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光纤激光器的研究赵尚森（河北工程大学 信息与电气工程学院，河北 邯郸 056038）摘要：稀土掺杂光纤激光器是光电子技术领域的先进课题。本文分析了掺稀土光纤激光器的光学物理过程。关键词：光纤激光器；高功率STUDY ON THE FIBER LASERAbstract: The research of rare-earth-doped fiber lasers is one of the frontiers subjects of optoelectronic technology. The theoretical analysis of the optical physical process in doped rare-earth-fiber was given.Key words: fiber laser; high power0 引言激光是近代科学技术中的重大发明之一。从1960年第一台红宝石激光器出现至今已经有50余年，激光器件及激光技术已发展到相对高的水平，激光器件的种类很多，包括固体、气体、半导体、液体、化学、自由电子等激光器。固体激光器的工作物质是掺杂的晶体和玻璃，种类很多有百余种。固体激光器件整体具有结构紧凑、牢固耐用等优点，最大输出单脉冲功率很高，另外也可以利用某些晶体实现倍频。近年来，光纤激光器受到了广泛的关注，其主要优势有：散热性能好、转换效率高、可调谐范围宽、泵浦阈值低、光束质量高等。1 光纤激光器简介同传统激光器一样，光纤激光器也由泵浦原、增益介质和光学谐振腔构成。但光纤激光器的增益介质为光纤，是利用光纤端面、光纤环形镜或光纤光栅等作为反射镜来构成反射腔镜。1.1光纤激光器分类光纤激光器按照光纤材料的种类可以分为以下几类：掺稀土元素的光纤激光器，在SiO2光纤中掺杂稀土类元素离子，例如Yb3+、Nd3+、Er3+等，制成特定波长传输的光纤激光器；非线性效应光纤激光器，利用光纤本身的非线性效应制作而成，主要有受激拉曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器；晶体光纤激光器，其增益介质为激光晶体光纤，如红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YAG单晶光纤激光器等；塑料光纤激光器，在塑料光纤纤芯或包层内掺入激光染料作为增益介质制成光纤激光器；光子晶体光纤激光器，即利用光子晶体光纤的特性制成的稀土掺杂光纤激光器。在这几类光纤激光器中，掺稀土元素的光纤激光器发展最早、最常见，同时也是利用最广泛的。其典型的工作机理如下：掺杂光纤中的稀土离子吸收泵浦光光子，从而被激励到较高能级；这些离子经过无辐射跃迁到亚稳态的激光上能级，并可通过受激辐射跃迁到下能级产生一个与信号光光子等同的光子。当泵浦光足够强时，可在激光上、下能级间形成粒子数反转，使得掺杂光纤具有光放大的功能，即光增益。光纤激光器的基本构造如图1-1所示：1-1光纤激光器基本构造示意图激光谐振腔就是为增益提供一个光学反馈，使得光信号在光纤中多次往返、放大后形成激光输出。掺杂的元素可以决定输出的激光波长，即泵浦光输入后有相应的波长激光输出，所以光纤激光器本质上就是一种可以实现波长转换功能的有源光器件。1.2 光纤激光器的特点光纤激光器在近年来备受关注，主要是因为它有着其他激光器无法比拟的优点：光纤激光器中，光纤是介质同时也是导波介质，所以泵浦光有很高的耦合率，加上光纤激光器能延长增益长度，泵浦光吸收充分，进而总的光-光转换率可超过60%；光纤的几何形状有较大的表面积/体积比，散热较快，其工作物质热负荷相当小，可以产生高亮度和高峰值功率；光纤激光器的体积小，结构简单，可以设计得小巧灵活；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设计。玻璃光纤的荧光谱很宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范围达80nm；容易实现单模、单频运转和超短脉冲；光纤激光器有很高的增益，而且噪声很小，目前光耦合技术也比较成熟，连接损耗小；光纤激光器的光束质量好，有较好的单色性、方向性、稳定性；光纤激光器基于硅光纤的工艺现在非常成熟，可以制作出高精度、低损耗的光纤，降低了光纤激光器的成本。2 光纤激光器工作原理2.1 稀土元素及其离子在光纤中掺杂稀土离子就可以制成激光介质，不同的离子又有着不同的特性。一般稀土元素的电离是以三价态发生的，其能级覆盖了从紫外线到红外的波长，最短的激光波长是室温条件下泵浦Nd3+离子的4f-5d能级跃迁，最长的激光波长是5.15um，是由Nd3+离子的阶梯跃迁产生的。光纤激光器最大的优越性就是可以变化基质种类或成分，以促进掺杂离子所处环境发生变化，或者改变离子掺杂浓度，进而使光谱发生变化，这样就可以人为地选择适合的泵浦波长，并在特定波长上产生激光。2,2 稀土掺杂光纤激光原理光在通过掺杂光纤介质时会有部分光子被介质吸收，这些被吸收的光子的能量会促使处于高能级的电子跃迁到激发态，激发态的电子又跃迁到基态，同时会释放出能量。辐射可以分为自发辐射和受激辐射两类。自发辐射产生的光频率、相位不尽相同，而受激辐射产生的激光频率、相位均是一样的，所以是相干性非常好的光源。要让受激辐射能够持续发生，就必须满足“离子数反转”，同时参与过程的能级超过两个，还要有泵浦光提供不断的能量。三能级和四能级的激光原理如图2-1所示。泵浦光使电子从基态跃迁到高能态E44或E33，然后通过受激辐射过程跃迁到激光能级上（E43或E32），当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级（E42或E31）时，即出现激光过程。下面以三能级为例来解释光纤激光器的放大原理。图2-1 四能级和三能级的激光原理三能级的激光系统，在泵浦光和掺杂离子发生碰撞时会将一部分的基态粒子激发到能级较高的第三能级上，由于处于高能级的粒子寿命都很短，所以这部分激活的粒子会很快的以辐射跃迁的方式转移到亚稳态也就是第二能级上，在第二能级和第一能级会发生粒子数反转，而激光就是第二能级的粒子受激跃迁到第一能级时产生的。设N1、N2分别是第一能级和第二能级上粒子数目，vp、vs分别是泵浦光和激光的频率，W12N1代表由泵浦过程使第一能级上粒子数减少的速率，W21N2代表由于自发辐射使第三能级上粒子数增加的速率，WN2和WN1分别代表受激辐射和受激吸收过程，则三能级速率方程可以表示为：而实际上的光纤放大是激光产生和光波传播的综合过程。同时光波传输也是有介质损耗，即除了跃迁量子吸收以外的一切吸收损失。泵浦光和激光功率随光纤长度变化，如下图：图2-2 泵浦光、激光随光纤长度变化的曲线影响掺杂光纤激光器放大过程的因素有很多，同时比较复杂，因此相关理论还要进行深入的研究。3 光纤激光技术3.1光纤激光器的谐振腔光纤激光器的谐振腔有F-P腔，光纤环形谐振腔和光纤环路反射器谐振腔。F-P腔结构是由一对平行安置的介质镜构成。这对介质镜一个发生全反射另一个是部分反射。光束在通过腔体，谐振时透射输出强度高而反射输出强度低；反之，费谐振时透射输出强度低而反射输出强度高。当腔长为光波波长二分之一的整数倍、且谐振频率间隔为自由光谱区时就会出现谐振。谐振频率间隔是光子在谐振腔内往返时间的倒数。光纤环形谐振腔的核心部分是光纤定向耦合器，在谐振中主要用到了其相干分束的特性。耦合器两个臂连接在一起构成了光的循环行程。耦合器也就是介质镜的反馈作用，同时形成谐振腔。腔的精细度和耦合器的分束比有关。光纤环路反射器与环形谐振腔类似，也是利用了光纤定向耦合器。但是前者有谐振贮能特性，后者是一种非谐振的干涉。3.2 光纤激光器的调谐激光器运转时，在腔处于最佳状态的谱线上获得激光输出。为了使输出在一定的频谱范围内调谐，需要在腔内插入波长选择器，或直接使用具有波长选择性的反射镜。第一种调谐方法是将输出镜代以反射式衍射光栅，并插入适当的分束器、准直器等光学元件。另一种方式是使用光纤环形反射器。3.3 输出线宽压窄在相干光通信等应用领域要激光输出有很高的单色性能，也就是线宽要窄。用上面的调谐方法得到的输出线宽一般在0.11nm。这个宽度不能满足高要求的光纤传输。解决线宽的问题有以下两种方法。第一种是光栅反射器法。利用抛光石英块蒸镀光栅反射器来获得极窄线宽输出。第二种方法是使用掺铒光纤，即福克斯-史密斯谐振腔法。4