（光学专业论文）掺yb单频光纤环形激光器研究.pdf

线宽小于8 0 mh z o 4 设计了波长为 1 .0 5 3 1 1 m的d p l单频激光器， 其功率超过2 .o m w , 线宽小于 8 mh z ，工作时间超过 4 小时不跳模。 5 .研制成功利用m -z 干涉仪的全光纤调q环形激光器， 重复频率 超过 3 k h z脉赛小于 1 1 1 s o 6 .研制成功播y b 光纷放大器，增益超过 2 6 d b 扩 本文创新性的研究工作有: 1 .首次提出并研制成功利用 d f b , d b r及混合方式的自 注入锁定 掺 y b 单 频 光 纤 环 形 激 光 器 李 作 波 长 为 .0 5 3 11 m , 激 光 功 率 大 于3 .5 m w， 线宽小于5 3 mh z ， 工作时间超过2 小时不跳模， 该结 果优于美国利弗莫尔国家实验室 1 9 9 6 年报道的掺y b 光纤振荡器 模 型( 发 明 专 利 申 请 号 : 0 0 1 1 9 0 5 1 .2 ) . 户 一 2 . 首 次 提出 利 用丛 鱼 工些 这集 调q 与 波 长 调 谐 于 一 体的 掺y b 光 纤 环 形 激 光 器 ， 触长 调 谐 范 围7 n m ， 调q 重 复 频 率3 k h z ， 脉 冲 宽 度小于i p s ( 发明 专利申 请号: 0 0 1 1 9 0 2 5 .3 ) . )“ 3 .创新性地提出n d 3 + :y l f晶 体既作增益介质又作双折射滤波器的 d p l激 光 器 募现 波 长 为1 .0 5 3 11 m单 纵 模 激光 工 作的 设 计方 案， 并获得了波长为 1 . 0 5 3 11 m，功率大于 2 m w，线宽小于 8 mh z的 单频激光 ( 正在申请发明专利) ;将其用作掺y b 光纤环形激光 器的外注入 “ 种籽”源获得单频光纤激光:首次将这种单频激光 光源用作掺y b 光纤放大器 ( y d f a ) 的信号源研究y d f a的放大 ，叮 性 特 4 .首次发现高掺杂y b 光纤的特殊上转换 ( 多光子荧光) ，荧光峰对 应于4 4 0 n m和 5 3 0 n m o s t u d i e s o f k e y t e c h n o l o g i e s o n t h e s i n g l e f r e q u e n c y y b - d o p e d fi b e r la s e r ( a b s t r a c t ) t h e w o r k s i n t h i s p a p e r a r e o n t h e b a s i s o f h i g h - t e c h s t u d y o f t h e 8 6 3 - 4 1 6 p r o j e c t t h e s t u d y o f k e y t e c h n o l o g i e s o n t h e s i n g l e f r e q u e n c y y b - d o p e d f i b e r l a s e r a n d h u a - w e i f o u n d a t i o n s e l f - i n j e c t i o n l o c k in g s i n g l e f r e q u e n c y f i b e r r i n g l a s e r w i t h b r o a d l y t u n a b l e o p e r a t i o n . “ 神 光一 i i i d e v i c e i s a v it a l i n g r e d i e n t o f i n e r t i a l c o n f i n e m e n t f u s i o n ( i c f ) p r o j e c t i n c h i n a , h i g h - q u a l i ty f r o n t - e n d l i g h t s o u r c e s y s t e m i s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s in t h e l a s e r d r i v e r , i t s h o u l d p r o v i d e s e e d o f h i g h q u a l i t y s in g l e f r e q u e n c y l i g h t s o u r c e f o r t h e n e x t s y s t e m , w h i c h s h o u l d h a v e d e f i n i t e e n e r g y ( m 7 ) , p u l s e d u r a t i o n , h i g h s i g n a l - n o i s e r a t e , h i g h b e a m q u a l i ty a n d h i g h s t a b i l i ty . s o t h e o u t p u t l a s e r o f t h e m a i n r e s o n a t o r i n f r o n t - e n d s y s t e m m u s t b e o f h ig h ly s t a b l e fr e q u e n c y a n d p o w e r a s w e l l a s h i g h l y c r e d i b l e o p e r a t i n g . b e c a u s e o f h i g h - t e c h s e n s i t i v e f i e l d , t h e k e y c o m p o n e n t s o f m a i n r e s o n a t o r i n fr o n t - e n d s y s t e m a r e u n d e r e m b a r g o . wo r k s i n t h i s p a p e r a r e t o d e s i g n a n d m a n u f a c t u r e s i n g l e fr e q u e n c y f i b e r l a s e r o f a u t o n o m i c k n o w l e d g e p r o p e r ty r i g h t . t o p r o v i d e f r o n t - e n d s e e d l i g h t s o u r c e o f h i g h q u a l i ty f o r “ 神光一 i i p d e v i c e a n d s t a b l e l i g h t s o u r c e w i t h n a r r o w b a n d w i d t h f o r d wd m s y s t e m i n f i b e r c o m m u n i c a t i o n . t h r o u g h s y s t e m a t i c a l i n q u i r y a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s , w e u s e s t a b l e f r e q u e n c y s i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d e y b - d o p e d f i b e r r i n g l a s e r a s t h e m a i n r e s o n a t o r , w h i c h c a n a c h i e v e a l l s o l i d i f i c a t i o n o f t h e s y s t e m a n d g r e a t l y i m p r o v e t h e o p e r a t i n g r e l i a b il it y a n d t h e o u t p u t s t a b il it y , m o r e o v e r , t h e a l l f i b e r l a s e r i s s e l f - a d a p t i n g , i t s o u t p u t b e a m c a n b e s p l i t i n t o m a n y r o a d s ( a b o v e 6 0 r o a d s ) a t a n y d i r e c t i o n , s o i t w i l l b e g o o d t o p u t t h i s t y p e o f l a s e r i n t o p r a c t i c e . we a l s o e m p h a s i z e t h e s t u 即 o f t h e b a s i c p r o b l e m s i n s o m e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s , a n d p r o p o s e t h e s t u d y o f t h e s e l f - in j e c t i o n l o c k i n g s i n g l e f r e q u e n c y y b - d o p e d f i b e r r i n g l a s e r , e x t e rna l - i n j e c t i o n l o c k i n g s i n g l e fr e q u e n c y y b - d o p e d f i b e r r i n g l a s e r a n d t h e a l l - f i b e r r i n g l a s e r w h i c h c a n o p e r a t e b o t h q - s w i t c h a n d w a v e l e n g t h t u n in g . t h e s e p r o p o s a l s a r e a p p r o v e d b y t h e s p e c i a l i s t s . w e o b t a i n n o t o n ly m a n y i m p o r t a n t r e s u l t s in t h i s h i g h - t e c h r e s e a r c h t o p i c b u t a l s o i n n o v a t i v e r e s u l t s i n t h e s e t e c h n o l o g y b a s i s . n o w o u r p r o j e c t h a s b e e n c h e c k e d a n d a c c e p t e d , t h e a p p r a i s a l i s t h e r e s e a r c h g r o u p h a s m a d e c r e a t i v e w o r k s o n s i n g l e fr e q u e n c y , n a r r o w i n g b a n d w i d t h a n d q - s w i t c h e d t e c h n o l o g y o f y b - d o p e d f i b e r r i n g l a s e r . t h e f o l l o w i n g s a r e h i g h - t e c h r e s u l t s w e o b t a i n e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n : 1 . dp l a n d ld e x t e rna li n j e c t i o nl o c k i n g s i n g l e fr e q u e n c y f i b e r t h e r ing l a s e r w i t h p o w e r o v e r 2 m w a r e m a n u f a c t u r e d . t h e b a n d w i d t h o f l d e x t e rna l i n j e c t i o n l o c k i n g s i n g l e fr e q u e n c y f i b e r r i n g l a s e r i s l e s s t h a n 3 6 mhz . 2 . t h e s e l f - i n j e c t i o n l o c k i n g s i n g l e f r e q u e n c y f i b e r r i n g l a s e r w i t h w a v e l e n g t h 1 . 0 5 3 m , p o w e r a b o v e 3 . 5 m w, l i n e - w i d t h l e s s t h a n 5 3 mh z i s m a n u f a c t u r e d . t h e l a s e r s h o w s s t a b i l i t y , l o w t h r e s h o l d a n d h i g h p o w e r . n o m o d e - h o p p i n g w a s o b s e r v e d w i t h i n 2 h o u r s . 3 . f i b e r r i n g l a s e r w i t h f i b e r g r a t i n g f - p i s f a b r i c a t e d , w h o s e p o w e r i s a b o v e 2 mw a n d l i n e - wi d t h i s l e s s t h a n 8 0 mhz . 4 . t h e d p l s i n g l e f r e q u e n c y l a s e r o f w a v e le n g t h 1 .0 5 3 p m i s m a n u f a c t u r e d , w h o s e p o w e r i s a b o v e 0 . 5 m w a n d l i n e - w i d t h i s l e s s t h a n 8 mhz . 5 . t h e a l l - f i b e r q - s w i t c h e d l a s e r w a s m a d e b y u s i n g t h e m- z i n t e r f e r o m e t e r . t h e m- z p l a y s t h e r o l e b o t h a s q - s w i t c h a n d a s w a v e l e n g t h t u n i n g e l e m e n t . t h e r e p e a t r a t e 3 k h z a n d 1 p s w i d t h p u l s e t r a i n s w e r e o b t a i n e d . 6 . ma n u f a c t u r e d y b - d o p e d a m p l i f i e r t o a m p l i 斤t h e s i n g l e f r e q u e n c y l a s e r i n c w o r p u l s e m o d e w i t h t h e g a i n b e y o n d 2 6 d b , t h e p u l s e s i g n a l o f r e p e t i t i o n r a t e l k h z , d u r a t i o n l p s s h o w s n o c h a n g e s i n s h a p e a ft e r a m p l i f y i n g . t h e i n n o v a t i v e r e s u l t s i n t h i s d i s s e rt a t i o n a r e a s f o l l o ws : 1 . t h e f i r s t t i m e t o p r o p o s e a n d m a n u f a c t u r e s e l f - i n j e c t i o n s i n g l e f r e q u e n c y y b - d o p e d f i b e r r i n g l a s e r u s i n g d f b , d b r a n d m i x i n g m o d e , r e s p e c t i v e l y , w a v e l e n g th 1 .0 5 3 g m , l a s e r p o 二 二 r b e y o n d 3 . 5 m w, l i n e - w i d t h l e s s t h a n 5 3 mh z w e r e o b t a i n e d . n o m o d e - h o p p i n g w a s o b s e r v e d w i t h i n 2 h o u r s . t h e l i n e - w i d t h w e 月 叫 o b t a i n e d e x c e l s t h a t o f t h e r e s o n a t o r b y l a w r e n c e l i v e r m o r e n a t i o n a l l a b o r a t o ry i n 1 9 9 6 . we h a v e a p p l i e d f o r t h e i n v e n t e d p a t e n t f o r t h i s r e s u lt ( t h e a p p l i e d n u m b e r i s 0 0 1 1 9 0 5 1 .2 ) . 2 . t h e f i r s t t i m e t o p r o p o s e a n d m a n u f a c t u r e t h e a l l - f i b e r q - s w i t c h e d l a s e r b y u s i n g t h e m- z i n t e r f e r o m e t e r . t h e m- z p l a y s t h e r o l e b o t h a s q - s w i t c h a n d a s w a v e l e n g t h t u n i n g e l e m e n t . t h e r e p e a t r a t e 3 k h z a n d 1 p s w i d t h p u l s e t r a i n s w e r e o b t a i n e d . w e h a v e a p p l i e d f o r t h e i n v e n t e d p a t e n t f o r t h i s r e s u lt ( t h e a p p l i e d n u m b e r i s 0 0 1 1 9 0 2 5 . 3 ) . 3 . t h e n d 3 + :y l f d p l s in g le f r e q u e n c y l a s e r o f w a v e le n g t h 1 .0 5 3 p m w a s p r o p o s e d a n d m a n u f a c t u r e d , i n w h i c h t h e n d 3 + :y l f c r y s t a l is c r e a t i v e l y u s e d b o t h a s g a i n m e d i u m a n d a s b i - r e fr a c t i o n f i l t e r . we a r e a p p l y i n g in v e n t e d p a t e n t f o r t h i s r e s u lt . w e u s e t h i s l a s e r a s t h e e x t e rna l i n j e c t e d s o u r c e f o r t h e f i b e r r i n g l a s e r , a n d w e a r e t h e f i r s t t o u s e t h i s s i n g l e fr e q u e n c y l a s e r s t u d y t h e c h a r a c t e r o f t h e y b - d o p e d f i b e r a m p l i f i e r . 4 . t h e f i r s t t i m e t o o b s e r v e t h e s p e c i a l u p c o n v e r s i o n ( p o l y p h o t o n fl u o r e s c e n c e ) , t h e p e a k o f t h e fl u o r e s c e n c e i s 4 4 0 n m a n d 5 3 0 n m , r e s p e c t i v e l y . 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 第一章综述 1 . 1 稀土掺杂光纤激光器 将光纤结构应用于激光和光放大器的思想是由s n it z e : 于1 9 6 1 年 提出 并加以 证明 的 ， 他采 用了3 0 0 1u m 芯 径的 掺n d 多 模光 纤作为 激光 增益介质，纤芯和包层的折射率分别为 1 .5 4 和 1 .5 2 , s n it z e : 当时在 美国光学公司 ( a m e r i c a n o p t i c a l c o r p o r a t i o n ) 工作， 提出了这个结 构的动机 部分是因为可以 利用包层的 “ 聚光效应” 来增加芯区的亮 度， 也因 为在美国 光学公司早期激光玻璃均用0 .5 k g 的 熔体做成的， 没有办法用这么小的熔体做成光学质量优良的玻璃， 因而用低折射率 的包层结构，对裂纹更加宽容 。早期的光纤激光器均用闪光灯从侧 面泵浦， 输出功率较低。 后来也有报道用掺n d 玻璃光纤对h e - n e 激 光的1 .0 6 2 1 m的 工 作 波 长 进 行功 率 放大 2 1， 观 察 到 被 放 大的 光 保 持 了h e - n e 激光原 有的 相干特性; 该实 验采用1 5 p m芯径的单模光纤， 得到4 0 d b的增益， 将h e - n e 激光从2 3 0 p w放大到0 .6 w。 随着以 熔 石英为 基质的 低损 耗光纤的出 现3 1 ， 小芯径光纤中的热负 荷已 不再是 大问 题; 同时也认识到n d 离子在半导体激光的0 . 8 p m波长处的强吸 收， 因而可以 采用0 . 8 r m高功率半导体激光器作为泵浦源， 这时很自 然地出现了 采用端面泵浦的连续光纤激光器4 1 在光纤激光器中， 用于提供增益的主要有稀土掺杂离子5 1和光纤 自 身的非线性6 1 ， 虽然在光纤中已 观察到利用光纤非线性增益的有效 激光行为， 但人们还是把重点放在稀土掺杂离子的光纤上， 这主要是 因为已经发现在标准通信光纤中可以有效地掺入稀土离子而不影响 光纤本身的导波特性7 l ，同时也因为在光纤中稀土掺杂离子的激光跃 迁覆盖了波长从紫外到中红外的整个区域， 极大地满足了许多实际应 用。 但应该指出的是，直到 1 9 8 5 年的两项重要研究工作发表后才使 光纤激光器真正迎来了的研究和开发浪潮，这两项工作分别是由 p o o l e 等人8 和m e a r s 等人9 完成的， 在p o o l e 的 文章中 描述了 将稀土 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 离子掺入到单模硅光纤中的方法，它是基于改进的mc v d技术，该 技术可以把任何稀土离子掺进纤芯， 早期的掺杂浓度一般只为几百个 p p m ， 但这以 足以证明了 有源光纤在应用中的巨 大潜力，因为用一米 到几米长度量级的光纤便可提供极大的泵浦吸收和增益; 现在通过采 用新方法如在纤芯中 加入a l e 场c i o 及采用溶液法 i ii 己 可大大提高纤芯 中稀土离子的掺杂量 ( 达到百分之几) ， 新方法大大简化了掺杂过程。 在me a r s 的文章中首次报道了用 g a a l a s 半导体激光泵浦的掺n d 单 模光纤连续激光器， 实验中首次采用低损耗光纤组成f - f 腔和全光纤 环形腔， 产生波长为1 .0 8 8 f tm激光， 激光阑值小于l m w。 随后m e a r s 等人 12 研制成功了 在掺 饵光 纤中1 .5 5 m 波段的 激光器和放大器， 为 光纤通信带来了革命性的变化。 现在稀土离子掺杂光纤已被认为是重要的激光增益介质， 除在通 信领域的重要应用外， 光纤激光器和放大器在其他领域也有着极广泛 的 应用。 从 磁场遥感1 1 3 1 ， 超短脉冲产生和放大 14 1 ， 光纤 非线性与光 孤子 1 5 1 ， 光纤 激光陀螺 1 6 1 ， 激光加= 1 7 到光谱学 1 8 1 、 光纤传感 1 9 等。 光 纤 激光 器的 输出 波长 覆 盖了 从0 .3 8 fi m 2 0 到3 .9 ftm 12 1 1 整个区 域; 这 些跃迁已出 现在几种不同的光纤基质中， 如硅基质光纤2 2 1氟化物光 纤2 3 -2 5 等。 经过近二十年的研究， 光纤激光器无论在机理研究和应用方面都 取得了长足的进展。现己形成许多重要的研究方向如:a . 光纤激光波 长调谐， b . 单纵模光纤激光器，c . 高功率光纤激光， d . 调q与锁模光 纤激光器， e . 超荧光工作， f . 光纤非线性， 9 光孤子的 产生与传输， h .掺杂基质特性研究。 光纤放大器也从应用于 1 .5 5 f u n波段的 通信领 域向脉冲产生与放大、 激光加工等领域拓展， 并重新掀起非线性光纤 放大器 ( 如 r a m a n光纤放大器)的研究热潮。下面就与本论文工作 有关的研究方向做简要评述。 1 . 2 稀土光纤激光器波长调谐 稀土离子在硅质玻璃中最显著的特点是具有很强的光谱展宽， 其 跃迁分布在一宽度大致为5 0 0 -1 5 0 0 c m 的带上。虽然这将导致对应 中国 科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 每一波长的受激辐射截面明显地减小，但光在光纤波导结构中传输， 具有小模场半径和长相互作用长度， 这种增益的损失可通过有效泵浦 来弥补; 因此许多光跃迁可用于激光器调谐， 而且调谐范围一般都有 很宽。 例如: 掺t m光纤激光器的调谐波长覆盖了水蒸汽， 液体水和 二 氧化 碳的 吸 收 带， 在医 学 和大气传感中 有潜在的 应用前 景2 6 1 掺y b 光纤 激光器调 谐范围 达1 3 0 0 c m 一 1 。 波长可从1 .0 1 0 t m平 滑的 连续调 谐 到1 . 1 6 2 t m 2 7 1 ， 可 与 红 外 染 料 激光 器 相 媲 美。 光纤激光器的调谐方法主要有两类: 一是在腔内用显微物镜或球 面镜与色散元件 ( 如光栅、 棱镜等) 组合来实现波长调谐2 7 1 ， 一是利 用全光纤调谐元件， 即可变的方向 祸合器( 如 抛磨型方向 祸合器2 8 1 ) 来实现波长调谐功能。 第一类方法的主要优点是所有的元件都是标准 的体光学元件， 无需特别制作， 系统很方便安装， 在初步研究某一激 光跃迁的调谐性质时不失为一个好方法， 但它大大增加腔的损耗， 因 而也限制了波长调谐范围和调谐效率， 同时这类腔中引起损耗的因素 较多， 且大多与调谐波长有关， 因此将导致调谐激光的输出功率随调 谐波长振荡变化2 7 1 ， 即调谐曲 线明显地受到调谐波长的调制。 第二类 方法的优点是， 全光纤可调谐振荡器性能稳定，系统的插入损耗小， 结 构 简单; 如 文献 2 8 3 所描述的 一样， 用抛磨光纤祸合器的 一个 输入 端和一个输出 端将掺杂光纤连成环， 形成一双向环形振荡器， 波长调 谐通过调谐祸合系数来实现，即调节方向祸合器的两个纤芯距离。 稀土离子的基态与多重态对激光调谐特性产生很大的影响， 并限 定了调谐范围。 y b , t m和n d 离子的 基态的s t a r k 分裂超过1 0 0 0 c m 一 1 2 7 ,2 9 ,3 0 1 ， 这 比 室 温 下 的k t ( 约2 0 0 c m 1 ) 大 好 几 倍 ， 这 样 多 重 态 的 基 态较高的s t a r k 能级，即辐射带的低能区没有被热激发离子占 领，因 而可以产生四能级跃迁。 当调谐至辐射带的高能区时， 基态再吸收效 应大大增加， 使激光三能级工作， 泵浦饱和吸收程度限制了调谐范围 的短波区，饱和吸收依赖于泵浦吸收强度和纤芯大小。 掺e : 光 纤 激 光 器 基 态的s t a r k 劈 裂 相 对 较小 ( - 4 0 0 c m 1 ) ， 在室 温 下，基态多重态的所有 s t a r k能级被热激发离子占据，因此对掺 e r 光纤激光器， 几乎所有的激光工作波长均以三能级激光工作。 通过冷 却可以减弱s t a r k 能级的吸收效应。冷却到液氮温度时k t -5 0 c m 1 , 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 己经发现通过冷却效应， 掺y b 光纤激光器可向 更短的 波长处调谐。 3 1 3 对于掺t m光纤激光器， 光纤长度决定了激光波长的调谐灵敏度， 调 谐曲线的短波端受限于基态再吸收损耗。 泵浦跃迁在从输入端开始的 一段长度内达到饱和， 这段长度即为最佳长度， 这时激光准三能级工 作。 对于最佳长度， 给定了泵浦功率系统将提供最大增益， 若光纤长 度比最佳长度长， 那么非泵浦区将产生再吸收损耗。 在调谐曲线短波 端有越来越多的热激发离子， 需要更强的泵浦使粒子数反转， 因此最 佳长度随激光波长减小而减小。 表一中给出硅光纤稀土离子的激光跃 迁， 在整个掺t m的波长调谐范围内， 用了三段不同长度的光纤。 虽 然在掺y b 光纤激光器中也发现类似的调谐范围与光纤长度的关系， 但表一中 给出的y b 的调谐范围是用同一长度的光纤完成的13 2 1 。 波长 调谐是通过两个高色散的腔内 棱镜来实现的， 这样造成了 很大的腔损 耗， 这可通过采用光纤环偏振控制器来消除。图1 - 1 给出了无偏振控 制时的掺 y b 光纤激光调谐曲线，图 1 - 2 为带偏振控制的掺 y b 光纤 激光调谐曲线， 可看出通过采用偏振控制可以极大地削弱调谐激光输 出随波长振荡的现象。 从图1 - 1 、 图1 - 2 中可看出 掺y b 光纤激光具有 很宽的波长调谐范围。 表一 硅光纤中稀土离子的激光跃迁 n d 3 1 s m 3 3 + 4 f 3 /2 _ 4 1 1 1/2 4 f 3 /2 _ 4 1 9 /2 4 f 3 /2 _ 4 1 1 3 /2 4 1 13 /2 _ 4 1 15 /2 d 2 _ 3 f 4 d 2 _ 3 f 2 4 g 5 /2 _ 6 h 9 /2 2 f s a - 2 f 7 /2 t m 3 1 h o + 3 h 4 , 3 h 6 5 1 2 _ 5 1 s 1 . 0 5 5 - 1 . 1 4 0 . 9 - 0 . 9 5 1 . 3 6 1 . 5 3 - 1 . 6 0 1 . 0 8 4 0 . 8 8 8 0 . 6 5 1 1 . 0 1 - 1 . 1 6 2 0 . 9 7 4 1 . 6 5 - 2 . 0 5 2 . 0 4 中国 科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 o u t p u t p o w e r ( a r b i t a r y u n i t ) i 川川川 1 0 0 0 1 05 011 0 01 1 5 0 (n m ) 图 1 一 1 o u t p u t p o w e r ( a r b i t r a r y u n i t s ) 1 05 0 1 1 0 0 wa v e l e n g t h ( n m ) 图 1 一 2 1 1 5 0 1!- 一o 一o 一.110 曰. 1 .3 单频光纤激光器 窄线宽单频光纤激光器在光通信尤其是在波分复用网络系统 ( d w d m) 和相干通信系统中 有重大应用。 同时在光纤传感， 精密光学 计量以及精密光谱分析等领域的应用也引起人们的极大兴趣。 这类激 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 光器研究的重点主要放在 1 . 5 5 lm通信窗口的 掺 e r 单频光纤激光器 3 3 1 ， 但掺n d 和掺y b 的 单频 光纤激光器 也有报道 3 4 -3 5 1 。光 纤激光 器 的纵模间距一般均较窄， 以驻波腔激光器为例， 纵模间距为 v 对于腔长为2 m的光纤激光器来说，其纵模间距 v = 5 0 m h z ， 杂光纤有很宽的增益线宽 ( 典型值为5 0 0 0 h z ) ， 在这样一个光纤激光 器中便会有近万个模式振荡。 为了让光纤激光器单纵模振荡， 人们提 出了许多方法 3 6 -4 0 1 从原理上说， 象许多染料激光器一样， 光纤激光器可用衍射光栅 来实现单纵模工作; 也可通过利用足够短的光纤来加大纵模间距实现 单纵模工作; 若不需要宽调谐， 光纤光栅即所谓布拉格反射镜3 6 -3 7 1 是 实现单纵模最好的滤波元件之一，在掺n d 光纤中，通过采用足够短 的光纤 ( 5 1 m m ) 使模间距增加，实现了线宽 (c f wh m)为 1 .3 m h z 的单纵模激光。 短腔激光器实现单纵模工作比较容易， 但其增益介质 较短， 使得激光的输出功率也较小， 同时激光谱线的线宽也不易做的 太窄。 近来， l .d o n g 等人提出在e r :y b 双掺杂光纤的 包层加入b r 和 g e 产生光敏包层，直接在包层中刻写光栅，制作d f b和d b r超短 腔激光器。利用y b 的高泵浦吸收截面， 进行共振转移使激光输出功 率可达 8 m w4 l o b a r n s le y 等 人 4 2 1采 用了 另 一 种即 所 谓的“ f o x - s m i th 腔 来实 现光 纤激光器的单模工作。 f o x - s m i t h腔在传统激光器中很常见，它用一 分束器将两个不同腔长的振荡器祸合在一起， 形成两腔之间“ 游标型” 干涉。 这样使长腔同样也有很精细的频率分辨， 纵模间距也可以做的 较宽， 当复合腔共振时， f o x - s m i t h 振荡器的纵模间距由 v = c / n ( 1 , - 1 2 ) 决定， 1 , 1 1 2 分别为 两腔的 腔长，。 为 折射率，。 为光速，由 此可见纵 模间 距与 ( 1 ! 一 2 2 ) 成反比，当 两腔长越靠 近时， 纵模间 距便越大。 光 纤分束器是两个不同腔长的激光器之间的一种简单的藕合器。采用 f o x - s m i t h腔的优点是可获得较高的单频激光功率和较窄的激光线 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 宽， 不足之处是振荡腔模不易稳定， 易产生跳模， 需要用较为复杂的 电子学手段来对两腔长进行控制。 上面描述的是驻波腔振荡器的情况， 它需要利用有很高频率分辨 的元件来选择单纵模， 然而众所周知， 稀土掺杂光纤的跃迁谱线为准 均匀加宽， 均匀加宽介质在驻波腔中影响激光器单频工作的主要因素 是因空间烧孔现象引起的多模振荡。采用行波腔可消除空间烧孔现 象， 利用均匀展宽介质的增益饱和现象， 在行波腔中只需要较低频率 分辨的滤波元件便可使光纤激光器实现单频工作， 单向 环形激光器便 是单频光纤激光器工作的首选装置。 m o r k e l 等4 0 采用光隔离器实现 了掺 e r 行波环形激光器的单频工作，消除空间烧孔现象，激光线宽 为6 0 m h z 。 环形腔内加入滤波器还可实现对激光工作波长调谐， 1 9 9 0 年k .i w a t s u k i 等人报道了由 保偏光纤、 保偏光纤藕合器和隔离器组成 的单向 环形激光器，实现了 激光单频工作， 激光线宽为 1 .4 k h z ， 调 谐范围2 .8 n m ， 激光输出功率 1 .3 m w。 这是目 前文献报道的单频光纤 激 光 器中 线宽 最 窄 的 装 置 4 3 1 0 1 9 9 1 年j .l .z y s k in d 等 人 4 4 报道了 在 掺 e r 单向环形激光器中加入两个可调谐的光纤光栅f - p ， 获得了单频激 光， 当工作波长为1 . 5 6 g m时激光线宽小于5 .5 k h z ， 单频激光波长可 在1 .5 3 0 n m到1 .5 7 5 p r n 之间 调 谐。 1 9 9 5 年m .j .g u y 等 人 4 4 报 道了 在 掺e : 单向 光纤环形腔中加入d f b窄线宽光纤光栅滤波器， 在1 .5 5 tm 工作 波长处 获 得的 单频 激光 线宽小 于2 .o k h z o 1 9 %年， a . g l o a g 等 人 4 5 1报道了 利 用 两 个光 纤 祸 合 器组 成 等 效 光 纤f - p标 准 具 在 掺e r 单向光纤环形激光器中采用双向泵浦获得了单频激光， 激光波长调谐 范围 超过了3 g h z 。 此外， 腔内 滤波器还有波导滤波器4 6 似及惆啾光 栅滤波器4 7 1等， 利用单向 环形腔实现激光单频工作在掺y b 光纤激光 器中也有报道，1 9 9 6年美国劳伦斯利费莫尔国家实验室的 r u s s e l l w i lc o x 和d o n a ld b r o w n in g 报道了 利 用 环 形 器， 光 纤 光 栅， 光 纤 光 栅 f - p 组 成单向 掺y b 光纤 环形 腔， 在1 .0 5 3 n m工 作 波长 处 实 现单 频、 单偏振、 稳频工作， 工作波长线宽为6 4 m h z ， 该激光器同时进行调q i作， 重复 频率 为1 k h z ， 调q脉宽 为z o o n s 4 s 12 0 0 n s 0 在驻波腔中增益介质的空间烧孔效应限制了光纤激光器的单纵 模工作。但若在腔中加入一段无泵浦的掺杂光纤，情况就完全不同， 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 综述 无泵浦的掺杂光纤中的空间烧孔与作为增益介质的光纤中的空间烧 孔不同， 在这里无泵浦的掺杂光纤用作可饱和吸收体， 正反两向 传输 的激光在可饱和吸收体中相干涉形成光强度非均匀的周期性分布， 产 生的空间烧孔效应感应生成可饱和吸收增益光栅， 已经证明了在光沿 可饱和吸收体纵向非均匀周期性分布时吸收要比均匀分布的情况吸 收低4 9 1 。 利用可饱和吸收体的空间 烧孔效应己 在掺e r 4 9 -5 1 1 掺y b 5 2 1 光 纤激光器实现了单纵模工作。 行波工作的单频光纤激光器的选频基础是避免空间烧孔现象， 并 通过增益饱和效应将其他模式的净增益降低到闺值之下， 只有最高增 益的模被选定振荡。 在增益介质中空间烧孔现象是相向传输的两束光 相干涉造成的。 只要消除这两束光的干涉， 便可在增益介质中消除空 间 烧 孔 现 象。 d .i .c h a n g 等 人 5 3 提出 ， 若 相向 传 输的 光同 为圆 偏 振 光 ( 即旋转模) 而不是线偏振光， 即使在驻波腔中， 空间烧孔现象也能 避免， 他们在掺e r 光纤激光器中实现了这种旋转模的单频激光工作。 激光谐振腔是由 双色镜、 偏振分束器、 两个四分之一波片、 偏振控制 器及掺e r 光纤组成。 在1 . 5 3 4 e u n 处得到了 激光线宽为i o k h z 单纵模 激光。 s a b e r t 和u l r i c h 4 报道了 另 一个有效消除 空间 烧孔的 办法， 即 通过将增益介质纵向来回往复移动来消除空间 烧孔。 增益介质的移动 是通过光纤两端的位相调制器的推拉来等效实现的， 采用这种方法在 掺n d 光纤激光器中获得了单纵模，线宽约为i o m h z o 更方便的结构是采用注入锁定的办法来实现光纤激光器的单纵 模工作，有两种注入锁定的结构即外注入锁定和自 注入锁定5 5 -5 6 1 1 9 9 0 年j o n e s 和u r q u h a r t 报道了 光 纤 激光 器的 外 注入 锁 定 方 法 5 5 1 ， 它 将一工作在单纵模状态的半导体激光从外端注入到普通的驻波型掺 e : 光纤激光器中，