（光学专业论文）波长可转换及调q光纤激光器的研究.pdf

ab s t r a c t f i b e r l a s e r s p o s s e s s m a n y g o o d q u a l i t i e s , s u c h a s w i d e r a n g e o f w a v e l e n g t h , e x c e l l e n t b e a m q u a l i t y , h i g h l y c o n v e r te d e ff i c i e n c y a n d l o n g w o r k i n g t im e , w h i c h n o t o n l y m a k e t h e m p l a y a n i n c r e a s i n g r o l e i n t h e c o m m u n i c a t i o n fi e l d , b u t a l s o b e c o m e o n e o f t h e m o s t w i d e l y re s e a r c h e d l a s e r s o u r c e s i n t h e fi e l d o f l a s e r t e c h n o l o g y re c e n t l y , e s p e c i a ll y i n t h e fi e l d o f h i g h p o w e r d o u b l e - c l a d d o p e d fi b e r l a s e r , w h i c h h a s b e c o m e a re s e a r c h i n g f o c u s n o w a d a y s . wi t h t h e p u r s u i t o f h i g h p o w e r a n d t h e e x tr e m e p o w e r l i m i t o f s i n g l e fi b e r l a s e r , t h e c o h e r e n t c o m b i n a t i o n o f fi b e r l a s e r s h a s b e c o m e a n e w re s e a r c h i n g f o c u s . i n t h i s p a p e r , w e f o c u s o n t h e re s e a r c h o f fi b e r l a s e r a n d c o h e r e n t c o mb i n a t i o n o f fi b e r l a s e r s , a n d me a n t i m e o b t a i n a s e r i e s o f a c h i e v e me n t s . ma i n w o r k s a re a b s t r a c t e d a s f o ll o ws : 1 . a n a r r o w l i n e w i d t h d u a l - w a v e l e n g t h s w i t c h a b l e e r b i u m - d o p e d r i n g fi b e r l a s e r w a s o b t a i n 喊 w h i c h w a s b a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f i n t e r a c t i o n o f fi b e r l o o p m i r r o r ( f l m) , fi b e r b r a g g g r a t i n g ( f b g ) a n d p o l a r i z a t i o n c o n t r o l l e r ( p c ) , a n d t h e s ta b l e w o r k in s i n g l e o r d u a l - w a v e l e n g th c o u l d b e a c h i e v e d勿 a d j u s t i n g t h e p c a t r o o m t e m p e r a t u re , t h e w a v e l e n g th s e p a r a t i o n i s 0 .0 7 nn a n d l i n e w i d t h i s l e s s t h a n 0 . 0 4 mn 2 . v i 山a p h a s e m a s k , t h e fi b e r b r a g g g r a t i n g s c a n b e f a b r i c a t e d d ir e c t l y i n a m u lt i m o d e d o u b l e - c la d y b 十 一 o p e d fi b e r a s t h e fr e q u e n c y s e le c t iv e m ir r o r , u t i l iz in g t h e m u lt i m o d e f b g , w e d e s i g n e d a m u l t i - w a v e l e n g t h d o u b l e - c l a d fi b e r l a s e r . t h r o u g h a d j u s t i n g t h e p o l a r i z a t i o n c o n tr o l l e r , s i n g l e - , d u a l- , t r i p l e - a n d f o u r w a v e l e n g th s s ta b l y o u t p u t r e s p e c t i v e l y c a n b e a c h i e v e d a t r o o m t e m p e r a t u re . t h e w a v e l e n g t h w a s n e a r 1 0 6 0 r u n a n d l i n e w i d t h w a s l e s s t h a n 0 .0 2 n m ; u n d e r a 2 5 w p u m p p o w e r o f 9 7 6 r u n l a s e r ; t h e m a x i m u m o u t p u t p o w e r o f t h e l a s e r w a s a b o v e 6 w i n m u l t i - w a v e l e n g t h . 3 . a h i g h p o w e r p a s s i v e q - s w i t c h e d fi b e r l a s e r w a s d e s i g n e d 勿 u s i n g a g a a s w a f e r a s t h e s a t u r a b l e a b s o r b e r a n d t h e d - s h a p e i n n e r c l a d y b 3 + - d o p e d fi b e r . t h e m a x i m u m a v e r a g e o u t p u t p o w e r i s 7 .2 w a t 1 0 8 0 nn w a v e l e n g t h , w i 山t h e s h o rt e s t p u l s e d u r a t i o n o f 5 8 0 n s a n d t h e h i g h e s t p e a k p o w e r o f 1 6 0 w w h e n t h e l a s e r w a s ab s tr a c t p u m p e d w i山a 2 5 w d i o d e l a s e r o p e r a t i n g a t 9 7 6 nn. t h e h i g h e s t r e p e t i t i o n r a t e i s 7 7 k h z w i t h t h e e n e r g y o f 9 3 . 5 it j . t h e g r a p h o f p u l s e r e p e t it i o n r a t e v e r s u s p u m p p o w e r w a s re s e a r c h e d , a n d t h e a s p e c t s o f a ff e c t i n g p u l s e d u r a t i o n a l s o w a s a n a l y z e d . 4 . t h e b a s i c t h e o ry a n d m a i n m e t h o d s o f c o h e re n t c o m b i n a t i o n o f fi b e r l a s e r s w a s s t u d i e d i n t h i s p a p e r , a n d t h r o u g h a p r i m a ry e x p e r i m e n t o f s e l f - o r g a n i z a t i o n c o h e r e n t c o m b i n a t i o n w i t h t w o fi b e r l a s e r s , o n l y a p o w e r c o m b i n a t i o n o f t h e m w a s a c h i e v e d d u e t o l e s s c o h e re n t c h a r a c t e r o f t h e t w o fi b e r l a s e r , . i n t h i s e x p e r i m e n t , o n e fi b e r l a s e r o u t p u t i s 0 .9 6 8 w , a n d t h e o t h e r fi b e r l a s e r o u t p u t i s 0 . 9 1 0 w , w h i l e t h e c o m b i n a t i o n p o w e r i s 1 . 8 7 w k e y w o r d s : y b 3 十 - d o p e d d o u b le c l a d fi b e r l a s e r , 护十 - d o p e d d o u b le c la d fi b e r l a s e r , l in e r c a v i t y fi b e r l a s e r , r i n g c a v i t y fi b e r l a s e r , q - s w i t c h e d fi b e r l a s e r , p u m p c o u p l e d t e c h n o l o g y , d o u b l e - c l a d fi b e r b r a g g g r a t i n g , s w i t c h a b l e fi b e r l a s e r , t h e o ry o f c o h e r e n t c o m b i n a t i o n , s e l f - o r g a n i z a t i o n c o h e r e n t c o m b i n a t i o n . i i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : ; i 4 w 3 年 上 月 可 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于 1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已 经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 第一章 绪 论 第一章 绪 论 第一节 光纤激光器的发展及研究意义 1 . 1 . 1光纤激光器的发展 光纤激光器一般采用掺杂光纤作为增益介质， 以光纤光栅、光纤环形镜或光 纤端面等作为反射镜来构成反馈腔。 在泵浦光的作用下，造成增益介质的上能 级粒子 数反 转， 光子在谐振腔内 振荡放大， 最后在掺杂光纤介质中 产生受激发射 而输出 激光。 光纤激 光器的研究工作最早开始于1 9 6 1年， 由美国光学公司的 e s n i t z e r等 人最先 提出 i .; 。但由 于受当时条件所限 ， 实验工作没有多大的进展。 直到八十年 代月改 进化学汽相沉积法 ( m c v d ) 成功制成低损耗的掺饵光纤 ( e d f ) 后， 光 纤激光器的发展才出 现了 新的前景 1 z 1 1 9 8 8 年， p o l a r i o d 公司首先提出了 包层泵浦技术， 开创了高功率光纤激光器 发展的 新局面0 -3 1 在 包 层 泵 浦技术 的 发 展 初 期， 人 们 的 注 意 力 主 要 集中 在 掺n d 十 ( n e o d y m iu m ) 双包层光纤激光器的研究上，1 9 9 3年， h . p 。等人报道了他们研制的高功率掺 n d 3 + 双包层光纤激光器， 在1 0 6 4 n m波长获得了 近5 w的单模连续激光输出， 斜 率效率 达到5 1 % 1 -4 1 e 1 9 9 5 年， h . z e l l m e r 等人报道了 输出 波长在1 0 6 4 n m 、 功率 为9 .2 w的 包层泵浦的 掺n d 3 十 光纤 激光 器115 . 1 9 9 4 年，由h . m . p a s k 等 人 首 先 在 掺yb3 十 ( y tt e r b iu m ) 石 英光 纤 中 实 现了 包层泵浦， 实验中得到了波长为1 0 4 0 m n . 0 . 5 w 的最大激光输出， 斜率效率达到 了8 0 % 1 .6 1 。 由 于,a3 + 具有简单的能 级结构、 宽的吸收带和大的 发射截面， 便于 泵 浦和 获得高的转化效率， 使得人 们的 注意力逐渐转向 掺w + 双包 层光纤激光 器的研究。在 1 9 9 7年的国际激光电光会议 ( t h e c o n f e r e n c e o n l a s e r s a n d e l e c t r o- o p t i c s , c l e o ) 上， 美国p o l a r o i d 公司的m. m u e n d e l 等人报道了 一种掺 y b 3 十 双包层光纤激光器。 他们用四 根光纤藕合的9 1 6 n m波长的激光二极管阵列， 以5 4 .4 w的 功率泵浦掺yb3 + 双包 层光纤， 在1 1 0 0 n m波长上获得了3 5 . 5 w的连 第一章 绪 论 在光通信系统中，普通以半导体激光器作为光源，但是当激光被祸合进入 光纤时，总是存在着祸合损耗的问题。光纤激光器则解决了 这一难题，因为光 纤到光纤的辐合不仅损耗低、效率高，而且非常稳定。尤其是藕合点被熔接以 后，效果更好。另外光纤激光器经过优化设计之后，可以实现单纵模连续输出， 波长在5 0 n m范围内可调并保持l o k h z 的线宽，而半导体激光器的线宽远大于 o . 1 mh z ，因此，光纤激光器具有更高的波长精度控制性，更适用于多通道通信 系统。 锁模光纤激光器可以输出重复频率为i o g h z ， 脉宽为i o o f s 的超短光脉冲， 可以用于孤子通信系统。由光纤激光器发射的孤子在无滤波和其他控制装置的 情 况 下 能 够 以 2 .5 g b / s 的 速 率 传 输 1 7 ,6 0 0 1a m l .l 7 1 o 光 纤激光器还可以 应用于光传感领域 1 .1 8 , 1 .1 9 一 般情况下， 光纤 激光器以 连 续波方式运转，并以 b r a g $ 光纤光栅作为激光谐振腔的反射镜，因此它的工作波 长是由光纤光栅的反射波长来决定的，而光纤光栅的反射波长会随外界的温度 和应力的变化而改变。因此，利用光纤激光器可以实现对温度、应力、应变、 场强、电流等物理量的传感测量。 此外，由于光纤激光器结构小巧、紧凑，对温度与震动的稳定性好，尤其 是包层泵浦技术的发展，大大地促进了高功率光纤激光器的发展，因此还可以 应用于国防与军事等领域石例如:在惯性约束核聚变激光驱动器的前端系统中、 在航天航空等领域的重点工程中以及在大功率激光武器方面，对于光纤激光器 均有迫切的需求。预计随着光纤激光器等高新技术的应用，将会加强我国的国 防现代化建设的步伐，快速提升我军的整体实力，使我军在未来的战争中稳操 胜券。 总之，光纤激光器将在未夹社会中扮演越来截重要的角色。 1 . 1 . 3光纤激光器的分类 光纤激光器可以分别按照增益介质、谐振腔结构、光纤结构、输出波长、 工作机制和输出激光等进行分类。按照增益介质划分， 光纤激光器主要有两大类: 掺稀土元素激光器和非线性效应激光器 ( 受激拉曼散射激光器和受激布里渊散 射激光器);按照谐振腔结构划分， 光纤激光器有线形腔、环行腔和8 字形腔等; 按照光纤内部结构划分， 可分为单包层光纤激光器和双包层光纤激光器;按照输 出波长数目的多少划分， 有单波长和多波长光纤激光器;按照工作机制可分为上 第一章 绪 论 转换光纤激光器和下转换光纤激光器;按照输出激光的时域特性划分，可分为 连续和脉冲光纤激光器等等。 第二节 波长可转换光纤激光器的发展现状 随着光通信网络向大容量和高速率发展， 特别是wd m和d w d m技术的日 益 成熟， 多波长且波长间隔可调的激光光源的发展逐渐提上日 程。 多波长激光器可 以同时为多个信道提供所需光源，使光发射端的设计更为紧凑、经济，因而在 d wd m系统中有很重要的用途。同时，性能优良的多波长光源在光纤陀螺、光 谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值。 所以，多波长激光器的 研制无疑具有重要的意义。 光纤光栅是实现波长选择的理想的选频滤波元件，具有价格低，使用方便 和易于实现全光纤化。文献已报道多种实现多波长切换方法，例如采用少模光 纤光栅产生偏振烧空效应和和偏振控制器共同 作用实 现波 长切换 1 2 0. 1 .2 2 1 ， 利用 多模光纤光栅的多反射峰实现多波长输出1 .2 3 1 ， 利用高双折射光纤的偏振依赖特 性，通过在双折射光纤上写光栅和偏振控制器共同作用实现多波长可切换光纤 激光器 1 .2 4 .1 2 5 1 ， 为了 获得 波长间隔 更窄的双波长激光输出 人 们采用了 单模双向 传 输等效相移光纤光栅，与偏振控制器共同作用获得了波长间隔为0 . 1 4 7 n m的单纵 模输出 1 .2 6 1 ， 文献也报道了 对单模光纤光栅施加压力 产生 应力双折 射和偏振控制 器联合作用产生双波长可切换光纤 激光器1 .27 1 ， 以 及利用长周期光 纤光栅的 偏振 特性等方法1 2 m . 2 0 0 3 年 j . n . m 等人报道了 室温下 2 4 波长输出 1 2 9 1 ， 2 0 0 6 年 s h i l o n g p a n 等人报道了 7 0 波长， 信道间隔2 5 g h z 的多 波长 输出 1 .3 0 1 .2 0 0 6 年m a b l e p . f o k 等人得到4 9 波长、 波长间 隔可调的多波长输出 1 1 .3 1 1 为了在大模面积光纤上得到多波长可转换输出，研究人员利用衍射光栅进 行外部调节，调谐精度要求很高而且由于非光纤器件的引入也带来很大的损耗 1 .3 2 1 。 利用光纤光栅作为 后腔镜和选频器件结构简单紧 凑 1 3 3 - 1 3 5 1 ， 既 不会带来附 加损耗， 同时可得到稳定的窄线宽 激光输出， 且波长调谐方便。 也有文献 1 .3 6 - 1 .3 7 1 报道了通过在普通光纤激光器上利用多模光纤光栅，通过调节偏振控制器也能 实现多波长可转换输出，不过此种方法由于光纤不匹配会导致很大的损耗。文 献 1 .3 8 - 1 .3 9 1 利用不同方法在普通光纤上得到了 可调谐多波长输出。 第一章 绪 论 第三节 调q光纤激光器的发展现状 超短光脉冲的产生是实现 o t d m/ wd m 技术的关键技术，同时也是非线性 光学、瞬态光学等研究方向的前沿课题，利用光纤激光器输出超短脉冲激光是 人们一直在努力的研究热点。而利用包层泵浦技术可以得到高能量的短脉冲激 光输出，具有非常重要的应用价值。在激光器中获得短脉冲输出一般利用两种 方式调q和锁模。 主动调 q方式是人们沿用了 一般固体激光器的方法， 在腔内插入声光或电 光调制元件，利用这些方法可以获得数十 n s量级的脉冲输出。1 9 9 9年， h .l . o ff e r h a u s等人报道了 利用声光调制器在掺 w + 双包层光纤激光器实现了 1 0 0 n s 的 激光脉冲输出， 重复 频率为5 0 0 h z ， 平均输出 功率5 w 1 .4 0 1 0 2 0 0 1 年， c . c .r e n a u d 等人利用声光调制器在双包层掺y b 光纤激光器中实现了2 5 0 n s 脉冲 输出， 重复频率5 0 0 h z ， 脉冲能量为7 . 7 m j 1 .4 1 1 o 2 0 0 2 年m .l a r o c h e 等人利用c o t + :z n s 晶体作为可饱和吸收体实现了 脉冲宽度3 . 5 n s ，峰值功率1 0 k w的e r - y b 共 掺双包 层光纤 激光 器p a t 。 而 在 双 包 层被动调q激光 器中 ， 除了 采用传统的可 饱和吸收体调q方式外， 最近又出 现了一种新的调q方式，即利用高功率激光 在光纤中 产生的后向 布里 渊散 射在进行自 调q . s .v. c h r e n l c o v 等人 1 .1 3 报道的这 种调q激光器采用掺yb3 十 双包层光纤作为增益介质， 在后 面接了 一段合适长度 的单模光纤，由于双包层光纤激光器的输出功率较大，当超过一定限值时，会 在单模光纤中产生受激布里渊散射 ( s b s ) ，进而以s b s 驰豫振荡的形式提供给 激光腔一个强反馈， 相当 于 腔的q值在瞬间增大了 几个数 量级， 从而产生雪崩 振荡， 输出巨脉冲。 产生脉冲的宽度最窄可到2 n s ， 重复频率在k h z 量级。 2 0 0 3 年南开大学利用这一技术 在掺y b 十 双包层光纤中 产生了 峰 值功率为1 0 5 k w的激 光脉冲 1 .4 3 。 但是 这种技术利 用自 身的非线性效应来进行调q ， 产生的脉冲的 并 不稳定，是一种不可靠的 调q方式， 后来有人对这一技术 进行了 改进， 在腔中 加 入了 一个声一光调 制器( a o m) 共同 作用， 得到了 较稳定的 输出 1 -4 4 ， 其实验 光路图如图1 .4 所示。 第一章 绪 论 声光调 .今 4 输出2 轴出 1反射镜 图1 .4声 光调 制b ri l l o u in 散 射混 合调q 双 包 层光 纤 激 光器 1 a 4 1 2 0 0 3 年安徽科技大学王安廷等人利用光纤马赫一曾特千涉仪实现了全光纤化调 q 激光 器， 得到 峰 值 功率 3 .4 w、 平均功 率 1 . 8 m w、 重复 频 率 8 0 0 h z 、 脉宽0 .5 p s 的脉 冲输出 a 1 ; 2 0 0 4 年 a . p i p e r 等人利用声 光调 q 得 到 脉 冲能 量1 .2 m j ， 脉宽 4 0 m . 重复 频 率l o k h z 的 光 纤 激 光 器1 4 6 1 . 2 0 0 4 年 南开 大 学 樊 亚 仙 等 人利 用混 合 调 q 得 到平均功率1 . 0 7 w脉冲能量1 .5 7 m j 峰值功率1 7 5 k w、脉宽4 .2 n s 重复频率6 5 0 h z 的 光纤激光器 1- 4 7 1 o 2 0 0 5 年 清华大学叶昌 庚等人利用主 振荡 功率放大 ( m o p a ) 方 法得到峰值功率1 6 7 k w、 脉宽 0 . 8 3 n s 、 重复频率 2 0 0 h z 的 激光输出 1 .4 8 1 第四节 光纤光栅在光纤激光器中的应用及意义 1 . 4 9 - 1 . 5 0 光纤光栅是一种无源光纤器件，特征是光纤纤芯的折射率沿轴向形成周期 性的分布，可以在较窄的特定谱线上产生很强的光反射。光纤光栅具有制作简 单、插入损耗小、使用灵活、易于同光纤系统集成等诸多优点，所以它在光纤 通信、光传感和光信息处理等领域有着较为广阔的应用前景。尤其是它稳定准 确的选频特性和易于集成的特点，使得全光纤一维光子集成成为可能，从而在 促进光子学乃至信息科学的发展中显示出越来越重要的作用。目前光纤光栅己 经在多个领域得到广泛应用，如光纤激光器、光纤滤波器、光纤光栅传感器、 光纤波分复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器以 及半导体激光器的辅助选频 等。在2 0世纪9 0 年代光子晶体概念出现以后， 光纤光栅也可以 看作是一种一 维的光子晶体，利用光子晶体的理论对光纤光栅进行分析也是目前国际上的一 个研究热点。 光纤光栅对于光纤激光器腔型的改进具有非常重要的意义。在光纤光栅出 现以前，光纤激光器采用二向色镜作为腔镜，结构调节困难，稳定性差，而且 成本也高，对于光纤激光器的应用非常不利。而光纤光栅由于跟光纤本身的兼 第一章 绪 论 容性，可以直接与掺杂光纤相熔接，从而可以构成全光纤化的激光器，从而在 结构上非常稳定、紧凑，一旦完成后不需要特殊的调节。并且光纤光栅可以具 有非常窄的反射谱，从而更有利于激光器的窄线宽输出。通过对光纤光栅的应 力、温度调节，改变光纤光栅的周期，可以方便地对光纤激光器进行调谐。 双包层光纤内包层的尺寸较普通光纤来说要大的多，而且内包层形状不规 则，跟普通光纤光栅的对接非常困难。初期的双包层光纤激光器普遍采用二向 色镜作为腔镜，在结构上、性能上都大受影响。 这样，能不能制作出特殊的光 纤光栅，方便地同双包层光纤相熔接，构成激光器的腔镜，就具有非常重要的 意义，也是现阶段双包层光纤激光器急需解决的关键问 题。 第五节 本文主要内容及创新点 本论文所涉及的研究工作主要是在国家科技部 9 7 3计划 “ 基于微结构光纤 的光电子功能器件的 创新与基础研究” ( 项目 号: 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 6 )支持下完成 的. 本论文主要内容如下: 1 .分析了环形腔结构特点，采用环形腔结构及利用光纤环镜，偏振控制器 以 及光纤光栅的 共同 作用实 现了 窄线宽 近频率的 双波 长掺e r ; + 光纤激光器， 通过 调节偏振控制器可以实现双波长中的单波长振荡切换，从而实现了在室温下可 以稳定工作单双波长可切换的光纤激光器， 波长间隔0 .0 7 n m、单波长线宽为 0 . 0 4 n m 2 .双包层光纤光栅的写制与应用研究。总结了大模面积双包层光纤写制光 栅的方法;在多模掺镜双包层光纤上，利用相位掩模法直接写制b r a g g 光栅作为 激光器后腔镜，得到多波长激光输出。通过调节偏振控制器可以室温下得到稳 定的单波长及多波长的 激光输出， 输出波长范围 在1 0 5 6 m m - 1 0 6 1 nn ，线宽均 小于0 . 0 2 n m。在2 5 w的 9 7 6 a m 激光泵浦下，激光器输出功率为6 w。这是首次 利用多模光纤光栅在大模面积双包层光纤激光器上得到可转换多波长激光输出 3 .利用中国电子科技集团公司第4 6 研究所拉制的内包层为d 型掺镜光纤以 及可饱和吸收体g a a s ， 得到了高功率被动调q 光纤激光器， 脉宽为5 8 0 n s ，输出 功率7 .2 w、重复频率7 7 k h z 、单脉冲能量9 3 . 5 闪、峰值功率1 6 0 w。研究了脉冲 重复频率与泵浦功率的变化关系，分析了影响脉冲宽度的因素。 第一章 绪 论 4 .对双包层光纤激光器自 组织相干合成进行了初步研究，总结了相千合成 的基本理论和实验方法:对今后高功率光纤激光器相干合成实验积累了经验 第二章 线形腔双包层掺镶光纤激光器的实验研究 第二章 线形腔双包层掺镜光纤激光器的实验研究 第一节 线形腔输出特性 线形腔是光纤激光器主要采用的腔结构， 其输出特性一直是人们 研究的重点， 下面以掺镜光纤为例， 从镜离子的能级结构和速率方程 2 .1 -2 .4 1来分析线 形 腔 光纤 激光 器的 输出 特性。 用于光纤激光器 研究的 掺杂 稀土离子有很多种， 如e r a 十 、 尸干 、 h 0 3 + , t m 3 + , n d 3 + 和y b 3 + 等，由 于具有不同的激射波长而各有重要的 应用。 y b 原子是元素周 期表中 的 钥系元 素， 属 稀 土 元 素，电 子结 构为眯 e 6 s 2 4 产, y b 3 十 的电 子结 构为 x e 4 t 4 3 ， 剩余的4 f 电 子 受 到5 s , 5 p 形成 的 满壳 层的 屏 蔽 作 用， 使 得4 f - 4 f 跃 迁的光谱特性不易受到宿主玻璃外场的影响，激光线型极其尖锐。 与其它稀土离 子相比， ,n3 + 能级结构相对比 较简单， 如图2 . 1 a 所示， 只包 含两个多重态展开的 能级2 f v 2 和2 f 7 /2 = c m : 二 二 二 1 1 0 0 0 1 0 3 0 0 900650。 一一一 厂嘴l 2 f 7 rz 图2 . 1 y b 3 + 的能 级结 构图 光纤激光器的 有源介质一般采用石英玻璃作基质材料， 当 掺入y b 3 + 离子后， 由 于基 质材料中晶 格电 场作用， 引 起y b 3 十 能级的s t a r k 分裂， 上激发态毕 。展 成3 个s t a r k 子能 级， 基态2 f 7 rz 则 含有4 个s t a r k 子能 级， 如图2 . 1 b 所示。 这些 分裂能级之间由于声子的产生和湮灭引起能量交换，导致这些能级的均匀或非 均匀展宽，使得s t a r k 子能级的分裂不能完全分辩。 由 于 y b 3 十 具有这种简单的能级结构，使得在泵浦波长处和信号波长处均不 存在激发态吸收。激发态吸收是上能级电子吸收泵浦光子向更高能级跃迁的一 种物理过程， 是一种能 量的 无效消 耗， 不利于激光的产生 和放大。 同时由 于2 f s 2 第二章 线形腔双包层掺镶光纤激光器的实 验研究 和2 f 7 n 间 存在大的能 级间隔( 约1 0 0 0 0 c m 1 ) ， 也限 制了 原 子间 交叉 驰豫引 起的 能量上转换过程，以 及由多光子非辐射驰豫导致的浓度淬灭。正是由于 y b 3 十 离 子的能级结构和光谱特性使掺y b 3 十 光纤激光器具有很高的转换效率。 在室温下并非所有 ,3 + 能级都参与跃迁，与短波长区域辐射对应的能级为 a - d - e ，简化为三能级系统;与长波长区域辐射对应的能级为 a - b - d - e ，简化为准 四能级系统。四能级系统与三能级系统实现粒子数反转的途径基本相同。不同 的是， 在四能级系统中， 激光下能级e l 不是基态， 在热平衡状态下e , 上的粒子 数很少， 容易实现瓦与e l 两个能级之间的 粒子数反转。 而三能级系统中， 下能 级 e , 是基态，通常情况下，粒子几乎全部处于基态。必须将一半以 上的粒子激 发到高能级时才能实现粒子数反转，这就需要较高的泵浦功率。所以，三能级 系统的激光闽值远高于四能级系统。对于高功率双包层激光器，主要涉及 yb3 + 离子的长波辐射，因此这里仅讨论准四能级系统模型。 e 3 t犯 o lp 口 .! 口 “ t 3 01 2 1 1 1 t ， 。 一e o - 图2 .2 y b 3 的 准四能 级结构 可1“ j j e o 如图2 . 2 所示， 四能级系统泵浦过程中将基态e p 的粒子泵浦到激发态e 3 ( 又 叫泵浦态) ，激发到 e 3 的粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳态能级 e 2 ，由 于 粒子在e 2 能级上的寿命较长， 产生积累， 实现与激光下能 级e , 之间的粒子数反 转， 所以几又叫 激光上能 级， e , 对应于y b 3 子能级b ， 室 温下其粒子数分布只 占整个基态粒子数的4 %0 在只考虑自 发辐射的条件下，四能级系统的粒子速率方程为(2 .5 -2 . 叹 .l)2) (2(2(2(2 d n 3d t 一 o(n oa ， 一 n 3a ,p)一 _n 3t3 华 = i, 帆 。 。 + n , 一 助. ) 一 生十 生 ul t 2 t 3 争一 ls(w 吐 一 n 2a )一 n , + n 2 + n 3t, 121 t31 n t = n o + n , + n 2 + n 3 第二章 线形腔双包层掺锥光纤激光器的实验研究 其中t 2 , t 3 分别为亚 稳态能 级和泵浦能级的净驰豫时间，由 下式表示 i i i i _=-+， t x t 2 0 t 2 1 t 3 i i i = _+ t 加t 3 1 t 3 2 口 一 6 .p q au .p ) 分 别 表 示 激 光 和 泵 浦 光的 发 射 能 级对 激光 波 长 的 吸 收 截 面。 i , , i p 分别为 激光、 ( 2 . 5 ) ( 吸 收) 截面，6 a , 为 激光下 泵 浦 光的 光强，、 表明 从能 级i 到能级j 辐射驰豫和非辐射驰豫时间。吸收和发射截面以 及驰豫时间与离子 掺杂情况有关，在不同的 基质材料中有不同的大小。 由速率方程可以得出激光的输出功率为 p 0 0 = ( i - r 1 ) i = ,7 , ( p .- p . ) ( 2 .6 ) ( 2 .6 )式说明激光输出功率与吸收泵浦功率成线性关系。 其中， n . 是斜率效率 _ 卜凡a , a _l a , ( 2 . 7 ) r 1 后腔镜反射率， p a 腔内 功率，p u b s 吸收的泵浦功率， p an 为阂值功率;a p 和 a 。 分别为泵浦光吸收因子和信号光吸收因子，a , 腔内吸收因子，l为腔长， v v p 分别为信号光 和泵光 频率。 线形腔是最常见的一种谐振腔，它的结构示意图如图2 . 3 所示，是由放置在 增益介质两端的一对相互平行的高反射率腔镜形成的。 . 目 令 卜一今今今今州 一 p u m p mi edf m - o u t p u t 图 2 . 3线形腔光纤激光器结构示意图 线形腔的 输出 特性 受 各 种因 素的 影响12 .7 , 2 a . 增益光纤长度对激光输出特性的影响 增益光纤长度对于双包层光纤激光器的设计是一项很重要的因素，光纤长 度的选择主要与光纤的掺杂浓度、激射波长、光纤对激光的损耗和泵浦光功率 等因素有关。光纤长度过短，泵浦光不能够被完全吸收利用，降低激光器的转 换效率同时有大量的泵光与激光一起混合输出使激光频率不纯:而过长的光纤 长度会导致对激光的二次吸收，引起激光的损耗从而使输出功率下降。对于每 一个确定的激光系统，增益光纤的长度都有一个最佳值，实验设计时应充分考 第二章 线形腔双包层掺镶光纤激光器的实验研究 虑各种条件加以选择。一般来讲，泵浦功率越大，对于的最佳光纤长度就越长。 腔镜反射率对激光输出功率的影响 在线形谐振腔系统中，前后腔镜的反射率对激光器的输出特性特别是输出 功率具有非常大的影响。一般来说，作为前腔镜的二向 色镜对激光的反射率应 尽可能高，可以采用全反镜，对泵光高透，透过率在 9 0 %以上。而后腔镜的反 射率则要根据系统参数进行精心的选择，只有合适的后腔镜才能使输出功率达 到最优，对于一般的系统，尤其是高功率光纤激光器，后腔镜反射率的最佳值 一般都不高，也有直接利用光纤端面4 %的菲涅尔反射作为输出。 掺杂浓度对激光输出特性影响 对于掺镜光纤， 由 于w + 的能级特点， 使 掺yb3 + 光纤 不会产生激发态吸 收 和浓度淬灭，因此掺 yb3 十 光纤可以具有很高的掺杂浓度， 在提高输出功率的同 时而不产生负面影响。一般来说，yb3 十 掺杂浓度越高， 激光器越容易实现高功 率输出。但是对于一个特定的激光系统，掺杂浓度并不是越高越好。对于泵浦 功率跟光纤长度一定时， yb3 + 的掺杂浓度也有一 个最优 值。 掺杂浓度越高， 最 佳光纤长度越短，能够达到的最高输出功率也越高。对于掺饵光纤，掺饵浓度 过高会产生浓度淬灭而使输出功率突然降低，因此通常采用饵德共掺光纤， 通 过镜离子吸收泵光然后转移到饵离子能级上，来提高1 5 5 0 n m激光的功率输出 激光闭值与腔镜反射率的关系 激光阐值是激光腔内的增益与损耗达到平衡时的泵浦功率，因此激光器的 阐值与腔镜的反射率密切相关，当后腔镜反射率一定的情况下，随着前腔镜的 反射率的增大，阐值功率降低;同样当前腔镜反射率一定的情况下，随着后腔 镜的反射率的增大，闽值功率降低。这是因为腔镜反射率增大意味着激光器损 耗的降低，因此激光阂值会相应的降低。 第二节 掺键光纤激光器的实验研究 2 . 2 . 1 双包层光纤的结构特性和泵浦藕合方式 ( 1 )双包层光纤的结构特性 双包层光纤的结构如图2 .4 所示， 光纤由纤芯、内 包层、外包层和保护层组 成。纤芯中掺杂稀土元素作为激光介质，为保证输出激光是基横模，纤芯的尺 寸根据激射波长设计。有时为了追求更大的输出功率也将光纤设计为具有较大 第二章 线形腔双包层掺镶光纤傲光器的实验研究 激光尽可能多地祸合到双包层光纤的内包层中。泵浦激光经过透镜的会聚后， 焦点上光斑的大小和数值孔径都要与双包层光纤内包层的参数相匹配。 实验所用的光纤为中国电子科技集团公司第46研究所拉制的内包层为d型 掺德光纤， 内 包 层 直 径为400 阿， 弦边为2 60阿， 纤芯直径为30脚 ， 纤芯 数 值孔径为0. 07， 光 纤 长度为 3m ， yb 离 子掺杂 浓度为4 000pp m( 重量比) . 首 先光纤激光器直接利用光纤端面输出，光纤端面切为垂直面，利用端面的菲涅 耳反射形成反馈。 观察激光谱图，发现有多个波长起振，并相互竞争，光谱始 终不能稳定，图2. n为激光器此时输出谱图。为了改善这种现象，我们在光纤 输出端安置一个后腔镜，后腔镜的参数为对信号激光 ( 1 060 n m)附近波段透过 率90.2 % ， 对泵浦激光波长 ( 9 76inn ) 范围反射率9 6 %以上，对激光构成较强反 馈，结果输出光谱大为改善，虽然在高功率时仍然得不到单波长输出，但是光 谱较为稳定， 模式竞争效应被大大抑制。 此时激光器输出光谱如图 2 . 12，两图 对比可以看出，激光光谱的形状更为规则，谱宽变窄，而且泵浦光的利用效率 也得到较明显的提高。 . 衬 一 丁 : ，二 1 下 ， ， . 叼加 . ， . “:， . 钊 _ “ 卜 一一气 一一一 1 肠二口 . d忍 卜. . .目.已 t 与 图2. n 光纤端面直接输出光谱图图2 .l 2后腔镜选频输出光谱 为了进一步改善光谱质量我们利用相位掩模法直接在掺镜双包层光纤上写 制了b ra g g 光栅作为 激光器的后腔镜。实验装置如图2 . 13所示: y b 刁 。 伴d doubl o cl ad五 吮r 图 2 . 13. 双包层掺镜光纤滋光器 第二章 线形腔双包层掺镜光纤激光器的实验研究 由于光纤直径很大，普通的光栅写制方法难以写入纤芯，因此把脉冲能量 适当加大，提高重复频率，同时增加曝光时间和次数可以得到较好的写制效果， 光栅写制参数为:准分子k r f 激光波长2 4 8 n m、光纤模板对应波长1 0 6 0 n m, 曝 光次数 1 0 0 0 0 次、脉冲能量7 0 m j 、重复频率 1 h z 。实验测得光栅反