（光学专业论文）掺镱光纤激光器的研究.pdf

ab s t r a c t t o d a y , f i b e r l a s e r s a n d f i b e r a m p l i f i e r s h a v e m a n y p o t e n t ia l a p p l i c a t i o n s in o p t i c a l m e a s u r i n g , t e l e - c o m m u n i c a t i o n a n d s e n s o r , b u t t h e re i s a p r o b l e m i n c o m m o n f i b e r l a s e r , w h i c h i s t h e d i f fi c u l t y o f c o u p l i n g m u lt i - m o d e , h i g h p o w e r p u m p l a s e r s i n t o t h e s i n g le - m o d e f i b e r c o r e , s o i t i s d i f f i c u l t t o m a k e h i g h p o w e r f i b e r la s e r s a n d h i g h g a i n a m p l i f i e rs . t o s o l v e t h i s p r o b l e m , c l a d d i n g p u m p t e c h n o l o g ie s a r e w i d e l y a p p l i e d w e i n t r o d u c e t h e n e w e s t a p p l i c a t i o n s o f c l a d d i n g p u m p t e c h n o l o g y i n o p t i c al c o m m u n i c a t i o n i n t h i s p a p e r , a n d e x p e c t t h e k e y t e c h n o l o g ic a l p r o b l e m s t o b e r e s o l v e d o n c l a d d i n g p u m p t e c h n o l o g y . w e f o c u s o n e x p e r i m e n t a l a n d t h e o re t i c al r e s e a r c h o n y b 3 - d o p e d d o u b l e - c la d f ib e r l a s e r s a n d al l - f ib e r y b 3 + - d o p e d s in g le - m o d e la s e r s . t h e re s e a r c h w o r k s i n d e t a i l i s t h e f o l l o w in g : 1 . t h e o ret i c a l res e a r c h o n d o u b l e - c l a d fi b e r l a s e r s ( 1 ) n u m e r ic a l a n a ly s i s o f la s e r p e r f o r m a n c e o f y b 3 - d o p e d d o u b le c la d fi b e r la s e r s u s i n g e q u a t i o n s f o r f o r w a r d a n d b a c k w a r d p u m p i n g l a s e rs a n d s i g n a l l a s e r s i n d o u b le c la d f ib e r , w e n u m e r i c a l ly a n a l y s i s t h e la s e r p e r f o r m a n c e o f y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f i b e r l a s e r s , i n c l u d i n g e v o l u t i o n o f f o r w a r d a n d b a c k w a r d p u m p i n g p o w e r al o n g f i b e r u n d e r t h e d i ff e r e n t l o s s e s , e v o l u t i o n o f f o r w a r d a n d b a c k w a r d p u m p i n g p o w e r a l o n g f i b e r u n d e r t h e d i ff e r e n t s t r u c t u r a l c a v i ty , e v o l u t i o n o f g a i n f a c t o r a lo n g f i b e r u n d e r t h e d i ff e re n t l o s s e s , o u t p u t la s e r p o w e r v e r s u s fi b e r l o s s u n d e r d i ff e r e n t l a u n c h e d p u m p l a s e r p o w e r , o u t p u t l a s e r p o w e r v e r s u s fi b e r l o s s u n d e r d i ff e re n t l a u n c h e d p u m p p o w e r , o u t p u t p o w e r v e r s u s f i b e r l e n g t h u n d e r d i ff e r e n t l a u n c h e d p u m p p o w e r s a n d o u t p u t p o w e r v e r s u s o u t p u t a n d i n p u t m i n o r s r e fl e c t i v i t y u n d e r d i ff e r e n t l a u n c h e d p u m p p o w e r s a n d l o s s e s . ( 2 ) u s i n g n e w m o d e l , w e d i s c u s s a b s o r p t i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f d o u b l e c l a d f i b e r la s e r s a n d d e r i v e t h e re p r e s e n t a t i o n o f e ff e c t i v e a b s o r p t i o n c o e ff i c ie n t . ( 3 ) u s i n g r a y o p t i c s . w e a n a l y s i s t h e in fl u e n c e o f d i ff e r e n t in n e r c l a d s h a p e o n t h e a b s o r p t i v e e f fi c i e n c y o f d o u b l e c l a d f i b e r l a s e r s . 2 .e x p e r im e n t a l r e s e a r c h o n s in g le - m o d e al l 一 f i b e r y b 3 - d o p e d la s e r s ( i ) u s in g f b g . w e p r o d u c e y b 3 - d o p e d f - p c a v ity a ll f ib e r la s e r s . a n d g e t n a r r o w l i n e - w i d t h . h i g h s l o p e e ff i c i e n c y a n d s t a b l e o u t p u t l a s e r s . w e f i n d t h a t t h e l e n g t h o f y b 3 - - d o p e d f ib e r h a s g r e a t in fl u e n c e o n p e r f o r m a n c e o f la s e r s . w h e n y b 3 - - d o p e d f i b e r le n g t h i s 9 m . w e c a n g e t t h e m o s t o p t i m al p e r f o r m a n c e o f l a s e r . w i t h t h e n a r r o w e s t l a s e r l i n e - w i d t h , a n d t h e h i g h e s t l a s e r s l o p e e f fi c i e n c y . ( 2 ) u s in g f b g . w e p r o d u c e y b 3 - d o p e d lo o p c a v i ty a l l f ib e r la s e r s . l i n e - w id t h o f o u t p u t l a s e r i s 0 .2 n m , s l o p e e ff i c i e n c y is 6 1 . 7 % , o u t p u t l a s e r p o w e r i s 7 . 5 m w a n d t h e c e n te r w a v e - le n g th o f o u t p u t la s e r i s 1 0 6 4 n m . t h e o p t im a l le n g t h o f y b 3 - d o p e d f ib e r i s 1 2 m . a n d u n d e r t h i s c o n d i t i o n , w e c a n g e t t h e m o s t o p t i m a l p e r f o rma n c e o f l a s e r , w i t h t h e n a r r o w e s t l a s e r l i n e - w i d t h . a n d t h e h i g h e s t l a s e r s l o p e e ffi c i e n c y . 3 -e x p e r im e n t a l r e s e a r c h o n d o u b le - c la d y b 3 - d o p e d f i b e r la s e r s ( 1 ) w e s e tu p a c o m p l e t e e x p e r im e n t a l s y s t e m o f li n e a r c a v it y y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f i b e r la s e r , i n c l u d i n g l d w i t h p i g t a i l f i b e r , a s p h e r i c a l l e n s c o u p l i n g s y s t e m , c a v i ty m i r r o r s a n d y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f ib e r . t h e n w e d i s c u s s a s p h e r i c a l l e n s c o u p l i n g s y s t e m , c a v it y a n d t h e s t r u c t u re c l a d f i b e r i n d e t a i l . ( 2 ) u s i n g d o u b l e c l a d f ib e r w i t h d i ff e r e n t i n n e r c l a d s h a p e , y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f ib e r l a s e r s a n d d i s c u s s o u t p u t d i ff e r e n t y b 3 + 一 。 p e d f ib e r . w e a n a l y s is a n d d is c u s s t h e e x p e r i m e n t i n d e t a i l . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l d , a n d a b s o r p t i o n o f d o u b l e w e p r o d u c e 1 w earc a v i t y l a s e r p e r f o r m a n c e w i t h s t r a n g e p h e n o m e n o n i n k e y w o r d s : n u m e r ic a l a n a l y s i s , y b 3 + 一 。 p e d si ng l e m o d e f ib e r , y b 3 - d o p e d d o u b le c l a d f i b e r , fi b e r g r a t i n g , f i b e r la s e r s , r e c t a n g u l a r c i r c u l a r i n n e r c la d d i n g . i nnerc l a d d i n g , s q u a r e i n n e r c l a d d i n g , 1 1 1 南开大学硕士研究生毕业论文 第一章 包层泵浦技术在光纤通信中的应用 1 . 1 引言 今天， 光纤激光器、 光纤放大器在光纤通信、 传感和测量上有着巨大的应用 前景。 但传统的泵浦技术很难将高功率的多模泵浦光祸合到单模的纤芯中去， 因 此很难做出高功率的光纤激光器和高放大倍数的光纤放大器。 而包层泵浦技术解 决了单模光纤泵浦效率低的问题。 和普通单模光纤相比， 双包层光纤不但在纤芯 和内包层间存在一个传光波导，而且在内包层和外包层之间也存在一个传光波 导， 这个波导有较大的数值孔径和截面积。 高功率、 多模的泵浦光在内包层中传 输， 产生的激光在纤芯中传输， 因此， 可以得到大功率， 基横模的激光输出。 同 时由于双包层光纤具有较大的表面积与体积比，从而可以避免产生热透镜效应。 包层泵浦技术己被应用来产生功率高达 1 1 0 w的光纤激光器。下面我们讨论包层 泵浦技术在光纤通信中的最新应用， 并且展望了包层泵浦技术中要解决的关键性 技术问题二 一 t 弓 。 1 . 2 . 包层泵浦技术发展的现状 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 + 双包层光纤激 光器的研究上，1 9 9 3 年， h . p o 等人报道了他们研制的高功率掺、 犷双包层光纤 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 yo. 1 9 9 0 年，h . z e l l m e r 等人报道t输出波长在 1 0 6 4 n m 、功率为9 . 2 w 的包层泵浦 的掺、 d 光纤激光器。z . j . c h e n等人报道了包层泵浦掺n d 调q 光纤激光器， 获得了峰值功率3 . 7 k w 、脉宽2 n s 的脉冲激光输出。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始， y b 掺入石英或氛化物光纤中，作为一种激光 介质才开始受到人们的重视。 特别是掺y b + 石英光纤激光器和放大器方面的研究 取得了很多进展。1 9 9 4 年，由h . n . p a s k 等人首先在掺y b “ 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 n m , 0 . 5 w的最大激光输出，斜率效率达到 了8 0 06 。 正是由于掺y b 一 双包层光纤激光器比掺 d 双包层光纤激光器具有更高 的斜率效率，以及 y b 一 具有简单的能级结构、宽的吸收带和较宽的发射截面， 使得人们的注意力逐渐转向掺y b 一 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 ( c l e o )上，美国p o l a r o i d 公司的n . h u e n d e l 等人报道了一种掺 y b 一 双包层光纤激光器。他们用四根光纤祸合的9 1 6 n m 波长的激光二极管阵列， 以 1 . 4 w 的功率泵浦掺y b 一 双包层光纤， 在 1 1 0 0 二波长上获得了3 15 . 5 w 的连续 激光输出。 在1 9 9 8 年的c l e o 会议上， l u c e n t 技术公司的j . k o s i n k i 和d . i n n i s s 报道了一种内包层截面形状为星形的掺y b 双包层光纤激光器， 得到了2 0 w 的激 光输出。1 9 9 9 年，v . d o m i n i c 等人报道了超高功率掺y h . 双包层光纤激光器的 研究结果，他们用四个 4 5 w 的半导体激光二极管阵列组成总功率为 1 8 0 w 的泵浦 南开大学硕士研究生毕业论文 源， 在1 1 2 0 n m 得到1 1 0 w 的激光输出， 图1 为该实验的装置图。 这是迄今为止所 见到的最高连续激光输出功率的报道。 而且在如此高的功率水平下， 没有发现对 光纤性能的 任何损伤， 预示着光纤作为激光介质还能 承受更高的功率 ， 卜 ; 。 f ig . i 高功率光纤激光器实脸装z. 1 . 3 .双包层光纤的结构与特性 1 . 3 . 1 双包层光纤的结构 包层泵浦技术的关键是双包层掺杂光纤的结构优化， 双包层光纤的结构如图 2 所示，光纤由四层构成，分别为光纤芯、内包层、外包层和保护层，纤芯是由 掺稀土元素的 s i 0 : 构成，它作为激光的传输通道， 对相关波长应设计成单模， 以保证输出激光是基横模。内包层由 s i 0 : 构成， 它的横向尺寸和数值孔径比纤 芯大的多、 并且它是泵光通道， 对泵浦光是多模的。 一般内包层可以做成各种形 状， 有圆形、方形、矩形等。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。 外包层是由 折射率比内 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， 它可以允许大数值孔 径、 大截面和多模的高功率泵光祸合到光纤中。 最外层是硬塑料， 用来保护光纤 内包层 口 曰 回 外包层 f ig .2 双包层掺杂光纤的构形 f ig .3 不同内 包层形 状的光 纤徽截面 ( a 正方形:( b ) 矩形:( ， 梅花形 . 2 双包层光纤的特性 目前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 芯层3 册舒漏l 有以下优点:一是不需要对预制棒做光学机械加工使工艺更加简单，二是当泵 浦源为带尾纤的 l d时.圆形石英包层之间的尺寸匹配易于祸合连接。但是也 南开大学硕士研究生毕业论文 有一个的缺点: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 y b 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， 提出了 新型的内 包层截面。另外，随着大功率双包层光纤激 光器的发展， 连续的激光输出已达几十甚至百w i级， 此时单个 l d 作为泵 源其功率显然是太小了。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辐合，有的与集成束状的尾纤祸合， 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，取得了很好的效果。图3 给出几种已见报导的双包层光纤截面 形状图。 泵浦光在这些有不同形状内 包层的双包层光纤中传输时， 对泵浦激光的吸收 率有很大不同。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， 光纤的曲率对吸收率的影响非常大，而对矩 形双包层光纤， 光纤的曲率对吸收率的影响非常小。 还有内包层尺寸对泵浦光祸 合效率也有影响【 甲 卜 曰 。 ， 。 1 . 4包层泵浦技术中的 藕合方式 掺镶纤芯外包层 透镜准直 拐合系统 双包层光纤 a . 端泵示愈图 双包层光纤 b . 边粟示意图 c . t a p e r 光纤锅合 f ig .4 泵浦方式试验装it示愈图 目 前常用的有三种藕合方式:1 ) 端泵2 ) 边泵3 ) t a p e r 光纤祸合 端泵是工艺最简单，也是最常用的一种泵浦技术，但祸合效率较低( 如图 4 a ) .并且有以下缺点: a )在双包层光纤放大器中，要将多摸泵浦光和单模信号同时祸合到双包层光纤 中，就必须采用体积较大的二向色镜来祸合，增加了成本和体积。 b )泵浦光只能通过双包层光纤的两个端面注入双包层光纤中.由于光纤端面的 面积有限，所以限制了不能由l d 阵列将高功率激光拐合到双包层光纤中。 边泵是祸合效率更高的一种泵浦技术， 图4 b 是边泵原理图 ” ， 但由于其中 南开大学硕士研究生毕业论文 v 形槽要求很高的工艺，所以 较难实现。优点是: a )可以在双包层光纤上开多个v 形槽，采用多个l d 同时泵浦，使更多的泵浦 光藕合到双包层光纤中，得到高功率激光输出。 b ) 结构灵活， 使双包层光纤两端空闲出来， 可以用来构成环形腔激光器、 放大 器，也可以直接构成放大器而不需要二向 色镜，简化了 激光器和放大器的结构。 t a p e r 光纤是最近才应用于双包层激光器的 辐合， 特点是祸合效率高、 结构 灵活 ( 如图4 c ) . 1 . 5 包层泵浦技术在光纤通信中的应用 1 . 5 . 1利用包层泵浦技术产生宽带超荧光光潭 掺稀土元素光纤的放大自 发辐射 ( a s e )具有温度稳定性强，荧光谱线宽以 及时间相干度低， 使用寿命长等特点， 可以作低相关性的宽带光源， 被称为光纤 宽带超荧光光源 ( s f s ) ， 可在光纤传感、 和医学中得到应用。 近年来， 掺饵的单 模光纤超荧光光源己得到广泛的研究， 但其超荧光的输出功率相对较小， 因而大 功率的掺钦和掺镶双包层光纤超荧光光源逐渐引起了人们的注意。 图5 是超荧光 光源的结构图， 利用有尾纤输出的半导体激光器， 通过二向色镜直接藕合到掺德 双包层光纤中， 二向 色镜的作用是把向后传输的荧光反射回去， 从前面输出。 这 种高功率超荧光光源有一个特点， 在不同功率的激光泵浦下， 测量超荧光输出的 光谱特性曲线发现， 随着超荧光输出功率的增加， 其3 d b 带宽将逐渐变窄， 这是 由于增益介质的均匀展宽特性使超荧光光谱的带宽随着输入功率的增加而减小， 甚至可能由于端面反馈而引起激光输出， 造成荧光光谱功率下降、 带宽变窄， 所 以双包层光纤的输出端面要磨成 1 5 “ 倾角就是为了抑制由于光纤端面的菲涅尔反 射而引起的傲光振荡。国内有人利用这种结构可以产生最大荧光输出功率为 5 4 . 1 m w ，此时斜率效率为6 9 . 3 5 9 6 ，中心波长 1 0 8 2 n m , 3 d b 带宽为 1 7 . 2 n m 。国际 上采用2 w l d 激光器，利用边泵技术，可以 产生4 8 5 m w ，中心波长 1 0 5 5 n m , mb 带宽为4 1 n m 平坦的 荧光谱输出 乒 布 。 掺镶双包层光纤 本 一 m 9 7 6 n m l d 二向色钮 f ig .5超荧光探实验装w图 . 5 . 2 双包层光纤橄光器 . 5 . 2 . 1线形腔单端泵浦双包层光纤激光器 南开大学硕士研究生毕业论文 双包层光纤 傲光翰出 体激光器 进镜准宜、 藕合耳 反 射 镜 f i g . 6包 层 泵 浦 掺y b l + 光 纤 滋光 器 装i m 图6 是一种线形腔双包层激光器的结构示意图， 根据y b 吸收光谱， 可以 看 到其在9 7 6 n m 和9 1 5 ，处有很强的吸收峰， 所以泵浦源可以使用9 7 6 n m 或9 1 5 n m 的半导体激光器。 并采用透镜组将泵浦光祸合到光纤中。 在双包层光纤激光器的 一端用一个对9 7 6 n m 高 透，对1 0 6 0 n m 激光高反的二向 色镜为激光提供反馈，并 非常靠近双包层光纤，另一端，是直接切割的光纤端面，利用菲涅尔反射( 4 % 反 射率) 作为 激光反馈。 在这种结构中 通过控制双包层光纤的长度和掺杂浓度可以 选择激光器的输出波长。 在掺y b 光纤激光器中， 对于确定的泵浦波长， 掺杂浓 度、 光纤长度的增大将使激光的输出向长波方向移动。 国内有文献报道， 利用非 球面透镜祸合泵浦光，可以大大提高该系统的祸合效率，在泵浦半导体激光为 9 1 5 n m ，功率为1 . 0 瓦条件下， 掺镶双包层光纤激光器的最大输出功率为4 4 0 m w , 输出斜率效率达到 8 0 %。国内 有人采用内包层为矩形的双包层掺镶光纤实现波 长为1 0 7 0 . 6 n m 的 擞光输出， 结构如图6 所示，内 包层尺寸1 0 0 x 7 0 p m ,当入纤 泵浦功率达到 1 1 1 m w 时，激光输出功率为8 4 m w ，斜率效率7 7 %. e r, y b 共 透掺双包 透 二 向 色 镜铰 层 光 纤 镜 二 向 色 镜 掺镶光纤 傲光 输 出 9i 5 n m i口 布拉格光姗 r. . , . , = 1 0 0 0 0 布拉格光姗 r i n g=1 0 0 0 二向色镜 f ig . 7 9 i 5 n m 或9 7 6 n m半 导 体 激光 器 单 瑞 泵 浦 线 形 腔 双 包 层 滋光器结构图 f i g . 8采用布拉格光纤光姗为傲光反溃的线形腔 双包层光纤激光器 另一种单端泵浦的线形腔激光器的试验装置如图 7所示，分别用 9 8 0 n m或 9 1 5 n m 的半导体激光器单端泵浦， 泵浦光通过二向色镜和透镜注入到掺杂双包层 光纤中。 光纤4 %的端面反射为激光提供反馈。 输出和输入端的二向色镜将激光 从泵浦光路中分离出来， 从而可以单独测量存在于光纤中的三种激光: 正向激光 输出功率、反向激光输出功率和剩余泵浦光功率。这种结构的激光器使用灵活， 南开大学硕士研究生毕业论文 可以将光纤左端的二向色镜和透镜换成对输出激光高反的器件， 如提供反馈的二 向 色镜或布拉格光纤光栅等， 使激光在谐振腔内 充分振荡， 这样可明显提高激光 的输出功率. 图8所示是采用布拉格光纤光栅为激光提供反馈的线形腔双包层光纤激光 器。 这种结构的双包层光纤激光器有两个特点: 第一， 它采用了布拉格光栅为激 光提供反 馈， 输入端的 布拉格光姗对 1 0 6 4 n m的 激光的反射率可以 达到 1 0 0 %, 而输出 端的布拉格光栅对激光的反射率为5 %到1 0 %之间， 反射率由输出激光的 波长而定. 由 于采用布拉格光栅避免了用二向色镜和透镜组提供激光反馈带来的 损耗， 所以 输出 激光的斜率效率和输出 功率会大大提高。 第二: 它在由 泵浦 l d 注入双包层光纤时 采用了t a p e r 光纤， 而不采用损耗大、 体积大的透镜组祸合系 统，这样可以使泵浦光藕合效率达到9 5 % 以上。 1 . 5 . 2 . 2线形腔双端泵浦双包层光纤激光器 图9 所示的装置是一种双端泵浦的双包层光纤激光器，为方便于将光纤内包 层的两端并排粘在一起， 在这种结构中用到的双包层光纤的内包层要为矩形。 先 将光纤的两个端面抛光，再除掉光纤两端大约8 0 m m 长的外包层，并将两端粘在 一起， 最后与在裸光纤的表面均匀的涂一层外包层相同的材料。 将光纤放在透镜 的光轴上，与l d 光源的发光方向一致， 构成双向泵浦的光纤激光器，这种结构 可以将注入光纤的泵浦功率提高一倍，并可以 采用l d 阵列进行泵浦。而且由于 采用了矩形内包层的双包层光纤， 所以这种结构激光器可以获得大功率的激光输 出。在一个光纤端面前再加上二向色镜 n 2 ，使激光在腔内的充分振荡，激光输 出功率会有更明显的提高。 二向色镜 n 1 的作用在输出端将激光和泵浦光分离开。 国际上已 经有人利用这种结构得到高功率的激光输出， 使用掺n d - 矩形内包层双 包层光纤和带尾纤 l o w 激光输出的l d ，可以得到2 . 5 w 的激光输出，斜率效率达 到 5 1 00。 透镜 透镜 f 2 mi f i 二向色镜 iti1e 二向色镜 e r / yb 共 拼双 包层 s ti 纤 纤 藕 合 功率计 f ig .9单泵浦潭双端泵浦双包层光纤激光 9 7 5 n m ld 二向色链 二向色锐 9 7 5 n m l d f ig . 1 0 双 泵浦源双向 泵浦双包层光纤傲光器 装里 图 图1 0 所示为双泵浦源双端泵浦双包层光纤激光器装置图，与图了 所示的单 端泵浦激光器的结构相似， 所不同的是可以得到大功率的激光输出。 由于采用端 面 l o u 菲涅耳反射作为激光的反馈， 激光不能在腔内充分振荡，并不能得到最大 南开大学硕士研究生毕业论文 的激光输出， 为了 增加反馈， 可以 在一端的 激光输出 外加激光反射镜， 这样虽然 增加了 激光的腔长和损耗， 但激光的输出功率可有显著的提高， 并可以得到特定 波长的激光输出. 1 . 5 . 2 . 3 全光纤拾镶环形腔双包层激光器 抽出 泵浦光 光隔离签 f ig . i i 扮镶环形腔双包层激光器装t. 图 1 1 是掺锥环形腔双包层光纤激光器装置图，这种环形腔结构的双包层激 光器除了用作激光增益介质的双包层光纤外， 其余所用器件都是由普通的单模光 纤器件构成， 并且采用了边泵技术， 易于实现激光器的小型化和集成化。 在这种 结构中， 由于双包层光纤与单模光纤的熔接处， 在双包层光纤的内包层中传输的 泵浦激光会完全损失， 所以要求泵浦激光在光纤环形腔中只能传输一圈， 这样必 须有足够长的掺杂光纤， 将泵浦光一次吸收完。 而信号光却在光纤芯中传输， 只 要单模光纤的纤芯 包层和双包层光纤的纤芯 包层熔接好， 信号光并不会由于双 包层光纤与单模光纤的对接而损失，可以在环形腔中多次传输、多次得到放大。 结构中采用可调谐滤波器可以实现激光的调谐输出， 调谐范围十几个纳米。 光隔 离器是为了 抑制光纤中的背向 布里渊散 射， 稳定 激光输出 ” 、 。 1 . 5 . 2 . 5 包层泵浦调q 光纤激光器 8 0 0 / 1 0 6 0 n m 二向色镜 掺镶双包 层光纤声光调制鉴 i 激光翰出 反q 犷 全 石 f ig . 1 2双包层光纤激光器调 u 南开大学硕士研究生毕业论文 短脉冲激光器在医学、 测t、 遥感和参t振荡 等许多 领域都有广泛的应用， 采用包层泵浦技术的调q 光纤激光器与常规调q 激光器相比， 可以 将峰值功率提 高一个数t级，脉宽可以从 7 o n s压缩到 z n s 。最近，有报道说利用光纤中的分 布背向散射可以实现双包层激光器的被动调q ，并可以产生z ns的短脉冲，与传 统的调q 光纤激光器不同， 脉冲宽度与激光器的腔长无关， 而是由 受激布里渊散 射的迟豫振荡产生的超短脉冲 ( 脉冲宽度约i n s ) 提供的反馈决定的， 这等效于 在非常短的时间内将激光谐振腔的q 值提高几个数量级。图12为同时利用光纤 非线性和传统的调q 技术实现短脉冲的输出， 其中利用光纤非线性产生峰值功率 高和宽度窄的脉冲，同时利用传统的声光调制器稳定输出激光的重复频率。 当光纤前端面反射被抑制后， 可以得到稳定的巨脉冲序列。 原理上可以采用 将端面切成一定角度或将其抛光的方法来抑制端面反射. 在这种结构中， 通过将 一短段与双包层光纤内 包层尺寸一致的多模光纤 ( 期) 与双包层光纤熔接， 可以 更方便的抑制端面反射。 可以使输入端的激光反射低于2 . 5 xl护， 并且不会影响 注入泵浦光的效率。这样可以得到峰值功率37 kw， 脉冲宽度z ns，重复频率稳 定的脉冲序列， 其中重复频率受声光调制器控制。 工作原理是， 泵浦光能量使激 光下能级的粒子数反转， 由于己 对光纤的端面进行了 特殊的处理， 激光在光纤端 面处的反射己被完全抑制， 而且由于a om阻碍了激光在腔镜的反馈， 所以激光器 的问值很高， 因此可以得到非常高的粒子数反转， 一旦粒子数反转超过了激光的 阅值，并且声光调制器打开，腔损迅速降低，q 值提高，腔内 光子数密度也通过 自 发辐射迅速提高， 当强度足以强到激发s bs过程， 一个短脉冲产生， 当 这个脉 冲经过掺n 旷光纤到达1 端口 后， 它经历了动态增益， 并激发出腔中存储的能量， 可以达到几千瓦的峰值功率 叫” 。 1 . 5 . 3 双包层光纤放大器 在光纤通信方面， 飞速发展的w d m 技术使得光纤传输能力达到t b i t/s 以上。 在日新月异的因特网技术的驱动下， 高功率光纤放大器对通信方面的发展起着举 足轻重的作用。 然而， 现在的掺饵光纤放大器依赖于单模激光二极管的泵浦， 输 出功率仅在 lw以下。相对而言，包层泵浦光纤可以把价格低廉的几个多模激光 二极管的激光能t集中起来泵浦纤芯中的稀土离子. 使泵浦光转变为单模高亮度 的信号光束，所以必将有广泛的应用。 为了利用包层泵浦技术实现c 波段光信号的放大， 必须利用饵锥共掺的双包 层光纤， 因为饵离子的吸收效率比较低， 而锥离子的吸收效率非常高， 所以掺入 锥离子吸收泵浦光， 能量通过无辐射跃迁从锥离子转移给饵离子， 然后饵离子再 发射 1 . 5 5 卿 附近的荧光。目 前常见的包层泵浦光纤放大器是采用掺镶离子或饵 镶共掺双包层光纤。 南开大学硕士研究生毕业论文 1 . 5 . 3 . 1 采用端泵的双包层光纤放大器 迈银 透镜 二向色镜 二向色镜 双包层掺钱光 e r / yb 共 冷双包层 光纤 放大 信光入 小号输 l斗 血n日日“. 翰入 透镜 二 向 色 信 号光 怡出 透镜 粉 入 信 号光 9 7 5 n m l d 二 向 色 镜二 向 色 镜 9 7 5 n m l d f i g . 1 3 单 端泵浦线形腔双包 层光 纤放大登试 脸装t图 f i g . 1 4双泵浦潭双向泵浦双包层光纤橄光器装2 图 1 3 为单端泵浦线形腔双包层光纤放大器试验装置图，这种结构的光纤放 大器采用反向放大方式， 即信号光和泵浦激光的传输方向相反， 这样可以保证信 号最强时放大器的增益最大， 从而保证最大的输出激光功率和放大倍数。 二向色 镜是为了 将放大信号光路与泵浦光路分离开， 泵浦光通过二向色镜注入到双包层 光纤中。信号光通过单模 7 0 / 3 0光纤藕和器注入到掺锥光纤中，3 0 %的信号光 输出是为了监视输入信号光的功率。 图1 3 中点1 , 2 构成了放大器的输入和输出 端，所有光纤端面都被切成 1 5 角，以防止端面反射，避免由于泵浦功率超过激 光闽值而出现激光振荡。 还有采用双向泵浦的双包层光纤放大器，其结构如图 1 4 所示，把双包层光 纤的两端都切成 1 5 0 ，避免端面反射，这样不会出现激光振荡。从左端输入的信 号光经过放大从右边输出， 与单向泵浦双包层激光器相比， 双向泵浦可以获得更 大的小信号增益和输出功率，利用这种结构的放大器可以得到功率超过 1 w 放大 信号。 1 . 5 . 3 . 2 边泵双包层光纤放大器 与采用端泵的双包层放大器不同的是， 边泵双包层放大器不需要使用二向色 镜将泵浦光和信号光同时拱合到双包层光纤中， 因此可以减小由于二向色镜带来 的损耗，并且可以得到结构紧凑的高功率放大器。采用 v型槽技术，将 9 8 0 n m 泵浦光注入饵镶共掺的双包层光纤中，可以实现 1 5 0 0 n m波段的信号光放大 1 . 5 . 4双包层橄光器作为拉受泵浦源的应用 随着宽带业务的不断增长，人们对光纤带宽的利用越来越多，现有的利用 e d f a 放大的c 波段已不能满足未来宽带网络的需要。人们开始利用l , s 波段乃 南开大 学硕士研究生毕业论文 至 全波光纤中 1 . 2 1 u n - 1 . 7 a m的 整 个的 无损区 域， 因 此出 现了 许多新的 光信号 放 大措施， 其中拉曼放大器以高达4 0 t h z 的增益带宽， 适用于各种光纤的增益特性， 受到很大关注。 但这种技术对泵源要求很高， 而掺链双包层激光器具有以下特点， 非常适合做拉曼放大器和激光器的泵源。 1 ) . 光纤输出， 这样可以 保证输出 功率可以高效的祸合到光纤中去。 2 ) . 高输出功率，目 前已 有功率上瓦的产品， 完全可以满足拉曼放大器对泵源功 率的要求。 3 ) . 合适的输出 波长， 掺镶双包层激光器输出1 . 0 6 f t m 激光， 而通信用拉曼放大 器可以 通过3 级拉曼 位移， 利用1 . 0 6 e m l 激光实现对1 . 5 5 波段的信号光放大。 图1 5 是光纤光栅级联拉受橄光器试验装置图，这种拉曼激光器前半部分是 双包层掺镶激光器， 输出1 0 8 4 n m ， 后面用长7 0 0 m p - s i 光纤作拉曼转换，实 现 了1 2 6 6 n m 和1 3 0 0 n m 的拉曼激光输出， 采用掺磷光纤作为拉曼转换是因为掺磷光 纤的拉曼平移大 ， 司 一 汤 。 协健光纤 p h o s p h o r钊 f ig . i s 光 纤光橱级联拉里橄光器试验装fm 1 . 6结论 包层泵浦技术的出现推进了高功率光纤有源器件的发展。 近年来， 各类双包 层掺杂光纤的设计和制造， 包层泵浦高功率连续运转激光器、 双包层放大器和超 荧光光源等取得了 进一步重大发展， 并逐渐在光纤通信领域得到应用。 今后， 随 着包层泵浦技术的广泛应用， 对双包层光子器件也提出了很高的要求。 双包层光 纤祸和器， w d !d ，光栅等.这些在理论上和实验上都提出了 新的问题，伴随着这 些问题的提出和解决，包层泵浦技术也必将得到更大的应用和发展。 南开大学硕士研究生毕业论文 第二章 双包层光纤激光器的理论分析 2 . 1拾健双包层光纤激光器输出特性的数值分析 2 . 1 . 1概述 双包层擞光器的工作原理如图2 . 1 所示， 当 利用数值模拟方法对激光输出 特 性进行分析时， 考虑沿着光纤长度上的信号光分布损失和由于端泵引起的增益介 质中非均一分布的粒子数反转等因素就很重要了。 在这部分中，我们利用龙格库塔法和d i g o n n e t 所建立的 模型分析了 双包层 光纤激光器输出激光的特性。 首先， 讨论了前向与后向泵浦光传输的基本方程和 相关参数。 其次， 数值模拟了输出激光能t与输出 腔镜反射率、 注入泵浦光能量、 光纤损耗和光纤长度的等参数的关系。 m i双 包 层 光 纤m 2 激光输出 内 包 层掺 杂 光 纤芯外 包层 图2 . 1 双包层光纤激光器泵浦示意图 2 . 1 . 2前向 与后向的传输方程 我们要数值模拟双包层激光器输出激光的特性， 就需要先建立泵浦光、 激光 在双包层激光器中的传输方程， 并引入各种简化模型的近似， 以便得到方程的数 值解。 以前的大多数简化忽略了自 发辐射和反转粒子数的非均匀分布效应， 而这 些效应对高功率光纤激光器的输出特性影响很大. 因而并不适用于双包层光纤激 光器。 我们为此采用了新的模型， 数值计算了沿着光纤长度方向上的泵浦功率分 布、总输出功率，斜率效率和其它参数。 数值分析的结构模型和参数如图2 . 2所示，即是注入泵浦激光，p o u t是 正向激光输出，p o u t 一 是反向激光输出，p ( 0 ) , p 一 ( 0 ) , p - ( i ) 和p - ( l ) 是泵浦 光在边界处的初始值。 根据输出 激光的边界 条件， 可以得到凡 。 一 = p - ( o ) 一 p ( 0 ) , p 。 一 二p ( 1 ) 一 p - ( l ) 。 南开大学硕士研究生毕业论文 po u t p - ( o )p ( l ) 二 李 中 . po u t . . 奋 p ( 0 ) f ( l ) 图2 .2 双包层光纤滋光器数值模拟示惫图 咖+(:= 竺a , .p (o )e -( a a + a p )= f p . nv月， 尸了 p 0 + p + ( - ) 1 + ( p + ( = ) + p 一 ( = ) )/ p s 一 a p + ( c ) ( 2 . 1 a ) 中( :a s r f h v p二 。 (。，一 “口“， fpaf p 0 + p( : ) ， 十 ( p 十 (:)+ 尸 一 ( = )/ p , + a p ( : )( 2 . 1 b ) y (= ) = 竺a a p a (o )e - a a + a p )