（光学专业论文）窄线宽掺铒光纤激光器的研究.pdf

南开文学硬士学覆论文 窄栈宽掺饵完纤激光器蟪唧宪 摘要 窄线宽单纵模掺铒光纤激光器具有低阚值、低噪声、高信噪比、高温度稳定 性和便于小型化等优点，在光纤通信系统、相干检测系统、相位型光纤传感系统 及光谱学等领域中引起了广泛的研究兴趣。光纤中掺杂的铒离子激射波长范围覆 盖c + l 通信波段( 1 5 2 0 1 6 1 0 n m ) ，利用铒光纤制成的单纵模光纤激光器，近年来 成为高速光通信系统和高密集波分复用系统中极具吸引力的光源。 基于上述情况，本论文对l d 泵浦的窄线宽掺铒全光纤激光器进行了理论与 实验的研究。主要工作如下： 1 综述了近年来窄线宽单频光纤激光器的研究进展，对各种实验方法进行 了归纳总结。 2 对线形腔和环形腔掺铒光纤激光器进行了理论研究。推导并分析了阈值 泵浦功率、输出功率和斜率效率等重要参数的解析表达式。 3 将光栅外腔压窄半导体激光器线宽的特性应用于光纤激光器，以通信用 单模光纤和光纤b r a g g 光栅构成外腔，对主腔压窄激光线宽并进一步选取单纵模。 分析了该方案的相美原理，得到了最佳单频运转区间。在此基础上，自行设计并 研制了一台低成本、高性价比的无跳模、功率稳定的窄线宽掺铒光纤激光器。 4 对利用驻波腔中未泵浦掺铒光纤的可饱和吸收效应实现单纵模激光运转 的方法进行了理论与实验研究。利用该原理，研制了不需使用环形器的窄线宽掺 铒光纤环形腔激光器并成功地在线形腔结构的掺铒光纤激光器中实现了窄线宽 激光输出。 5 提出了工作于l 波段的单频掺铒光纤激光器的实验方案，对该方案的前 期工作- l 波段环形腔光纤激光器进行了实验研究。实验中采用腔内二次泵浦方 式，并将e d f l 产生的a s e 对e d f 2 的三种不同泵浦方式进行了对比，证明了用 腔内双向泵浦方式可以降低激光器的闽值和提高斜率效率。 关键词：掺铒光纤激光器，光纤b r a g g 光栅，窄线宽，单纵模，外腔反馈，可饱 和吸收效应，空间烧孔效应，跳模 南开大哮硬士学位论文窄残宽掺铒是丹淑芜器的研究 a b s t r a c t n a r r o wl i n e w i d t h ，s i n g l e f r e q u e n c ye r 3 + - d o p e df i b e rl a s e r sh a v eb e e na t t r a c t i n gw i d e r e s e a r c hi n t e r e s t sn o w a d a y sf o rt h e i ra d v a n t a g e s s u c ha sl o wt h r e s h o l d 1 0 wn o i s e h i g hs n r ，h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dc o m p a c ts t r u c t u r e s t h e ya r ep l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l ei nm a n yr e s e a r c hf i e l d s ，l i k ef i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s c o h e r e n t m e a s u r i n gs y s t e m s ，f i b e rp h a s es e n s o rs y s t e m sa n do p t i c a ls p e c t r o s c o p y e t c s i n c et h ee r j + i o n sl a s i n gw a v e l e n g t hr a n g i n gf r o m1 5 2 0 n r nt o1 6 1 0 n m w h i c hc o v e r s m o s to ft h ec + l c o m m u n i c a t i n g b a n d ，w ec a l lm a k e e r s + _ d o p e df i b e rl a s e r st og e n e r a t e s i n g l e 。l o n g i t u d e m o d eo m p u t ，e s p e c i a l l yi n t h ed w d m s y s t e m s a c t i n g a s l i g h t s n l r i c e s i nt h i sp a p e r , t h el dp u m p e d ，n a r r o wl i n e w i d t h e r b i u m d o p e da 1 1 f i b e r l a s e r sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e m a l l y t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e d a s f o l l o w s ： 1 t h ep r o g r e s sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c hw o r ko ns i n g l e - f r e q u e n c yf i b e r l a s e r sh a v eb e e ng e n e r a l i z e da n dt h ea d v a n t a g e s d i s a d v a n t a g e so f e a c hm e t h o dh a l p b e e n a n a l y z e d ， 2 t h e o p e r a t i o nt h e o r yo fb o t hl i n e a ra n dr i n gc a v i t ye r - d o p e df i b e rl a s e r sh a v eb e e n s t u d i e db yu s i n gt h er a t ee q u a t i o n s t h ea n a l y t i c r e l a t i o n s h i p so fs e v e r a li m p o r t a n t p a r a m e t e r sh a v eb e e nd e d u c e d 3 t h ep r i n c i p l eo f r e d u c i n gt h el i n e w i d t ho fas e m i c o n d u c t o rl a s e rb yam a s s i v e g r a t i n gh a sb e e nu s e do na l le r - d o p e da l l - f i b e rl a s e rt og e tt h ev e r yn a r r o wl i n e w i d t h o u t p u t t h i sp m p o m l sf e a s i b i l i t yh a sb e e nd e m o n s t r a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e e x p e r i m e n th a sb e e nd o n ev e r yw e l l ：r o b u s ta n ds t a b l el a s e ro u t p u th a sb e e no b t a i n e d a n di tc a n k e e pn om o d e - h o p p i n gi na b o u tt h r e eh o u r s b u tt h e h i g hp r e c i s i o n m e a s u r i n ge q m p m e n ti sn o ta v a i l a b l e ，s ot h er e a li i n e w i d t hi sn o tf u r t h e rm e a s u r e d 4 - t h em e t h o do f o b t a i n i n gt h es i n g l e - f r e q u e n c yl a s e ro u t p u tb yu s i n gt h es a t u r a b l e a b s o r p t i o ne f f e c ti nt h eu n p u m p e ds e c t i o no fd o p e df i b e r sh a sb e e ns t u d i e db o l h t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y an o v e lr i n ge r - d o p e df i b e rl a s e rw i t h e u tc i r c u l a t o r s 南开大学硕士学位论文窄诚宽糁铒先行激光器的研究 h a sb e e nd e s i g n e d a n dt h en a r r o w e rj i n e w i d t ho u t p u th a sb e e no b t a i n e d a n dt h e n a r r o wl i n e w i d t hl a s e ro p e r a t i o nh a sa l s ob e e no b t a i n e ds u c c e s s f u l l yf r o mas t a n d i n g w a v e ，l i n e a re r - d o p e da l l f i b e rl a s e rb yu s i n gt h es a m et h e o r y 5 t h es c h e m e so fo b t a i n i n gt h el - b a n d s i n g l e f r e q u e n c y f i b e rl a s e r sh a v eb e e n p r o p o s e d t h ef e a s i b i l i t yo f t h es c h e m e sh a sb e e na n a l y z e d b u tf o rt h es h o r t a g eo f t h e l b a n df i b e rb r a g g g r a t i n g ，o n l yp a r to f t h ee x p e r i m e n t ，a nl b a n df i b e rr i n gl a s e r h a s b e e nd o n e b yd o i n gt h i s ，t h eo p t i m a ls t r u c t u r eo ft h el - b a n ds i n g l e f r e q u e n c yf i b e r l a s e rc a l lb ef o u n d k e yw o r d s ：e r b i u m d o p e df i b e rl a s e r , f i b e rb r a g gg r a t i n g n a r r o wl i n e w i d t h s i n g l el o n g i t u d em o d e ，e x t e r n a lf e e d b a c k ，s a t u r a b l ea b s o r p t i o ne f f e c t s p a t i a lh o l e b u r n i n g m o d e h o p p i n g 南开上学硕士学怔论文弟一章绪论 第一章绪论 掺稀土元素的光纤激光器已广泛应用于现代光通信、光传感、激光加工和激 光医学等领域。它们具有独特的优点：掺稀土元素激光介质光纤通常为硅基光纤， 与通信光纤的兼容性好、插入损耗低。现有的熔接技术使普通光纤熔接损耗已经 小于0 0 2 d b ；石英的热系数小，激光振荡波长十分稳定；可以在整根增益光纤 中实现泵浦，因此泵浦阈值低，效率高；增益光纤的表面积与体积比非常大， 所以散热问题容易解决，一般不需要水冷和电制冷，并且基本避免了热透镜效应。 随着光纤的掺杂技术的提高，半导体工艺的完善以及光纤光栅的研制成功，光纤 激光器的设计和制作技术日趋成熟。光纤激光器在光通信得到了广泛应用。 本论文主要研究方向是l d 泵浦的窄线宽掺铒全光纤激光器。本章将首先同 顾光纤激光器的研究进展及主要分类，介绍掺铒光纤激光器的发展概况并综述国 内外单频窄线宽光纤激光器的研究状况与成果，最后简单概括本论文的研究内 容。 1 1 光纤激光器的研究与发展 1 1 1 光纤激光器的研究进展 激光器于1 9 6 0 年问世后，1 9 6 1 年e l i a ss n i t z e r 就发现了钕掺杂玻璃包层中的 激光现象，接着w o o d c o c k 等人又报导了铒、镱等掺杂光纤的激光输出2 1 。不久 以后，光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作。他们于1 9 6 6 年首先讨沦了 利用光纤作为通信介质的可能性1 j ，激起了人们对光纤的关注。在二十世纪七十 年代，b e l l 实验室( a t & t ) 也开始了这方面研究工作。7 0 _ 8 0 年代中期，诸多发 展光纤激光器所必须的工艺趋于成熟。低损耗的硅单模光纤和半导体激光器( l d ) 都已商品化并得到广泛的应用，完善了基于硅基光纤的定向耦合器技术等，这些 都为光纤激光器的发展铺平了道路。但是直n - 十世纪八十年代，由于普通光纤 纤芯截面很小，泵浦光较难耦合到单模纤芯内，加之单模光纤对泵浦光模式要求 严格，光纤激光器通常被认为是一种只有m w 量级的弱光子源，研究工作大都集 中在通信领域。 南开土学硕士学位论文 第一章请论 在二十世纪八十年代中后期，英国南安普敦大学的电子工程系和物理系演示 了用化学气相沉积( m c v d ) 法制作的单模光纤所构成的激光器的运行。之后他 们还报道了光纤激光器的调q 、锁模及单纵模输出。英i 雪通信研究实验室于1 9 8 7 年首次展示了用各种定向耦合器制作的光纤激光器装置1 4 ，l 。该实验室在各种波长 的氟化锆光纤激光器方面作了开拓性工作，最重要的是他们制成了用l d 作为泵 源的光纤激光器。值得关注的是，美国p o l a r i o d 公司的研究人员发明了一种包层 泵浦技术，大大促进了此后高功率光纤激光器的发展，这为光纤激光器的进一步 发展奠定了基础。自此之后，光纤激光器迅速发展，激光性能不断提高。 在连续输出光纤激光器研究方面，1 9 9 3 年，h p o 等研制的高功率n d 3 + 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 l ”。 美国p o l a r o i d 公司的m m u e n d e l 等人报道了输出功率为3 5 ，5 w 、波长为11 0 0 n m 的掺y b ”双包层光纤激光器【”。1 9 9 9 年，vd o m i n i e 等人，在双包层掺镱光纤中 获得了大于1 1 0 w 的连续输出功率，效率效率约为5 8 i 引。2 0 0 0 年，r a h a y w a r d 等报道了掺铥双包层光纤激光器，得到了1 4 w 单模连续激光输出，斜率效率达到 4 6 一j 。2 0 0 2 年5 月，1 p g 公司研制出连续激光输出功率7 0 0 w 的双包层光纤激 光器，8 月又推出连续激光输出功率2 k w 的双包层光纤激光器【”1 。 在脉冲输出光纤激光器研究上，z j c h e n 等用包层泵浦技术研制出了峰值功 率3 7 k w 、脉宽2 n s 的掺n d 3 + 脉冲激光器川。高功率激光在光纤中传输时，纤芯 内的光功率密度可达到每平方厘米百兆瓦量级，使光纤中出现了多种非线性现 象，对这些非线性效应的有效利用则可推动激光技术的应用和发展。譬如，光纤 中的受激喇曼散射效应( s r s ) 和频率上转换现象提供了拓宽光纤激光器输出波 长范围的有效途径。d i n n i s s 研制成功了包层泵浦串级喇曼光纤激光器l ”，i j w c b r i n k m a n n 制作了包层泵浦频率上转换光纤激光器l 陀j 。在t 2 0 0 1c l e o ，会议上， c c r e n a u d 等报道了包层泵浦的大芯掺y b 光纤激光器，得到了脉冲宽度2 5 0 n s ， 峰值功率高达3 0 k w 的激光脉冲i ”l 。 1 1 2 光纤激光器的分类 随着光纤掺杂技术的提高、半导体工艺的完善以及光纤光栅的研制成功，各 类光纤激光器的设计和制作技术也日趋成熟。目前，光纤激光器基本上叮分为血 南开土学硕士学位论文 第一幸锗论 类： 光纤非线性效应激光器：利用光纤中的非线性效应制成的激光器，如光纤受 激拉曼散射激光器和光纤受激布里渊散射激光器； 单晶光纤激光器：利用在基质上生长单晶的技术制成掺杂单晶光纤，并以其 作为激活介质的激光器，单晶光纤主要有：n d ：y a g 、t i ：s a p p h i r e 、c r ：a i z 0 3 、l i n b 0 3 等； 塑料光纤激光器：通常是在塑料光纤纤：签或包层中充入染料制成； 光纤孤子激光器：所谓“光纤孤子”是利用光纤色散与非线性效应共同作用而 形成的一种非线性效应：光纤孤子激光器是利用这种非线性效应制成的，可以通 过利用掺铒光纤激光器的锁模或频移技术及利用光纤中的受激拉曼散射实现 1 5 5 9 m 的光纤孤子激光器： 掺杂稀土元素的光纤激光器：现己成为国际学术界热门前沿的研究课题。常 用的掺杂稀土元素包括：铒( e p ) 、镱( y b 3 + ) 、铥( t m ”) 、钕( n d 3 + ) 、错( p 一) 和钬( h o ) 等。其中掺e r 3 + 光纤激光器激射波长位于1 5 2 5 1 5 6 5 n m 范围内，泵 源一般可以由输出波长为9 8 0 r i m 或1 4 8 0 r i m 的半导体激光器( 简称9 8 0 n ml d 或 1 4 8 0 n ml d ) 提供；掺y b ”的光纤激光器波长是i 0 p t m 1 2 1 a m ，y b 3 + 的吸收带相 当宽，为8 0 0 m n 1 0 6 4 n m ；y b 3 + 与e r 3 + 共掺，可以使1 5 5 0 n m 波段的光纤激光器 性能得以提高：2 t x m 掺h o ”光纤激光器主要用于医疗上；3 9 9 m 的掺h 0 3 + 氧化物 光纤激光器主要用于大气通信( 3 9 m 5 胛为大气通信窗口) ；掺t m ”光纤激光器 波长为1 4 7 0 n m ，也位于光纤通信低损耗窗口1 4 5 0 n m 一1 5 0 0 n m 之中；利用p ，或 p r 3 + y b ”共掺光纤激光器，可以实现蓝、绿、橘红和红光等可见光波段的激光振 荡。 1 1 3 掺铒光纤激光器的发展概况 掺铒光纤激光器可以提供光纤通信第三窗e l ( 1 5 5 0 n m 波段) 的宽带可调谐 窄线宽激光光源，而且具有低阈值、高功率、高信噪比、高温度稳定性、易小与 光纤系统集成等优点，因此成为未来高速火容量光纤通信系统的理想选择。同时， 也可为系统测试和光纤传感提供理想的光源，因此引起广泛关注。经过多年的发 南开土学硕士学位论文 第一幸绪论 一一 展，掺铒光纤激光器已经在单频光纤激光器、窄线宽( 可调谐) 光纤激光器、调 q 光纤激光器和锁模光纤激光器等领域获得j “泛的研究与发展。 一、单频掺铒光纤激光器 单频掺铒光纤激光器也称单纵模掺铒光纤激光器，颀名思义，它只有一个纵 模的激光起振，因此线宽非常小，典型的理论值小于1 k h z 。但受腔的稳定性等环 境因素的影响比较大，理论值很难达到，而且与半导体激光器相比，光纤激光器 的腔长一般比较大，所以纵模间距小，想要得到单纵模激光输出就必须使腔具有 更高的波长选择性以保证只有一个纵模的光起振。此类激光器已经利用窄线宽光 纤光栅1 4 1 、干涉滤波器i ”1 、驻波腔中的空间烧孔效应1 ”1 以及注入锁定法1 1 7 i 实现。 二、窄线宽掺铒光纤激光器 窄线宽掺铒光纤激光器的线宽一般小于o 1 n m ，对应于数十到数百个纵模。 常用的两种方法是光纤光栅法和f a b r y p e r o t ( f - p ) 滤波器法l i s t 。其中，光纤光 栅是反射型波长选择器件带宽窄、插入损耗小、无偏振选择特性，可以直接作 为线形腔的端面反射镜，或者为环形腔提供波长选择性反馈，从而得到窄线宽激 光辕出。两f - p 滤波器法则是透射型波长选择器件，其带通宽度取决于其精细度， 对与其带通波长相同波长的光损耗很小，不同的光损耗很大，因此也叮以形成窄 带激光。 掺铒光纤激光器的可调谐特性非常重要，窄线宽可调谐掺铒光纤激光器无论 是在光纤波分复用( w d m ) 通信系统，还足在光纤传感、光纤放大器测量等领 域都有重要的应用。用前述两种滤波方法都可以得到窄线宽可调谐掺铒光纤激光 器。对光纤光栅，只要使其沿轴向发生应变或改变温度就可以改变其稚拉格 ( b r a g g ) 波长，从而改变激光波长，但这种方法受光纤b r a g g 光栅( f b g ) 调谐 范围的限制，调谐范围不是很大。f - p 滤波器可以通过改变反射端面之间的距离 来调谐，一般利用压电陶瓷( p z t ) 法，调谐范围可以大于1 0 0 n m 。值得一提的 是光纤f - p 滤波器，它与光纡的耦合性好、插入损耗低，是一种很有吸引力的调 谐方案。其它方法，如利用声光调制滤波器( a o m ) f 2 0 l 、双折射滤波器等 也可以得到窄带可调谐掺铒光纤激光器。 三、调q 掺铒光纤激光器 南开土学硕士学位论文 第一幸储论 除连续输出的光纤激光器以外，人们还经常要用到短脉冲光纤激光器，例如 作为分御式传感或距离探测的激光光源等。渊q 的掺铒光纤激光器可以获得n s p s 量级，处于人眼安全波段的脉冲激光。1 9 8 6 年，调q 技术首次被引入到光纤激 光器中。r j m e a r s 等人把声光调制器放置于掺铒光纤激光器的谐振腔中产生了 调q 光脉冲2 “，在1 5 5 9 m 波长上获得了脉宽3 2 n s ，峰值功率为1 2 0 w 的脉冲激 光。从那以后，出现了多种形式的全光纤型q 开关，如光纤迈克尔逊干涉仪，光 纤马赫一曾特尔( m z ) 干涉仪等。杜卫冲等人于1 9 9 7 年用两个光纤光栅作为普 通迈克尔逊干涉仪中的反射镜，利用双光束干涉的基本原理得到了脉宽1 3 p , s ，峰 值功率o 5 w 的1 5 4 5 7 n m 的激光输出【23 1 。南丌大学在1 9 9 9 年利用两个3 d b 耦合 器和两段通信光纤( 干涉仪的双臂) 构成m z 干涉仪，进行了全光纤调q 掺铒 光纤激光器的实验研究，输出1 5 5 7 n m 激光的脉冲半宽4 2 1 a s ，峰值功率达2 6 w 1 2 4 l 。 另外，通过调整光纤偏振控制器平面的角度调q 或者利用光纤中的受激布里渊散 射( s b s ) 可实现纳秒级的自调q 运转。 四、锁模掺铒光纤激光器 与调q 光纤激光器相比，锁模光纤激光器u ，产生脉宽更窄、重复频率更高的 脉冲。1 9 8 9 年，d c h a n n a 及m wp h i l l i p s 等用体铌酸锂相位调制器演示了第 一个锁模掺铒光纤激光器，得到了3 7 p s 的锁模脉冲和4 5 w 的峰值输出功率i ”i 。 此后该项技术取得了长足的发展。在主动锁模方面，直接调制的主动锁模掺铒光 纤激光器输出脉冲的重复频率最高达4 0 g h z ，脉冲宽度为3 5 p s l 2 6 1 。利用有理数 谐波锁模技术，主动锁模的铒光纤激光器输出脉冲的重复频率可以达到 8 0 - 2 0 0 g h z l 2 “。1 9 9 9 年，香港中文大学k l 、c h a n 的研究小组用2 5 g i l z 的驱动 频率获得了2 0 g h z 的8 阶有理数谐波锁模脉冲【2 引。在被动锁模方面，利用光纤 非线性偏振旋转的交叉相位调制( x p m ) 效应【2 9 岍制的被动锁模掺铒光纤激光器 获得了峰值能量 o 5 n j ，脉宽 l o o f s ，重复频率为4 8 m h z 的锁模光脉冲加i 。高重 复频率、窄脉宽的掺铒光纤锁模激光器可以用作光时分复用( o t d m ) 的光源， 有着极为重要的应用前景。 1 2 单频、窄线宽激光器的研究进展 由于窄线宽的单频激光器可产生低噪声激光输出，因此是光通信、光谱分析 南开上学硕士学位论文 第一幸绪论 和光传感中极具吸引力的一一种光源。利用不同的方法可以使光纤激光器产生单频 激光输出，通常单频光纤激光器分为线形腔与环形腔结构： 一、线形腔结构 1 分布b r a g g 反射( d b r ) 光纤激光器 掺饵光纤 泵浦源隔离器 i ) b r 光纤光栅 激光输m 图1 id b r 光纤激光器结构示意幽 d b r 光纤激光器基本结构如图1 1 所示。l ：世纪九十年代r k a s h y a p 等人首 次将光纤光栅应用于光纤激光器以增强模式选择性1 3 ”。1 5 1 a m 单频d b r 光纤激 光器首先由美国联合技术研究中心的g , a b a l l 等人利用掺铒光纤得以实现 3 2 , 3 3 , 3 4 1 。文献 3 2 1 在掺铒光纤两端紫外写入b r a g g 光栅构成0 , 5 m 的谐振腔，掺铒 光纤芯径5 1 1 m ，两b r a g g 光栅在1 5 4 8 n m 中心波长处的反射率分别是7 2 和8 0 。用9 8 0 n m 钛宝石激光器作泵浦源，获得了斜率效率2 7 ，光峰值功率约5 m w 的激光输出。利用f a b r y p e r o t 频谱分析仪证实了单纵模的运转，线宽小于4 7 k h z 。 文献 3 3 1 在掺铒光纤两端紫外写入b r a g g 光栅构成1 0 c m 谐振腔，两光栅反射率相 同，均为9 5 ，光纤端面磨成1 0 0 斜角以避免端面反射影响单频激光运行，利用 p z t 轴向拉伸光纤光栅实现输出波长的连续调谐，调谐范围9 g h z ，但其输出功 率仅1 0 0 1 t w ，斜率效率较低。文献 3 4 ，3 s 基于速率方程理论和耦合模理论，经 过一些近似处理，得到d b r 光纤激光器单模运转的条件，并对具体参数进行了 优化设计，理论预期与实验符合较好。为获得更稳定的单模输出，j l z y s k i n d 等 人制作了谐振腔仅2 c m 和l c m 的d b r 光纤激光器【3 ，输出功率仅为1 8 l u w ，还 观察到自脉动现象。 1 9 9 8 年，北方交通大学光波所的张劲松等人p7 i 基于速率方程理论，给出d b r 光纤激光器的单模运转条件，并通过对光栅反射特性的分析及一些近似处理，进 行了具体设计。2 0 0 0 年，北京大学的薛亦元等1 3 8 1 与张劲松的工作类似，分析了啦 南开土学埙士学位论文 第一幸绪论 频窄线宽分布b r a g g 反射光纤激光器的单模工作条件，在此基础上算出了尊模工 作区域，制作了一个单频窄线宽分靠b r a g g 反射光纤激光器。该激光器在波k 为 9 7 5 5 n m 半导体激光器抽运下，在15 5 6 9 1 n m 波长处，当抽运功率为5 5 3 5 r o w 时 输出功率可达i 4 3 m w ，频宽小于1 2 m h z 。 2 分布反馈式( d f b ) 光纤激光器 泵浦源隔离器 带有光纤光栅的铒纤激光输出 图l - 2d f t 光纤激光器结构示意幽 d f b 光纤激光器优于d b r 光纤激光器之处主要在于只j = f j 一个光纤光栅来实 现光反馈和波长选择，因而频率稳定性更好，还避免了掺杂光纤与光栅的熔接损 耗。虽然可以直接将光栅紫外写入掺杂光纤，但是因纤芯含g e 很少或没有，光 敏性差，所以d f b 光纤激光器的实际制作并不容易。而d b r 光纤激光器则可以 将掺锗光纤光栅熔接在掺铒光纤的两端构成谐振腔，制作更为简便。 d f b 光纤激光器并没有利用传统的腔镜，而是通过b r a g g 光栅提供反馈。d f b 光纤激光器构型紧凑，并有很好的选频特性，其基本结构如图1 2 所示。众所周 知，因为b r a g g 波长区存在禁带，均匀光栅d f b 光纤激光器难以实现稳定的单频 输出。为了获得稳定的单频运行，一种办法是在均匀光栅中引入x 2 相移，另一 种方法是采用碉瞅光栅d f b 激光器。m s e i k a 等人成功地制作了这两种单频d f b 掺铒光纤激光器【3 9 1 。在没有引入石2 相移以前，他们观察到均匀d f b 激光器双 模振荡及模式间的能量交换，模式间隔o 0 7 n m ( 5 9 g h z ) ，与理论分析一致。 3 6 c m 长啁啾光栅d f b 激光器输出功率5 4 r n w ，线宽小于1 5 k h z ，斜率效率1 7 ， 泵浦阈值功率2 1 m w 。w h l o h 等也进行了类似的研究，他们报道了长1 0 c m 的 1 5 5 p a n 单频相移d f b 掺铒光纤激光器1 4 1 1 ，线宽小于1 3 k h z ，输出功率l m w 。 a a s s e h 等人在同年研制了二极管泵浦的掺y b 分布反馈光纤激光器【”1 。其万2 相移光纤光栅长也为1 0 c m 。该激光器运行于1 0 4 7 n m ，闽值小于2 3 0 m w ，斜率效 率为4 4 。 南开太学硕士学位论文 摹一章诗论 国内，北方交通大学的张劲松等研制了1 0 c m 长的柏移分布反馈光纤激光器 4 3 1 ，斜率效率0 1 5 ，1 0 0 9 w 的1 5 4 9 4 n m 激光输出。上海光机所的陈柏、范薇 等人也进行了这方面的研究。他们对掺y b 的相移分布反馈光纤激光器进行了理 论分析4 4 1 ，并研制出运行于1 0 5 3 n m 的寸纵模光纤激光器，得到了1 3 r o w 的激 光输出。 3 通过空间烧孔效应( s h b ) 来实现单频的驻波结构激光器 1 9 9 7 年，英国的r p a s c h o t t a 等通过空间烧孔效应得到了驻波腔结构的掺镱光 纤激光器稳定的单频运转1 4 6 1 ，这一进展使得在不使用隔离器、光纤耦合器及f - p 滤波器等元件的条件下实现稳定的、窄线宽的单频激光运转成为可能。实验巾， 使用6 m 掺杂光纤，其中只有0 5 m 吸收泵光，其余5 5 m 起到了可饱和吸收体的 作用。闽值7 0 m w ，输出功率o 5 r o w ，斜率效率1 。 陈柏、范薇等利用相同原理研制了运行于1 0 5 3 n m 的光纤光栅单纵模掺y b 光纤激光器1 4 5 】，采用f - p 腔结构，掺杂光纤2 m ，获得了i8 r o w 的单纵模激光输 出，斜率效率1 。 4 f a b r y p e r o t 腔结构 图：护_ 辱了忑蒜手 图i 3f - p 腔结构激光器实验装置图 1 9 9 3 年，j t k r i n g l e b o t n 等人使用e r ：y b 光纤 4 ”，将一端与光纤光栅( b r a g g 波长1 5 4 4 8 n m ，反射率4 0 ，带宽o 0 9 n m ) 熔接，另一端与二向色镜( 泵光透 射率9 7 ，激光反射率近1 0 0 ) 相对接而构成1 0 c m 的谐振腔，如图1 3 所示。 得到了7 6 r o w 的1 5 4 5 n m 激光输出，线宽小于i m h z ，斜率效率约1 0 ，9 8 0 n m 泵浦阈值功率为7 m w 。1 9 9 4 年j t k r i n g l e b o t n 等1 4 8 】的工作取得新的进展，e r ：y b 光纤与光栅的熔接损耗降至0 1 2 d b ，腔长约3 c m ，阈值功率为4 r o w ，斜率效率约 为2 2 。 南开土学硕士学位论文 第一章绪论 5 腔内泵浦 9 7 5 n m g r a t i n g ”。” 图i - 4 腔内泵浦激光器示意图 1 9 9 6 年w h l o h 等人提出采用腔内泵浦方式提高输出功率1 4 9 i ，实验装置如图 1 - 4 所示。9 2 4 n m t i ：s a p p h i r e 激光器对掺y b 光纤激光器起一级泵浦作用，掺y b 光纤激光器( 9 7 5 n m ) 对d f b 激光器起二级泵漓作用。由于掺y b 光纤在9 0 0 n m 附近有一吸收峰1 5 0 ，能有效地吸收9 2 4 n m 泵浦光，故与通常的泵浦方式相比，实 验结果比腔内泵浦方式输出功率提高了2 倍。 二、环形腔 1 s a g n a e t y p e 环形腔 1 4 8 l d 图i - 5 s a g n a e - t y p e 环形腔结构图 o p 二绺 o ，pz = 蛰 a j g l o a g 等在1 9 9 6 年研制了一种s a g n a g 型环形腔割1 。每一l d 泵源传输激 光平均功率4 5 m w ，中心波长1 4 9 r i m ，通过1 4 8 0 1 5 5 0 的w d m ，耦合后的平均 功率为3 5 m w 。如图l - 5 ，3 d b 耦合器是腔中的s a g n a c 结构，光纤b r a g g 光栅( f b r ) 与5 0 反射镜对激光器达到1 5 3 0 n m 的阈值是个关键。环形腔长7 2 5 m ，模式间 隔2 7 m h z ，输出1 6 r o w ，线宽小于3 7 k h z ，阈值3 5 m w ，斜率效率5 。 南开太学硕士学位论文 第一章绪论 2 ，自注入反馈型 图l _ 6 自注入反馈型光纤激光器装置图 台湾的c h i e n - c h u n gl e e 利用f b g 做为自注入反馈元件，产生了掺铒光纤激 光器的单纵模振荡5 2 1 ，其中自注入反馈是保证单纵模运转的关键。文中利用f b g 的透射光作为单纵模振荡的自注入反馈，反馈光通过光学耦合器进入主腔，反馈 提供了纵模抑制，保证单纵模运转。如图1 - 6 所示，主腔由l o ，l i 路组成，辅腔 的光走l o ，l 2 。l 2 是光反馈路径。实验得到6 6 d b m 输出，线宽3 5 k h z ，中心波 长1 5 4 9 1 9 n m 。 3 利用驻波可饱和吸收特性 图l - 7 环形腔单频激光器实验装置图 中国科学技术大学的俞本立报道了利用在未泵浦掺铒光纤中，驻波饱和吸收 诱发的自写入光纤光栅的窄带滤波特性及反射波长自适应特性研制的单频光纤 激光器矧，如图1 7 所示。其线宽可窄至0 5 k h z 以下，输出光功率大于l d b m ， 南开土学硕士学位论文 $ 一幸绪论 h i 跳模州问大十3 小n 扎 1 3 本论文研究的主要内容 本论文的研究工作1 二婴足l n 幽家自然科学基金( n o ，6 9 9 7 7 0 1 2 ) 。家自然列 学基金熏点项h ( n o6 0 l3 7 0 1 0 ) 和天津1 自然科学耘余熏点( n o 9 9 3 8 0 1 0 1 ) 资 助课题资助完成的。丰耍内容如卜： 1 介绍了光纤激光器的发服、分类及掺铒光纤激光器在通信领域的讲究成 果，综述了窄线宽、单频光纤激光器的研究现状及实验方法。 2 讨论了铒离子的能缴结构、吸收和发劓光普波长以及枉9 8 0 n m i 。i ) 杂浦情 况下的三能级掺铒光纤激光器系统，并分别对线形腔 l l 环形腔结构的阈值泵浦功 率、输出功率和斜率效率等重要参数进行了推导和分析。 3 首次将光栅外腔可压窄半导体激光器线宽的特性应川下光纤激光器，以通 信用单模光纤和光纤1 7 r a g g 光栅构成外腔，刘上腔一d b r 掺饵光纤激光器提供 反馈，从l 刚正窄激光线宽并进。步选耿单纵模。利用陔原理，我们殴计并研制了 一台低成术、讶- l 生价比的窄线宽、兀跳模、低噪声的单纵模光纤激光器。 理论上，分析了光纤光栅外腔选取 丫f 纵模的原理，模拟了输出功率与泵油功 率的关系并得到了最佳单频运转区问； 实验上，该激光器在1 5 4 8 4 r a n 波段获得了谱宽小于o0 1 6 n m 的稳定激光输 出，晟火光功率达1 9 2 r o w ，斜率效牢为4 。通过与以往文献的比较，浚激光： ： 输出激光的线宽可以窄至k i i z 量级。最后，根据实验中存在的有待改进之处，提 出了有效的优化其性f f p , ( | j 儿种疗法扑分析了箭精度激光线宽测量方法零抽 法的测量原理。 4 对利川驻波腔中米泵浦掺锊光纤的可饱帚l 吸收效应实现币纵模的激光运 转的方法进行了理论与实验研究。 理论上，较为全面地总结并推导了可饱和吸收体中的光强分巾、u ，饱和l 驶收 系数与光强的关系以及光功率的净损耗的解析表达式。 实验上，成功研制，无需使j l j 环：| l ；器的窄线宽掺饵光纤环形腔激光器。得到 了线宽为0 0 1 2 n m ，最大输山功率为08 m w ，斜率效率2i 的窄线宽尊纵模激光 南开上学咸士学啦论文弟一_ i i 诗论 输出。输山激光稳定，不跳模i f t f 1 达到2 0 分例t 以上。浚结构不需要使用h 、形器， 这就大大降低r 实验犍胤的成小，仃利j 令瓜殳川化发肥。， 首次在线形腔结构的掺饵光纤激光器i 实现了线宽00 2 5 n m 。最人输h 光j 虽 为o 3 1 m w ，斜率效率1 8 的窄线觉激光输出。j f 且针刘腔结构刘产，l 单纵模激 光的影响以及泵浦功率对单纵模运行的影响给与了合理的解释。 5 首次提出了工作于l 波段的革频掺铒光纤激光器的实验方案，对该 案的 讨期上作l 波段川、彤腔光纤激光器进行了实验研究。 渡激光器采用脆内二次泵淌的力式，并将e d f l 产生的a s e 对e d f 2 的三种 不同泵浦力式( i 前向，后阳和烈【) 进行了对比，证 ! j _ j 了j f 】腔内双向泵浦方式可 以降低激光器的阚值和提t 铺斜率效率。实验r j 仪州5 m + l8 m 钼 光纤就馒增益谱位 穆到i ，波段，并获得了15 9 3 n m 附近输出功率为3 0 5 m w ，斜率效率为6 ，l u 的激 光输出。 参考文献 i e s n i t t z e r ，“o p t i c a im a s e ra c t i o no f n d 。 r e v i e wl e t t e r ，19 6i 7 ( 12 ) 4 4 卜4 4 6 【2 】e s n i t z e ra n dr “w o o d c o c k ，a p p l p h y sl c t t 。1 9 6 5 ，6 ：4 5 j 3 】k ck a oa n dg al l o e k n a m d i e l e c t r i c f i b u rs u r f a c ew a v e g u i d e sf o r o p t i c a l f r e q u e n c i e s 1 e e p r o cj 、v 0 1 1 i3 1 9 6 6 【4 c a m i l l a re ta 1 c o n c e n t r a t i o na n dc o - d o p i n gd e p e n d e n c eo f4 f j 2 t o4 i l l ，2l a s i n g b e h a v i o u ro fn d ”s i l i c af i b e r s c o n f e r e n c eo no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sr e n o u s a j a n u a r y19 8 7 i 5 jl d m i l l e tc ta 1 n c wa l l f i b e rl a s e lc o n f e r e n c eo no p t i c a lf i b e rc o m m u n i e a l i o n s ， r e n o u s aj a n u a r y1 9 8 7 【6 】h 1 o e t a 1 ，i l i g hp o w e rn e o d y m i u n - d o p e ds i n g l et r a n s v e r s em o d ef i b e rl a s e r , e l e c t r o n i ，c t t ，1 9 9 3 ，2 9 ( 1 7 ) ：15 0 0 】5 0 1 【7 友浦译，趣高功率光纤激光器，激光和光电一r 学进展，1 9 9 8 ， i 二第 期( 总第 南开土学硕士学位论文 摹一章砖论 3