关是三项使孤子通信走向实用化的主要技术。光孤子通信传输距离可达百万公里，传输速率高达20Gb/s，误码率低于10-13，实现了无差错通信。军事:美国空军实验室的科学家们正在努力将光纤激光器的输出功率提高到千瓦数量级。定向能量瞄准项目中的激光集成技术分项目的研究人员正与加州SanJose市的SDL公司合作，开发高亮度、光照面积小的系统。该系统能作为激光防御武器替代目前看好的化学激光器。工业加工:激光波长在1080nm附近的掺镱光纤激光器，其极高的效率和功率密度在材料加工方面可与传统的YAG激光器相媲美。在打标领域，由于光纤激光器具有高的光束质量和定位精度，使其不仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被用于塑料和金属打标中。激光印刷:双包层光纤激光器，因其拥有极高的热稳定性和转换效率而大量进入印刷市场，印刷厂利用它可进行校样的制模。医疗:功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了十分重要的角色，它能为外科手术提供较大的高能辐射源。光纤激光器原理激光器必须具备可以产生受激光发射的物理条件，在一般的激光器中，这些条件是通过下面三部分来实现的，也可以叫作构成激光器的三要素。1.产生粒子数反转在通常的情况下，任何材料处于平衡态时部是低能态电子数远大于高能态电子数，当外来光子将低能态电子激发到高能态后，由于高能态的电子寿命很短，处于高能态电了又很快回到低能态，这种向上和向下的跃迁几乎是同时进行的。所以，为了获得粒子反转，就需要极大的激发强度，能够一下子把低能态电子大部分激发到高能态上去。具有这样大激发强度的光源是很难得到的，因而也限制了激光器的使用；同时，很大的激发功率也可能损坏材料。2．谐振腔激光器共振腔一般为F-P干涉共振腔结构，它是由两个反射率很高的相互个行的端面组成的腔体，激光材料产半的受激光发射就是在共振腔个形成的。如果共振腔内的激光材料已达到粒子数反转条件，那么共振腔两端面之间来回反射的光在传播过程中不断激发出净受激辐射，由净受激辐射产生的光子加入到传播方向平行于共振腔的激发光行列中，这一过程使产生净受激跃迁的光场越来越强。LPiPfR1R2反射面反射面腔体轴线12EfEi激光输出激光输出虽然在光传播的过程中也有自发辐射产生的光子加入，但自发辐射的光有各种传播方向，只有那些传播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下来，其余的自发跃迁受到抑制；另外在共振腔中传播的光的频率受到共振腔共振频率的限制，只有满足共振条件的那些光被加强、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔内形成一个具有特定频率的足够强的激发光场。共振腔还有另一个作用：在共振腔内形成的受激光一部分通过共振腔端面发射出去成为受激光发射，另外一部分被端面反射回来，在共振腔内继续激发出受激辐射。所以，只要在共振腔内的激光材料始终保持粒子数反转条件，就可以获得连续的受激光发射。2．谐振腔3．功率源为了使激光器产生激光输出，必须使共振腔中激光材料的增益达到阈值增益，也就是说要使粒子数反转达到一·定的程度，称为阈值反转密度。因此激光器的第三个要素就是要有一个功率源，它所提供的能量至少要能够产生阈值反转密度。在半导体激光器中这一功率源是以电能形式提供激发功率的。光纤激光器基本原理光纤激光器和其他激光器一样，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激励光跃迁的泵浦源三部分组成。激光输出未转换的泵浦光线稀土掺杂光纤泵浦光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+。掺铒(Er3+)光纤在1.55m波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒(Er3+)光纤激光器发展十分迅速。掺镱(Yb3+)光纤激光器是波长1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带(800—1064nm)以及相当宽的激发带(970—1200nm)，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。掺铥(Tm3+)光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。T．Komukai等人获得了输出功率100mw、斜率效率59％的1.47m掺Tm3+光纤激光器。对于通讯应用，目前认为掺Er光纤激光器最适宜，因为它能工作在石英光纤最低损耗波长1.51m处，调谐范围50nm，可供多路光频复用。它的泵浦波长可在0.807m、0.980m和1．490m，但目前最易得到的是0.980m的激光二极管，它能提供连续编出几百mw，Q开关的15ns脉冲功率100w。理论上有可能获得1kw。Er3+(4F13/2—4I15/2)有1.54m发射谱线，与Nd激光器一样，用0.514m的激光泵浦，便可产生振荡，其荧光光谱有1.534和1.549m峰，寿命8—12ms。Er激光为三能级激光，因此用块状材料实现连续振荡比较困难，但用纤维激光器，可实现空运连续振荡，阈值30mw左右。插入衍射光栅，也可在1.53—1.55m范围内实现波长可调性。稀土类掺杂光纤激光器其他的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在2.0m附近有很强的中红外吸收峰，对邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。稀土类掺杂光纤激光器激光是由Er3＋能级的4I13/2至4I15/2的跃迁产生，属三能级系统。器件效率较低，同时存在激光态吸收的问题，研究工作围绕如何提高器件的效率展开。Er3＋光纤光栅激光器的缺点是对泵浦光的吸收效率和斜率效率低、频率不太稳定（跳模现象）。为解决这些问题，采用Er3＋－Yb3＋共掺的光纤作为增益介质。Yb3＋离子起着吸收泵光（980nm），然后迅速转移给Er3＋离子，以实现1.5m区的放大器，对泵光的吸收能力可提高2个数量级。8.2光纤激光器的结构——掺Er光纤激光器2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋其原理如图所示：8.2光纤激光器的结构——掺Er光纤激光器掺Yb3+光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源，在970～1200nm波段获得激光，并可进行宽带调谐；同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、多声子跃迁等消激发过程，能够获得很高的能量转化效率。由于以上优点及其广阔的应用前景，掺Yb3+光纤激光器受到越来越多研究者的关注。8.2光纤激光器的结构——掺Yb3＋光纤激光器第八章如何使信号源更强?8.1光纤激光器的工作原理8.2光纤激光器的结构8.3光纤激光器的实验8.2光纤激光器的结构泵光掺Er3＋石英光纤激光输出剩余泵光F-P线形腔掺铒光纤激光器光在腔内传输来回一次后的光强为：要保证激光在腔内振荡，要求：反射光与入射光发生干涉，为了在腔内形成稳定振荡，要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件)：])(2[exp021LGIrrIni)(2121rrnlLGni12nqL增益系数平均损耗系数纵模和横模——在腔内，轴向驻波场为腔的本征模式光场。特点：与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布；轴线方向形成驻波，称为纵模。节数为q，为纵模序数。与轴线垂直的横截面内光场稳定分布，称为横模，用LPml表示，为线性偏振模。m为方位数，表示垂直光纤的横截面内沿圆周方向方位角从0到2光场的变化数（节线数）。l为径向模数，表示纤芯区域光场的半径方向变化数(节线数)。LP01表示基模，它的角向径向节线数没有变化，为圆形光斑。二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器1、光纤环