（光学专业论文）掺镱双包层光纤激光器的理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 自从2 0 世纪8 0 年代后期以来，由于包层泵浦技术重大的进展，光纤激光器的研究 取得了前所未有的突破，并以优异的性能和广泛的应用前景成为国际光电子行业的热门 课题掺镱( y b l 光纤激光器由于能级结构简单无激发态吸收，增益谱宽易于调谐 等优点而受到了极大的关注，并广泛应用于光通讯，航空航天、传感、测量以及工业加 ， 工等领域 本文从理论和实验两方面对掺y b 3 + 双包层光纤激光器进行了深入的研究主要内 容如下： 对掺尹双包层光纤激光器的历史，国内外进展和主要应用作了简要综述 依据稀土离子的吸收、发射特性，以及固体激光泵浦原理，从速率方程和传输方程 出发，建立掺镱双包层光纤激光器的理论模型，获得了激光器泵浦阈值功率、输出光功 率和斜率效率的解析表达式。分析了光纤长度，腔镜反射率、泵浦方式，泵浦波长和激 射波长等因素对激光器输出特性的影响，为双包层光纤激光器的优化设计提供了理论依 据。 建立了端面泵浦掺y b 3 + 双包层光纤激光器的实验系统。对掺y b 3 + 双包层光纤激光 器的关键技术进行探索，掌握了将泵浦光高效耦合进双包层光纤的关键技术使用研磨 盘对光纤端面加工获得优良的光学端面，并根据光纤及l d 参数，设计透镜耦合系统， l d 到双包层光纤的耦合效率达到3 3 ，选用梅花形内包层的掺y b 3 + 双包层光纤，在 6 3 5 w 泵浦功率下，激光输出功率达到4 7 5 w ，斜效率为7 6 4 。 通过降低前腔镜的反射率，调节光纤端面与前腔镜的距离形成f a b r y - p e r o t 滤波器， 实现了双包层光纤激光器的窄线宽输出。当l d 电流为2 5 a 时，输出功率达到1 3 4 w ， 斜效率为2 5 。 关e t # 3 ：光纤激光器；掺y b 3 + 双包层光纤；端面泵浦；梅花形内包层 摘要 a b s t r a c t p r o m i n e n ti m p r o v e m e n th a sb e e na c h i e v e di nh i g hp o w e rf i b e rl a s e r sw i t l lt h eb r e a k t h r o u g ho fc l a d p u m p i n gt e c h n i q u es i n c et h el a s tp 耐o do f1 9 8 0 s a n df i b e rl a s f f t h a sb e c o m eaf o c u so fc o n c e l - ni nt h e f i e l do f u p t o e l e c t r o n i c sw o r l d w i d ef o rt h e i re x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n da b r o a do f a p p l i c a t i o n 1 n ，- d o p e d f i b e rl a s e rh a sb e e na t t r a c t e dg r e a t l yb e c a u s eo fs i m p l ee n e l l g ys t r u c t u r e ，n oe x c i t e ds t a t ea b s o r p t i o n ，a n d w i d ct u n a b l er a n g e , a n dw i d e l yu s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h t , s e n s i n g , m e a s u r i n ga n di n d u s t r i a lf a b r i c a t i o nf o rt h e i rc o m p a c ts 舡u c t u r e s i nt h i sp a p e r , y 旷- d o p e dd o u b l ec l a df i b e rl a s e ri ss t u d i e di nt h e o r ya n de x p e r i m e n lt h em a i n s u b j e c t sa l el i s ta sf o l l o w s ： b r i e f r e v i e wo f t h eh i s t o r y , d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f y b ”- d o p e dd o u b l ec l a df i b e rl a s e r sa i n t r o d u c e d b a s e do l lr a t ee q u a t i o n sa n dt r a n s m i s s i o ne q u a t i o n s t h et h e o r ym o d e lo fl i n e a rc a v i t y ，- d o p e d d o u b l ec l a df i b e rl a s e r si sd e v e l o p e d t h ee f f e c t so ff i b e rl e n g t h ，l o s se n dr e f l e c t i v i t yo f b o t ht h ef r o n ta n d b a c kc a v i t ym l i m r so ft h ed o u b l e - c l a dy d f l0 1 1l a s e ro u t p u tp o w e r , t h r e s h o l dp u m pp o w e r , s l o p e e f f i c i e n c ya n do u t p u tw a v e l e n g t h 批d i s c u s s e d t h er e s u l t sp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rd e s i g na n d f a b r i c a t i o no f f i b e rl a s e f e x p e r i m e n t a ls t u d yo fy 旷- d o p e dd o u b l ec l a df i b e rl a s e r sw i t hf a b r y - p e r o tl a s e rc a v i t yw a s p r e s e n t e d ：t h ee n do ft h ed o u b l e - c l a df i b e rw a sp o l i s h e db yal a p p i n gp l a t ea n de x c e l l e n to p t i c a ls u r f a c e w a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ep e r a m e t e r so fd o u b l e - c l a df i b e ra n dl dp u m p 翻m h c c - w ed e v e l o p e da p u m pc o u p l i n gs y s t e mm a d eu po fl e n s e s ，a n dt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yw a su pt o3 3 t h es i n g l e n m v m o d ed o u b l ec l a df i b e rl a s e rw i t ho u t p u tp o w e ro f4 7 5 wa n ds l o p ee f f i c i e n c yo f7 6 i s a c h i e v e da t6 3 5 wp u m pp o w e r b yd e c r e a s i n gt h er e f l e c t i v i t yo f i n p u tm i r r o ra n ds e p a r a t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h em i r r o ra n df i b e r e n d , af a b r y - p e r o tf i l t e ri sf o r m e d an o v e lu t o wl i n e w i d t hf i b e rl a s e r 、衍l h1 3 4wo u t p u tp o w e ra n d 2 5 s l o p ee f f i c i e n c yi so b t a i n e db ya d j u s t i n gt h ef i l t e r k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r ；, y b 3 + - d o p e dd o u b l ec l a df i b e c , e n d - p u m p e d ；c i n q u e f o i l s h a p e c l a d d i n g h 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 光纤激光器自从诞生以来，以其高效率、窄线宽、可调谐、体积小等优点受到普遍 关注。双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高 功率的光放大器的制作成为现实。自1 9 8 8 年e s n i t z e r 首次描述包层泵浦光纤激光器以 来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率 光纤激光器首选途径。现在常说的光纤激光器一般指的是掺稀土元素的光纤激光器，根 据掺杂离子的不同，包括y b ”、e ，、n d 3 + 、h 0 3 + 、t m 3 + 等不同掺杂离子的光纤激光 器。 与同等功率水平的其他激光系统相比，双包层光纤激光器无论在效率、体积、冷却 和光束质量等方面，均占有明显的优势【l 】。主要特点为： ( 1 ) 输出激光光束质量好。在光束质量方面，双包层光纤激光器的输出光束质量 由光纤纤芯的波导结构( 纤芯直径d 和数值孔径n a ) 决定，不会因热变形而变化，因 此易于实现高光束质量的激光输出。 ( 2 ) 散热特性非常好。固体激光器实现高功率激光输出的主要困难在于激光介质 的热效应引起光束质量及效率下降，为了有效散热需要专门的技术和系统对固体激光介 质进行冷却。而双包层光纤激光系统是采用细长的掺杂光纤本身作为增益介质，表面积 体积比很大( 至少是固体激光介质的1 0 0 0 倍以上) ，因此散热性能非常好。 ( 3 ) 易于实现高效率和高功率，对于掺镱双包层光纤激光来说，泵浦波长9 7 5 n m 和激光波长1 1 岬1 非常接近，量子亏损小( 9 0 ) 导致高效率，双包层结构则使得多模高 功率泵浦光可以高效耦合入内包层；目前掺镱光纤激光的效率可达7 0 以上，总体电光 效率超过2 0 。 ( 4 ) 器件结构简单，体积小巧，使用灵活方便。双包层光纤激光器由于采用柔软 的掺杂光纤本身作为激光介质，泵浦源也是采用体积小巧易于模块化的高功率半导体激 光器，因此稳定性好，使用灵活方便。 正是由于掺镱双包层光纤激光在效率、散热、光束质量等方面的明显优势， 已经 引起人们的广泛关注，成为目前国际上激光技术领域研究的热点之一。特别是近两年来， 单根光纤激光器的输出功率快速提升。同时，根据l a s e rf o u c sw o r l d 的市场分析，国际 第一章概述 上光纤激光占整个激光市场的份额也以很快的速度发展，预计2 0 0 7 年将达到2 0 ，其 中在激光材料处理的应用中将达到2 4 ，在激光的空问和军事应用中将会达到5 9 i 甜。 1 2 掺镱光纤激光器的研究进展 1 2 1 光纤激光器的历史背景 早在1 9 6 1 年s n i t z e r 就发现掺钕( n d ) 玻璃波导中的激光辐射，只比m a i m a n 的红宝石激 光器晚了1 年f 3 】1 9 6 3 和1 9 6 4 年s l l i t z 盯和k o e s t e r 分别发表了多组分玻璃光纤中的光放大结 果，提出了光纤激光器的概念。光纤通信中遇到的光纤中光衰减等问题促进了光纤技术 的发展，1 9 7 0 年美国康宁公司开发出了衰减小于2 0 d b k m 的光纤 4 1 。随着光纤技术和半 导体激光器的发展，第一台使用半导体泵浦的光纤激光器终于在1 9 7 3 年研制成功i s l 。随 后1 9 7 5 年到1 9 8 5 年的十年中，许多发展光纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟，为光纤 激光器的研制打下了基础。特别是8 0 年代后期，美国麻省宝丽来公司( p o l a d o dc o m p a n y ) 的h p o 和e s n i t z c r 等人提出了以双包层光纤为基础的包层泵浦技术，使得掺杂光纤的吸 收效率有了显著的提高，在十几米甚至更远距离内吸收效率达到9 0 以上【6 】，改变了光 纤激光器只能作为小功率光子器件的历史，为瓦级甚至更高功率的单模光纤激光器的实 现提供了坚实的基础。早期的研究大都将注意力集中在掺钕双包层光纤激光器上【硎。 从2 0 世纪8 0 年代后期，y b ”掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光介质才开始受 到人们的重视。特别是掺y b 3 + 石英光纤激光器和放大器方面的研究取得了很多进展。长 期以来镱离子只是作为一种激光的激活离子，与其他稀土离子共同掺杂，并把吸收的泵 光能量传递给其他受主离子，如e ，、h o + 等，并没有用其作为主要的工作离子来产生 激光d o - 1 1 1 。到1 9 9 4 年，h m p a s k 等人首先在掺镱石英光纤中实现了包层泵浦，实验中 获得了波长为1 0 6 4 r i m 、o 5 w 的激光输出，斜率效率达到8 0 【埘。正是由于掺坩双包 层光纤激光器比掺n 矿双包层光纤激光器具有更高的斜率效率，以及y b ”具有简单的能 级结构、宽的吸收带和大的发射截面，使人们的注意力开始转移到掺镱双包层光纤激光 器的研究。 1 2 2 国外掺镱光纤激光器的研究进展 在1 9 9 7 年的国际激光光电会议( c o n f e r e n c eo nl a s e r sa n de l e c t r o - o p t i c sc l e o ) 上， 美国p o l a r o i d 公司报道了一种掺镱双包层光纤激光器。实验中，用四个中心波长为9 1 6 r i m 2 第一章概述 的激光二极管做泵浦源，产生5 4 4 w 的功率泵浦掺镱双包层光纤，在11 0 0 n m 波长上获 得了3 5 5 w 的连续激光输出【1 3 】。在1 9 9 8 年的c l e o 会议上，l u c e n t 公司的s g k o s i n k i 和d 1 n n i s s 报道了一种内包层为星形的掺镱双包层光纤激光器，得到了2 0 w 的激光输 出【1 4 1 。1 9 9 9 年，vd o m i n i e 等人用掺y b 3 + 双包层光纤做增益介质，利用4 个4 5 w 的 l d 进行双端泵浦，采用f p 腔结构实现了输出功率为1 1 0 w 的光纤激光器【1 5 1 ，激射波 长为1 1 2 0 n m ，斜率效率为5 8 。2 0 0 2 年，美国口g 公司陆续研发了一系列波长为 1 0 5 0 n m - 1 1 2 0 n m 的高功率掺y b ”光纤激光器【1 6 1 ：输出功率分别为2 k w 、i o k w 。2 0 0 3 年，英国南安普敦大学的j o h a n n i l s s o n 等人报道了单根掺杂1 y 屯抖双包层光纤获得2 7 2 w 、 波长1 0 8 0 n m 的单模激光输出，同年在6 月研发出在1 0 8 0 n m 输出6 0 0 w t 1 的高功率光 纤激光器。日本电子通讯大学激光研究所的k u e d a 等人借助于双包层光纤激光器包层 泵浦的思想，提出并实现了一种光纤集中抽运的所谓“任意形状”光纤激光器，并已获 得1 k w 以上的连续激光输出。2 0 0 4 年初的p h o t o n i e sw e s t 会议上，英国的s p i 报道了 l k w 的光纤激光器，引起了轰动。同年英国南安普敦大学的yj e o n g 等人在纤芯直径为 4 3 1 u n 的掺y b ”双包层光纤中，通过双端泵浦，得到了波长为1 0 9 0 n m ，功率为6 1 0 w ， 斜率效率为8 2 的激光输出【埔】。随后，他们又报道了单横模连续输出功率为1 3 6 k w ， 波长为1 1 0 0 n m 斜率效率为8 3 的掺y b 3 + 双包层光纤激光器【嘲，并保持着单模光纤激光 器最高输出的纪录。德国的口g 公司已将光纤激光器产品化，2 0 0 2 年5 月推出一台 2 0 0 0 w 的光纤激光器，提供给德国的一家公司用于激光焊接，该激光器的中心波长为 1 0 8 0 n m ，光斑直径为5 0 微米，光束质量因子为1 5 m m x m r a d ，优于相同功率水平的 n d ：y a g 激光器4 倍左右。2 0 0 3 年初，i p g 公司推出一台6 0 0 0 w 的光纤激光器1 2 0 。美 国i p g 公司已于2 0 0 4 年8 月在德国罗斯托克建成1 0 k w 掺y b 双包层光纤激光器，该 激光器输出光束质量为1 1 5 m m m r a d ，输出功率1 k w i o k w 连续可调，最大功率密度 3 0 i v f w e m 2 ，输出尾纤直径2 0 0 1 a m1 2 ”。而i p g 公司最新推出了最高可输出5 0 k w 的连 续可调掺y b ”双包层光纤激光系统，中心波长1 0 7 0 n m 1 0 8 0 n m ，电光转换效率大于2 5 圈。而近年来光子晶体光纤激光器有了长足的发展，2 0 0 5 年德国j e n a 研究所利用单根 双包层p c f 实现了1 5 3k w 的激光输出】，激光光束质量 n 2 1 1 3 。外包层是由折射 1 3 第二章掺y b 3 + 双包层光纤激光器基本特性的研究 率比内包层小的聚合物材料构成，这样在内包层和外包层之间形成了一个大截面、大数 值孔径的光波导结构，它可以允许大数值孔径、大截面和多模的高功率泵光耦合到光纤 中。最外层是保护层起保护光纤的作用1 6 2 j 。 早期大多数包层泵浦光纤激光器中使用的双包层光纤都是圆对称形的，它具有以下 优点：一是不需要对预制棒做光学机械加工，从而使工艺相对简单，二是当泵浦源为带 尾纤输出的半导体激光器l d 时，尾纤与双包层光纤的圆形内包层之间的形状匹配易于 耦合连接。但是这种光纤也有一个显著的缺点：圆对称特性会使内包层中大量的泵浦光 成为螺旋光，在传输的过程中不经过掺杂稀土元素的纤芯，从而大大降低了纤芯对泵浦 光的利用效率。为了克服这个缺陷，人们设计了各种新型的内包层截面形状。另外，随 着大功率双包层光纤激光器的发展，连续的激光输出己达千瓦量级，此时单个l d 作为 泵源其功率显然是太小了，人们改进了泵浦方式。在各种改进的泵浦方案中，有的采用 双包层光纤直接与半导体激光器的发光面或阵列耦合，有的与集成束状的尾纤耦合，因 此对双包层光纤的内包层形状就有了特殊的要求。为了提高对泵光的利用效率，并考虑 到与具体的泵源形式相匹配，近几年来人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光 纤，用于各种包层泵浦光纤激光器的研制工作中，并取得了很好的效果。图2 6 给出几 种己见报导的双包层光纤截面形状图，其中包括同心圆形、偏心圆形、d 形、方形( 矩 形) 、梅花形等等。 d 同心圆形b 信心固形e ，方形d 矩形 e d 形tf 梅花形 图2 6 双包层光纤不同内包层形状示意图 泵浦光在不同形状的内包层中传输时，纤芯对泵浦光的吸收率不同，从而影响着激 光腔的光光转换效率。一般认为，矩形双包层光纤具有较大的吸收率，理论上可达到 1 0 0 的吸收。圆形的双包层光纤的吸收效率最小，光纤的曲率对吸收效率的影响也很 大，而对矩形双包层光纤，光纤的曲率对吸收率的影响非常小。另外，内包层尺寸对泵 浦光藕合效率也有影响。一般来说，圆形内包层由于截面面积较同等条件下拉制的其他 形状内包层要大的多，其耦合效率相对较高【6 3 阔。 1 4 第二章掺y b 3 + 双包层光纤激光器基本特性的研究 2 3 2 包层泵浦技术 普通光纤激光器的泵浦方式是将泵浦光直接导入光纤纤芯，为保证单模运转，普通 光纤的纤芯的尺寸非常小，多为1 0 p m 左右，把大功率的泵浦光通过端面耦合的方式导 入光纤十分困难。对于双包层光纤，泵浦光进入内包层，在内包层中内反射并多次穿越 纤芯被掺杂离子吸收。一方面，由于内包层的折射率小于纤芯，可保证激光振荡在单模 纤芯中，使输出的激光模式好、光束质量高。另一方面，由于内包层的结构尺寸较普通 光纤的纤芯大得多，可达到几百微米，降低了耦合得难度，可把更大功率的泵浦光导入 光纤。这种结构的光纤不要求泵浦光是单模激光，而且可对光纤的全长度泵浦，因此可 选用大功率的多模激光二极管阵列作泵浦源，可将约7 0 以上的泵浦能量间接地耦合到 纤芯内【嘲，提高了泵浦效率。用包层泵浦光纤激光器也就成为产生高功率连续辐射的有 效手段。美国宝丽来公司和鲁申特公司的研究者们，用双包层石英光纤成功地研制出连 续运转在近红外波段的超高功率光纤激光器。vd o m i n i c ：等人在1 9 9 9 年将掺镱双包层 光纤激光器的输出功率提高到1 1 0 w 惭 。双包层光纤激光器内泵浦光的传输方式如下图 2 7 所示【明。 图2 7 泵浦光在光纤内传输的示意图 2 4 泵浦光耦合进入双包层光纤的方式 光纤激光器中，泵浦光耦合进入双包层光纤的效率是影响光纤激光器输出功率的关 键因素之一。以何种方式才能将泵浦光最大效率的耦合进双包层光纤是一直以来研究的 主要课题之一。双包层光纤激光器的泵浦源通常为带输出尾纤的大功率半导体激光器 r l d ) 或l d 阵列。泵浦光与光纤之间有多种耦合方式，主要分为两大类：端面泵浦和侧 面泵浦。 第二章掺y 旷双包层光纤激光器基本特性的研究 2 4 1 光纤端面泵浦耦合技术 双包层光纤激光器最简单和有效的泵浦耦合方式是端面泵浦，它包括：透镜组直接 耦合法，直接熔接法和锥形( t a p e r ) 光纤泵浦耦合方式。 1 透镜组直接耦合方式 bl 卜一 - l 双包层光纤 p t 彤l 透镜组耦合系统二色境 图2 8 光纤激光器透镜组端面泵浦耦合 透镜组直接耦合法，即泵浦光经透镜组耦合系统聚焦后通过二色镜直接入射到双包 层光纤的内包层端面，如图2 8 所示。这种方法要求透镜组的数值孔径和聚焦光斑大小 要与双包层光纤孔径匹配。这种技术最大的特点在于结构简单，易于实现，因此端泵浦 技术在包层泵浦技术发展的初期被前沿的研究者广泛采用，但采用这种耦合方式的光纤 激光器稳定性差且不易集成，所以商用光纤激光器一般不用。vd o m i n i c 等报道的1 1 0 w 掺镱双包层光纤激光器【删以及yj e o n g 等报道的6 1 0 w 包层泵浦大芯径掺镱光纤激光器 【叫都是采用了这种泵浦耦合方式。 2 直接熔接方式 图2 9 光纤激光器端面熔接泵浦耦合 直接熔接用于泵浦以光纤布拉格光栅作为腔镜的全光纤激光器。如图2 9 所示，把 带尾纤输出的大功率l d 的尾纤与双包层光纤的一段直接熔接在一起，在熔接处双包层 光纤的纤芯上刻录光纤光栅作为腔镜，另一端抛光，利用光纤端面的菲涅耳反射与光纤 光栅组成谐振腔。这种端面直接耦合的方式结构简单紧凑，并且不需要其他的辅助微调， 实现了激光器的全光纤化，缺点是尾纤与光纤的尺寸通常不同，直接熔接对准困难，附 1 6 第二章掺y b ”双包层光纤激光器基本特性的研究 加损耗较大。 3 锥形( t a p e r ) 光纤泵浦耦合方式 如图2 1 0 所示 7 0 l ，t a p e r 光纤耦合是一种改进的端面泵浦方式，它是通过锥形光纤 把泵浦光导入双包层光纤，泵浦光的尺寸通常都较光纤纤芯大几个数量级，锥导管耦合 方式就是利用锥管双端结构尺寸的不同，小尺寸的一端大小与光纤内包层相同，与光纤 熔接到一起。让泵浦光从较大尺寸端输入，由t a p e r 光纤自身的特性汇聚光束，从小尺 寸端导入光纤，最常见的t a p e r 光纤是圆锥状结构，但是锥导管的制作工艺比较复杂。 图2 1 0 锥形光纤耦合系统 端面泵浦方式工艺简单，是光纤激光器中最常用的一种泵浦方式，但耦合效率较低， 由于泵浦光只能通过双包层光纤的两个端面注入到双包层光纤中，光纤端面的面积有 限，所以限制了泵浦功率的提高。 2 4 2 双包层光纤侧面泵浦技术 侧面泵浦是使泵浦光从双包层光纤的侧面耦合进入其内包层，可以分为棱镜侧面耦 合、v 形槽侧向耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合和多模光纤熔 锥侧面泵浦耦合。侧面泵浦方式避免了在注入端加波长选择光元件( 如二色镜、波分复 用器等) ，从而可使掺杂光纤方便地直接和其他光纤熔接，并且可以用于行波腔结构， 理论耦合效率可达9 0 。但一些侧面泵浦方式对光纤的微机械加工工艺有很高的要求。 1 微棱镜侧面耦合 棱镜侧面祸合是在双包层光纤上开槽到内包层表面，然后用紫外固化光学胶将用纯 石英玻璃制成的微棱镜粘贴在内包层上，微棱镜宽度不能大于内包层的直径，泵浦光 通过微棱镜折射进入内包层，基本结构如图2 1 1 所示1 7 l 】。该结构可在双包层光纤上进 行多点泵浦，但受光学胶所承受的光功率的限制，单个微棱镜能耦合的泵浦功率不高， 且微棱镜尺寸太小，加工难度较大。实验得到光纤激光输出也仅仅只是毫瓦量级，对 1 7 第二章掺y b 3 + 双包层光纤激光器基本特性的研究 大功率光纤激光器不适用。 图2 1 l 微棱镜棱镜侧面耦合 2 v 形槽侧面耦合m , 7 3 1 纤芯 内电层 外包层 图2 1 2v 形槽侧面耦合结构 该方式是将双包层光纤的一段剥除涂敷层及外包层后，在内包层的一侧开一个v 形槽，槽的一个斜面用作反射面，也可将两个面都用于反射。泵浦光由半导体激光器经 微透镜耦合，使泵浦光在v 形槽的侧面汇聚，经过侧面反射后改变方向进入双包层光 纤内包层( 如图2 1 2 ) 。为了提高耦合效率，v 形槽侧面的面型要求能够对泵浦光全反， 此外还需在泵浦光入射的内包层一侧增加一层衬底，衬底材料的折射率应该与光纤内包 层折射率相近，并且可以加镀增透膜。这种耦合方式易于实现各种灵巧的激光腔结构， 便于实现多点阵列式泵浦及双向泵浦，以期获得更大的输出光功率。但这种技术要求高， 工艺复杂，在实现大功率泵浦时所用多v 形形槽泵浦结构复杂，不易实现，同时也存 在泵浦激光能量在衬底等处造成热损伤的问题。 3 嵌入反射镜式耦合【7 4 】 如图2 1 3 所示，该方式是在v 形槽方式上的改进，首先将双包层光纤的外包层去 除一小部分，然后在内包层上刻蚀出一个小槽，槽的深度足够放入用来反射泵浦光的嵌 入微反射镜，但是距纤芯还有一定距离，以保证不破坏纤芯。嵌入的微反射镜的反射面 可以是平面或是根据优化设计的曲面，为了得到高的耦合效率，其反射面镀上了高反率 1 8 第二章掺，n 3 + 双包层光纤激光器基本特性的研究 的膜层，入射面镀了对泵浦光的增透膜。该技术中采用了光学胶用以将嵌入微反镜的出 射面和光纤内包层粘接固定，同时光学胶还作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损 耗。由图可以看出，l d 泵浦源应当与嵌入微反镜足够近，以保证具有较大发散角的泵 浦光能够全部照射到微反镜的反射面上。嵌入反射镜式泵浦耦合技术对于内包层内泵浦 光的传输也有较大损耗，同样不利于多点耦合注入泵浦功率的扩展。 4 光栅侧面耦合 图2 1 3 嵌入反射镜式耦合 图2 1 4 光栅侧面耦合结构 光栅侧面耦合方式如图2 1 4 所示，剥去涂敷层和外包层把反射光栅紧靠双包层光 纤的内包层，中间用匹配材料充填，不需要修磨光纤表面和纤芯。利用聚光透镜把泵浦 源l d 发出的光聚合到反射光栅，然后导入双包层光纤的包层内。 5 光纤侧面角度磨抛泵浦耦合 图2 1 5 为光纤侧面角度磨抛泵浦耦合结构示意图。其基本原理是在双包层光纤去 一小段，剥去涂敷层和外包层，将内包层沿纵向进行磨抛，得到小段用以耦合泵浦光的 平面。然后将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤的纤芯相对该平面紧密贴和并固定好两 纤的相对位置。泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层。由于泵浦光 纤按一定角度磨抛好的端面并不能完全和双包层光纤内包层紧贴，因此还需要利用光学 胶将其空隙填充。由于采用了光学胶，因此不必对内包层纵向进行磨抛而得到平面，直 1 9 第二章掺y b 3 + 双包层光纤激光器基本特性的研究 接利用光学胶也可将泵浦光由内包层的弯曲侧面导入。这种方法可以进行多点泵浦且耦 合效率较高，但光纤端面的角度抛磨比较困难。 图2 1 5 光纤侧面角度磨抛耦合结构 6 多模光纤熔锥侧面泵浦耦合方式 刘q a p e r 光纤端面耦合进一步研究改进，发展了锥形光纤束( t a m p e rf i b e r b u n d l e ) 耦合 技术1 7 5 j 。此方式是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起，在高温火焰中 加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，能够将泵浦 光由多模光纤和双包层光纤侧面导入内包层，从而实现定向泵浦耦合。 图2 1 6 多模光纤熔锥定向耦合器 在双包层光纤侧面耦合泵浦技术中，在锥形区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去 除露出纤芯，同时双包层的外包层也要去除露出内包层，并且要使之能够熔合到一起， 因此其生产工艺较为复杂。图2 1 6 为o f s 公司的多模光纤熔融拉锥定向耦合器原理图。 第三章光纤激光器的理论分析 第三章光纤激光器的理论分析 本章主要对光纤激光器的速率方程进行了推导，获得了激光器泵浦阈值功率、输出 光功率和斜率效率的解析表达式。通过设置适当的参数，对光纤激光器的阈值和斜效率、 输出波长特性以及输出功率特性作了理论模拟，以指导实验中的各器件参数的设定。 3 1 光纤激光器速率方程的建立 如图3 1 为线性腔包层泵浦掺镱光纤激光器的基本结构。考虑一段长度为l 的阶跃 型折射率分布的光纤，其纤芯半径为a ，折射率为啊，而包层折射率为啦。假设光纤的 数值孔径足够小，满足弱导近似条件，光纤中的传导模可以用线性偏振模l p m l 表示。 在柱坐标系( r ，e 力中，l p m l 模在端面的强度分布用s m i ( r 0 ) 表示。在端面泵浦方式下，设 泵光耦合处为坐标原点( z 卸) 。p i + ( z ) 和p i ( z ) 分别代表光纤内前向和后向传输的激光信号 功率。其中r l 代表泵光注入端对光纤内信号光的有效反射率，r 2 代表激光输出端的有 效反射率，r 3 为后端镜对泵浦光的反射率。 一p 瀚 图3 1 线性腔光纤激光器的结构模型 在上述条件下，光子数演化可以用以下方程来描述【7 6 j 蔓堕塑：g ( 即) 【n 渺，：) + 耶一口，以i ( 啪)( 3 1 a ) a z ! ! ! ! ! j 芝! 堕= 一g ( y ，z ) 【珂? ( y ，z ) + j 】+ 口，甩i ( ，：) ( 3 1 b ) 其中，以j ( y ，z ) 和一i ( 1 ，z ) 代表频率问隔p + d l ，和位置间隔z + 龙内第i 个模的光子数， “+ ”和“一”号分别表示光子传输的前向和后向。g j ( i ，z ) 是在位置z 处频率为l ，时的 2 1 第三章光纤激光器的理论分析 光学增益因子，q 为第i 个模的损耗因子。式中“i ”和“r l i ”这两项分别代表自发辐 射和受激辐射。由激光器的速率方程理论可知，增益因子g ( v ，z ) 可以表示为信号模强 度s i ( r ，0 ) 和归一化泵浦强度分布g “r ，0 ) 空间重叠性的函数明 g 垆百0 7 0 , ) r s 峨饥帏k 甓甄g 可e ( r , 8 磊) $ j ( r , o 荔) r d r d 8 丽万b 2 ) a ( v ) 和7 ，分别为工作介质的受激发射截面和荧光寿命，h v ，为泵浦光子的能量。分 母表示在均匀加宽介质中的饱和效应，且包括光纤中的n 个传输模和所有频率。其中 吒只p - 咋k 为在z 至z + 如之间所吸收的输入功率，而吒为泵浦波长处介质的共振吸 收系数。口。是泵浦波长处的损耗系数，它包括除共振吸收以外所有的损耗机制。 由于空间和频率之间通过饱和项相耦合，难以对( 3 1 ) 式精确求解。必须进行某些假 设和近似处理。根据受激发射的波长选择特点，激光线宽一般很窄，因此在( 3 2 ) 式中的 受激发射截面a ( v ) 可用其在线宽中心的值q 代替。利用这种近似，合并( 3 1 ) 和( 3 2 ) 式， 并对整个频率范围进行积分得 掣3争矿叫呐+(z)】r。忑gp(殍r,o)si(r,o)rdrdo q 蹦z ) ( 3 3 a ) 掣一移矿w 研f 老辫州七) ( 3 3 b ) 其中，。= h v 。c x 。f ，是线宽中心处的饱和强度，p o 是增益带宽a 匕内的自发辐射功率对 激光功率的贡献 矗= | i ( 刀2 ) ( 3 4 ) 式中只+ ( z ) 和只一( z ) 分别为前后向传输的信号光功率，定义为 彳( z ) = | i p ；( y ，z ) d y ( 3 5 ) 第三章光纤激光器的理论分析 由方程( 3 3 ) 容易得到相对传输的两列波功率存在如下的守恒关系 d 【( r + p + ( z ) ) c p o + p 一( z ) ) l a z = 一c 氓( p + ( z ) 一p 一( z ) )( 3 6 ) 对于无损耗或损耗可以忽略的情况( 口= o ) ，上面关系退化为 ( 昂+ 尸+ ( ：”( r + p 一( z ) ) = ，播f ( 3 7 ) 在任意分布的泵浦激发的多模光纤中，所有模得到的增益并不相同，其强度的增加 具有不同的速率，传输方程难于精确求解。假定光纤所包含的模数非常大，使得泵浦强 度在光纤截面上的强度分布近似为常数。在这种情况下，泵浦光和信号光的空间重叠积 分为 f 。f g p ( ，嘴( ，d 删p = f r 毒龇口) 删口= ( 3 8 ) 式中l 是第i 个模在纤芯中的能量占该模总能量的比例，a ，为纤芯交叉截面，近似等 于纤芯的截面积。在足够多的模运行的光纤中，绝大部分模被很好地传导，满足r fz 1 。 同时，大部分模的增益相等，沿z 轴以相同的速率增长，可以认为砰( ：) 独立于j 。 因此，方程( 3 3 ) 分母中的求和项退化为 e s ( r ，= n i a s ( 3 9 ) 对于多模泵浦的光纤，利用( 3 8 ) 式和( 3 9 ) 式，传输方程可以变为下面形式 v p p - a + u p ) z 暑童誊耘叫舭， b 4 1 + 墨：盟墨：! 三! 叶。”7 b 掣昔w ”口，j 2 号矗美蛊屺黝 b l 哟 b 式中b = 匕a ，n 双包层光纤由于其特殊的结构，泵浦模和传输模不都在纤芯中，只有处于纤芯中的 泵浦光才对产生激光有贡献。因此，需要对上述理论进行修正。只要注意到两点，上述 激光传输基本方程对于包层泵涌光纤激光器依然适用：( 1 ) ( 3 2 ) 式中的g p ( r ，o ) 是对纤芯 中的泵浦光强( 有效泵浦光强) 归一化；( 2 ) ( 3 2 ) 式中的积分域为纤芯，而不是整个内包 盟嵋掣 第三章光纤激光器的理论分析 层。泵涌光在内包层中传输时能够激励起很多模式，司以认为泵浦光强在包层中均匀分 布【7 8 1 ，因此传输方程( 3 1 0 ) 对包层泵浦激光器完全适用。 3 2 光纤激光器输出特性分析 考虑到包层泵浦光纤激光器通常设计为单横模，即纤芯只允许信号光以基模传输， 根据传输方程( 3 1 0 ) 可以进一步简化为如下形式 堡望：g ( ：) 【昂+ 可( z ) 卜q g ( ：) ( 3 1 l a ) 韶 a f t - ( z ) ：g ( z ) 【昂+ 巧( z ) 】+ 口，巧( z )( 3 i l b ) d z p ( z ) 和口( z ) 分别为光纤内沿正反两个方向传播的激光功率的分布函数。g ( z ) 为增益， 其表达式为7 明 比，。等吒砖而丽 功 为了简化分析，可以认为泵浦光功率只分布于内包层中，而纤芯为泵浦光提供损耗。在 这一近似条件下，泵浦光沿光纤的分布可以用下面的微分方程描述： 掣= 鸣 ( 3 1 3 ) 其中，口= r ，+ 口，p 埘= 等 为信号光酶饱和功率，q 为光纤对激光的吸收 系数；r ，为功率填充因子，代表耦合入纤芯的泵浦光功率，约等于纤芯横截面积与内 包层横截面积之比，r ，功率填充因子，代表在纤芯中被放大的信号光，由于纤芯中只 允许基模传输，所以近似等于基横模的功率填充因子。 由谐振腔的腔镜确定的边界条件为 譬( o ) = r l p - ( o )( 3 1 4 a ) 巧( ) = r 2 p ( 工)( 3 1 4 b ) 巧( l ) = r 3 弓( 三) ( 3 1 4 c ) 第三章光纤激光器的理论分析 甲：笠盟二生盟 p 埘 乏【! ；：_ ! ： 乏；塑】= 【g ( z ) 一口，( z ) 】! ；：_ ! ! ；i ! ：j ：! 尘 ( 3 1 5 ) 把上面两个参数代入可得 掣= 【赫q 】瓜丽 ( 3 1 6 ) 根据边界条件( 3 1 4 a ) 和( 3 1 4 b ) n - - 知l 甲( ：) 满足的边界条件为 l 玉，( o ) = 1 - r 1 2 - p 一, - ( 0 ) ( 3 1 7 ) 甲) 一 1 - - r p 2 p q + ( l ) ( 3 1 8 ) 在图3 1 所示模型情况下， - - 节( 3 7 ) 式即为( 昂只+ ( z ) ) ( 昂+ 只一0 ) ) = 瑚f 根据( 3 7 ) 式，如再忽略掉自发辐射，可得 甲( d = 百 ii - r 2 订 属露 i 甲( 。) ( 3 1 9 ) 把f 3 1 7 ) a x o ( 3 1 8 1 带入b 的表达式，可得 b = l 一心1 一马 如不考虑损耗q 对( 3 1 6 ) 进行积分可得 -74v(z亍)2+bf2+一tp(z)in + h 力+ 甲( 0 ) ： _ = = = = = = 一十y t z j 十y l u l 2 、 ( z ) 2 + 口2 + w 0 9 j l ，o ；0 ( o ) 【1 一c x p 0 陀) 】+ 玛e x p ( - - 院) 】 婶p | v 3 p 。 根据( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) 、( 3 2 1 ) n - y 得 一弧p 乒 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 第三章光纤激光器的理论分析 ：i 甄篇甄謦 2 2 ， 型塑号幽一心吵一n 赢 一 所以激光器的输出功率 只。= ( 1 - r ：) 譬犯) 棚翮僦下，幄o a , l + l n 素酾砒 ：翌p , ( o ) p - e x p ( - a , ) p + e , e x p ( - a l ) d 、得多，所以 ( y ，匕) 匕 口 ( 3 2 3 ) ：下盟掣l-nfpo-,pp(0)1-exp(-al)1+r3 e x p ( - a l ) ( 3 2 4 ) 2 丽而面刁丽i 可可_ 一 u z 哪 令只。= o 可得到阈值功率 耻! 竺! ：! = 盎! 兰竺 伍2 ， 铆蚂【l e x “- a l ) f l + 恐唧( 一础) 】 激光器的斜率效率为 玎= 急= 面万( | 瓦- - r f 2 ) q 面丽lp 天, a = 雨百o , , r 1 1 r i立a j 【l - e x p ( 吐) 】【l + r 唧( 越) 】1 3 2 6 )d o )墨( 一心) 一r 2 ( 一) o 7 4 。 3 3 光纤激光器的输出波长特性 很多实验证明，光纤激光器的运转波长与增益光纤的参数( 长度、掺杂浓度等) 有 关。而利用速率方程理论，并考虑激光的下能级吸收，可以得到激光波长与光纤长度的 关系式。考虑到微分截面的波长分布，对于宽带发射和吸收，其微分发射截面和微分吸 收截面之间有如下的关系鲫，8 1 】： 删= 考啪，d 气爿 2 ， 其中，z z ，z 。为配分函数。量。为激光上下能级因斯塔克分裂而成的两组能级中最低能 级之差。k 为波耳兹曼常数，t 为温度。 依据( 3 2 7 ) 式考虑波长a 的发射和吸收时，把上、下能级簇简化为一个两能级系统。 激光的下能级为基态2 日，2 ，设其粒子数密度为i ，上能级为2 e ，2 ， 其粒子数密度为2 ，设掺杂浓度为n ，则有 n = l + 2 ( 3 2 8 ) 于是激光器的单程增益可以表示为 g ( i ，0 = r g ( z ，, t ) d z = f 【2 ( z ) ( a ) 一l ( z ) 吒( 五) 纰 ( 3 2 9 ) 粒子速率方程为 掣刊一气警一半 b ， 其中，r 为泵浦功率，d 0 和仃。分别为信号光波长处的发射截面