（光学专业论文）er3yb3共掺窄线宽光纤激光器的研究.pdf

y 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：牙岍 翻一器年f 月工6 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l o 年) 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) =l。乏；，r 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，均已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。 学位论文作者答名钵甥 砷g 年f 月) 易日 e r 3 + y b 3 + 共掺窄线宽光纤激光器的研究 摘要 窄线宽光纤激光器具有低阈值、低噪声、高信噪比和便于小型化等优点，在 光纤通信系统、相干检测系统、光纤传感系统以及精密光谱测量等领域有着广 泛的应用前景。随着技术水平的不断进步，人们对窄线宽光纤激光器的研究正 朝着兼具多波长、窄间距、可调谐、大功率等特性的激光结构的方向发展。 本论文选取了e r 3 十厂n 3 + 共掺窄线宽光纤激光器作为研究课题，主要进行了以 下几个方面的研究： 1 介绍了光纤激光器的分类，阐述其特点及应用，综述了近几年国内外窄 线宽光纤激光器的发展概况及研究进展。 2 对铒镱共掺光纤激光器进行了理论研究，分析了泵光在光纤中的分布， 不同的光纤长度、泵光功率和腔镜反射率对激光器输出功率的影响。 3 对分布布拉格反馈型窄线宽光纤激光器的压窄线宽机理做了定性的描 述。对铒镱共掺d b r 光纤激光器进行了实验研究，观察并描述了铒镱共掺d b r 光纤激光器中存在的泵浦诱导热效应，分析了泵浦诱导热效应产生的原因，进 一步利用温控设备得到了波长较为稳定的窄线宽输出。 4 利用铒镱共掺d b r 光纤激光器中存在的泵浦诱导热效应，首次提出并实 现了窄线宽d b r 光纤激光器具有超窄间距、双波长特性的稳定运转。阐述了泵 浦诱导热效应对d b r 光纤激光器中两个f b g 的反射谱宽和反射中心波长的影 响，对双波长激射机理做出了合理的解释。同时，利用成熟的掺铒光纤放大技 术，实现了双波长激光放大。 5 对分布反馈( d f b ) 光纤激光器进行了理论和实验研究。通过分析分布 反馈激光器的耦合模方程，论述了可以通过引入石相移实现单纵模运转，并进一 步对d f b 光纤激光器的输出特性进行了理论分析。对铒镱共掺d f b 光纤激光器 进行了实验研究，实现了稳定的前向单纵模激光器输出。 关键词：光纤激光器，e r 3 + y b 3 + 共掺，窄线宽，单纵模，分布布拉格反馈( d b r ) ， 分布反馈( d f b ) ，双波长，超窄间距，泵浦诱导热效应。 e r + y b 3 + 共掺窄线宽光纤激光器的研究 a b s t r a c t t h en a r r o w - l i n e - w i d t hf i b e rl a s e r sa r ew i d e l yu s e di nav a r i e t yo ff i e l d ss u c ha s t h et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，f i b e r - o p t i cs e n s o r s ，a n ds p e c t r o s c o p y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , t h en a r r o w - l i n e - w i d t hf i b e rl a s e r s ，w i t ht h ec h a r a c t e r s s u c ha sm u l t i w a v e l e n g t h ，n a r r o ws p a c i n g ，t u n a b l e ，h i g ho u t p u tp o w e r , a r ea t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s i nt h i st h e s i s ，n a r r o w 1 i n e w i d t h e p + y b 3 + c o d o p e df i b e rl a s e r h a v eb e e n i n v e s t i g a t e da n dt h em a i nc o n t e n t s 玳l i s t e da sf o l l o w s 1 t h es o r t s ，c h a r a c t e r sa n dt h ea p p l i c a t i o no ff i b e rl a s e rh a v eb e e ni n t r o d u c e d a d d i t i o n a l l y , t h ep r o g r e s s a n d d e v e l o p m e n t o ft h er e s e a r c hw o r ko n n a r r o w l i n e w i d t hf i b e rl a s e rh a v e b e e ng e n e r a l i z e d 2 t h ee r 3 + 厂y b “c o d o p e df i b e r l a s e rh a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h e a n a l y t i cr 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 tp a r a m e t e r sw e r ed e d u c e d 3 t h em e c h a n i s mo fr e a l i z a t i o nt h en a r r o w - l i n e w i d t ho u t p u ti nt h ed i s t r i b u t e b r a g gr e f l e c t i o n ( d b r ) w a se x p l a i n e dq u a l i t a t i v e t h ee r 3 + w 0 3 + c o d o p e dd b r f i b e r l a s e rh a sb e e ns t u d i e do ne x p e r i m e n t sa n dt h ep u m p - i n d u c e dt h e r m a le f f e c t si nt h e d b rf i b e rl a s e rw e r ed e s c r i b e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h i sp h e n o m e n o n ，t h es t a b l e n a l t o w - l i n e - w i d t ho u t p u tw a so b t a i n e dw i t ha t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r 4 f o rt h ef i r s tt i m e ，t h ec o n f i g u r m i o no fad u a l - w a v e l e n g t hn a l t o w - l i n e w i d t h d b rf i b e rl a s e rw i t hu l t r a - n a r r o ws p a c i n gw a sd e s i g n e db a s e do nt h ep u m p - i n d u c e d t h e r m a le f f e c t si nt h ee r 3 + 厂y b 3 + c o d o p e dd b rf i b e rl a s e r t h ee f f e c to ft h et h e r m a l t u n i n go nt h ed b rl a s e rw a se x p o u n d e da n dt h em e c h a n i s mo ft h ed u a l w a v e l e n g t h f i b e rl a s e rw a se x p l a i n e dr e a s o n a b l y t or e a l i z et h et u n a b l eo u t p u tp o w e r , am a t u r e e d f am o d u l ew a sc o n n e c t e dt ot h ed b rf i b e rl a s e ra n do b t a i n e di d e a le x p e r i m e n t r e s u l t s 5 t h ed i s t r i b u t ef e e d b a c k ( d f b ) f i b e rl a s e rh a sb e e ns t u d i e do nt h et h e o r ya n d e x p e r i m e n t s b a s e do nt h ec o u p l e dm o d ee q u a t i o no ft h ed f bl a s e r , t h ec o n d i t i o n ， i n s e tt h e 万s h i f t ，t or e a l i z et h es i n g l e - m o d el a s i n gw a sp r o v e d f u r t h e rm o r e ，t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gt h eo u t p u tc h a r a c t e r sa n ds e v e r a li m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h e n e r 3 + y b 3 + 共掺窄线宽光纤激光器的研究 d f bf i b e rl a s e rw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t sw e r ed o n ew e l la n do b t a i ns t a b l e s i n g l e - m o d eo u t p u t k e yw o r d s ：f i b e rl a s e r , e r 3 n b 3 + c o d o p e d ，n a r r o wl i n ew i d t h ，s i n g l el o n g i t u d e m o d e ，d i s t r i b u t eb r a g gr e f l e c t i o n ( d b r ) ，d i s t r i b u t ef e e d b a c k ( d f b ) ，d u a l w a v e l e n g t h ，u l t r a n a r r o ws p a c i n g ，p u m p i n d u c e dt h e r m a le f f e c t s i i i e r 3 + y b 3 + 共掺窄线宽光纤激光器的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 光纤激光器概述1 1 1 1 光纤激光器介绍1 1 1 2 光纤激光器的特点及应用4 1 2 窄线宽光纤激光器概述6 1 2 1 实现窄线宽运转的常见选频器件6 1 2 2 窄线宽光纤激光器的发展前景1 0 1 3 本论文研究的主要内容1 3 第二章e r 3 + 肿3 + 共掺分布布拉格反射光纤激光器的研究1 4 2 1e r 3 + 厂y b 3 + 共掺光纤激光器的理论分析1 5 2 2 分布布拉格反馈( d b r ) 光纤激光器的压窄线宽原理2 l 2 3 分布布拉格反馈( d b r ) 光纤激光器的实验研究2 2 2 4 小结2 5 第三章双波长超窄间距e r 3 y n 3 + 共掺d b r 光纤激光系统2 6 3 1 双波长超窄间距e r 3 + 厂y b 3 + 共掺d b r 光纤激光系统的实验研究2 6 3 1 1 实验装置2 6 3 1 2 实验过程2 7 3 1 3 功率可调谐激光系统的输出特性3 0 3 2 双波长的运转机理3 1 3 3 小结3 3 i v e f 3 + 厂y b 3 + 共掺窄线宽光纤激光器的研究 第四章e r 3 + 厂y b 3 + 共掺分布反馈( d f b ) 光纤激光器的研究3 4 4 1 分布反馈( d f b ) 激光器的耦合波方程3 4 4 2d f b 光纤激光器输出特性的理论描述3 7 4 3e r 3 + y b 3 + 共掺d f b 光纤激光器输出特性的实验研究4 3 4 4 小结4 6 第五章总结与展望4 7 致谢5 0 参考文献5 1 个人简历、攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果5 6 v 第一章绪论 第一章绪论 激光器是二十世纪最重大的发明之一。自1 9 6 0 年梅曼( t m a i m a n ) 的第一台 红宝石激光器诞生以来，激光在科学研究、工农业生产、信息、通讯、国防、 医疗卫生、娱乐文化产业和环境保护等领域的应用也日益深入、广泛。近五十 年来，各国的科学工作者围绕着激光器的理论和实践，开展了大量的科学研究 工作，相继发明了各种不同类型的激光器和激光控制技术。例如气体原子( h e n e 等) 激光器、气体离子( a r + 等) 激光器、气体分子( c 0 2 等) 激光器、气体准分子 ( x e a 、k r f 等) 激光器、金属蒸汽( c u ) 激光器、可调谐染料激光器、自由电子激 光器、极紫外及x 射线激光器、掺钛宝石激光器、半导体( g a a s 、i n p 等) 激光器、 固体( n d ：y a g 等) 激光器、光纤激光器等等。 到目前为止，半导体激光器及二极管泵浦的固体激光器、光纤激光器已成为 激光器发展的主流。与其它固体介质激光器相比，光纤激光器具有增益高、散 热好、吸收和辐射带宽大等特点，其输出激光具有良好的方向性。光纤激光的 发展也得益于半导体激光的进展，使得多种稀有元素的吸收能带有了合适的泵 浦源。特别是光纤激光器更以其诸多优点而成为近几年研究的热点，在光纤通 信、光纤传感和激光加工等众多领域得到了广泛的应用。窄线宽( 特别是单纵 模) 光纤激光器是激光器发展的一个重要方向，它除具有上述光纤激光器的特 点外，还以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度 光谱及光纤通信领域。 本论文主要研究方向为e r 3 - 肿3 + 共掺窄线宽光纤激光器。本章首先介绍了 光纤激光器的分类，阐述其特点及应用，进一步介绍了国内外窄线宽光纤激光 器的发展概况及其研究进展，最后简单概括了本论文的主要研究内容。 1 1 光纤激光器概述 1 1 1 光纤激光器介绍1 l 光纤激光器是指应用以光纤为基质掺入某些激活离子作为工作物质或利用 光纤本身的非线性效应制成的一类激光器。按工作原理，光纤激光器可分为六 第一章绪论 类：一、光纤非线性效应激光器；二、单晶光纤激光器；三、塑料光纤激光器； 四、光纤孤子激光器；五、光子晶体光纤激光器；六、稀土类掺杂光纤激光器。 一、光纤非线性效应激光器 光纤非线性效应激光器在光纤陀螺、光纤传感、波分复用以及相干光通信系 统中有重要的应用，与掺稀土光纤激光器相比具有更高的饱和功率和没有泵浦 源限制等优点。这类激光器主要有两种，光纤受激喇曼散射激光器和光纤受激 布里渊散射激光器。 1 光纤受激喇曼散射激光器( s r s f l ) 2 3 】 受激喇曼散射效应是一种因三阶非线性光子相互作用所产生的受激声子对 入射光的散射现象。一般典型的受激喇曼分子主要有：g e 0 2 ，s i 0 2 ，和p 2 0 5 等。 喇曼光纤放大器在光通信系统中有着十分重要的用途，但需要大功率激光器作 为泵浦源，由于光纤喇曼激光器的激射波长仅与泵浦波长和光纤材料有关，以 1 0 6 “m 激光器作为泵源，级联喇曼光纤激光器原则上可以在光纤放大器所需的 任意波长实现高功率、高光束质量的激光输出。 2 光纤受激布里渊散射激光：器( s b s f l ) 4 5 】 受激布里渊散射效应是强光与介质中的弹性声波场发生相互作用而产生的 一种光散射现象，目前这类激光器发展略显滞后，主要由于两个本征偏振态致 使受激布里渊散射不稳定，进而导致激光输出的频率和功率的不稳定。 二、单晶光纤激光器6 ，7 】 单晶光纤激光器是利用掺杂单晶光纤作为激光介质制成的激光器。单晶光纤 是将晶体材料生长成为纤维状的单晶体，直径在几微米到数百微米，它具有晶 体和纤维的双重特性，具有抗拉强度高、耐高温等突出优点。单晶光纤主要有： 红宝石，n d ：y a g ，c r ：a 1 2 0 3 ：l i n b 0 3 t i ：蓝宝石，y b ：l i n b 0 3 以及 n d ：m g o ：l i n b 0 3 等。拉制光纤的单晶比同类晶体具有更优越的性能。由于单晶 光纤制备技术不够完善，传输光的特性较差，从而限制了其器件的应用。 三、塑料光纤激光器【8 ，9 】 塑料光纤激光器通常是在塑料光纤芯、包层或两者中充入激光染料，就可 第一章绪论 以制成和以往染料激光器相同的波长的激光器。一种用氮分子激光器泵浦的 p o p o p 塑料光纤激光器获得了4 1 0 4 2 0 n m 波长的激光振荡，这种塑料光纤是以 聚苯乙烯作为芯，聚异丁烯甲脂作包层。目前这类光纤激光器发展比较缓慢， 另外塑料光纤激光器一般只用于短距离光纤通信中。因为它与常规光纤的熔接 损耗较大，不适合用作长距离、大容量的光通信系统的光源。 四、光纤孤子激光器【1 0 , 1 1 1 光纤孤子是由于色散与非线性效应共同作用而形成的一种独特的非线性效 应。实现1 5 5 m 光纤孤子激光器有两种途径：a 利用掺e r 3 + 光纤激光器的锁模 或频移技术；b 利用光纤中的受激喇曼散射。 五、光子晶体光纤激光器【1 厶1 4 j 光子晶体光纤是一种二维光子晶体，即在二维光子晶体纤维长度方向连续 制造缺陷，利用其局域光的能力，将光限制在缺陷内沿着纤维方向传播。其光 纤截面中心缺陷为光纤芯区，而包层是由具有规则分布的空气孔排列成三角形 或六角形蜂房的微结构构成的，又成为多孔光纤。光子晶体光纤的传光方式有 两种：以光子禁带方式传光和全内反射结构传光。光子晶体光纤最为突出的两 个特性是：无休止单模传输特性和奇异的色散特性。光子晶体光纤所具有的优 异性能使其在许多领域都得到了广泛的应用，如：色散补偿、非线性应用( 特别 是超连续谱的产生) 、光孤子通讯和弯曲损耗等。 六、稀土类掺杂光纤激光器 稀土( 或称镧系) 元素一共有1 5 个，在元素周期表中位于倒数第2 行的位置， 排首为镧( l a ，原子数为5 ，排尾为镥( l u ，原子数为7 1 ) ，所有的稀土原子都 具有相同的外电子结构5 s 2 5 p 6 6 s 2 ，即满壳层。在4 f 支壳层内占据的电子数决定 着元素的光学性质。稀土元素的电离通常以形成三价状态的形式发生，例如： 钕( n 矿+ ) 等，它们均溢出2 个6 s 和1 个4 f 电子。由于剩下的4 f 电子受到屏蔽作 用，因此它们的荧光与吸收波长不易受外场的影响，较为稳定。常用的掺稀土 元素包括：e r 3 + ，n d 3 + ，t m “，h 0 3 + ，y b 3 + ，以及p p 等。其中y b 3 + 光纤激光器 波长是1 0 m 1 2 m ，y b 3 + 具有相当宽的吸收带( 8 0 0 n m 1 0 6 4 n m ) 以及相当宽 的激发带( 9 7 0 n m 1 2 0 0 n m ) ，泵浦源选择相当广泛且泵浦源和激光都没有受激吸 3 第一章绪论 收。y b “和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大量提高；2 m 掺h 0 3 + 光纤激光器主要用于医疗上；3 9 ”m 的掺h 0 3 + 氧化物光纤激光器主要用 于大气通信上( 3 m 5 肛m 为大气通信窗1 2 1 ) 。掺t m 3 + 光纤激光器波长为 1 4 7 0 r i m ，也位于光纤通讯低损耗窗口之中。 掺稀土元素光纤激光器的一个重要性质在于其输出光谱特性受到掺杂离子 周围分子环境的显著影响。这种性质引起两个可利用的特性：其一是可以通过 改变基质玻璃的组分来调节输出波长；其二是当基质是玻璃时，可以观察到较 宽的荧光，可以在很宽的范围内实现可调谐激光输出。 人们对光纤激光器的研究历史几乎和激光器本身的发展史一样长。早在 1 9 6 1 年s n i t z e r 就发现了掺钕( n d 3 + ) 玻璃包层波导中的激光现象。但是，由于种 种困难一直没有得到实际的应用。直到8 0 年代中期，由p o o l e 等人在m c v d ( 改 进的化学汽相沉积) - 1 艺基础上，率先开发出汽相掺杂与液相掺杂技术，使得稀 土元素掺杂光纤的制作工艺日益完善，此后光纤激光器才得到真正的发展。 经过科学工作者的不懈努力，光纤激光器正日趋成熟并逐步商用化。到目 前为止，按稀土元素掺杂光纤激光器的光纤基质材料划分，主要有石英( s i 0 2 ) 玻 璃和氟化物玻璃两大类并以前者更为普遍。按光纤激光器的构成分类，最为常 见的有f a b r y p e r o t ( 线形) 腔和环形腔。按照稀土离子能级结构的不同，光纤激光 器又可分为三能级系统和四能级系统。 1 1 2 光纤激光器的特点及应用f 1 5 , 1 6 1 由于光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦、有高增益( 单程增益达5 0 d b ) 稀土元素在玻璃基质中有较宽的线宽和调谐范围m 3 + 为1 2 5 n m 、t m 3 + 3 0 0 n m ) 。 具体特点如下： 1 、光纤作为导波介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度， 可方便的与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低 激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特点。 2 、由于光纤具有很高的“表面积体积 比，散热效果好，环境温度允许在 2 0 。+ 7 0 0 c 之间，无需庞大的水冷系统，只需要简单的风冷即可。 3 、可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下皆 可正常运转。 4 第一章绪论 4 、由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑体积 小，易于系统集成，性能价格比高。 5 、作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当多的可 调参数和选择性，光纤激光器可在很宽光谱范围i 内( 4 5 5 - 3 5 0 0 n m ) 设计运行，加之 玻璃光纤的荧光谱相当宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器， 调谐范围已达8 0 n m 。 6 、光纤激光器还很容易实现单模，单频运转和超短脉冲。 7 、光纤激光器增益高，噪声小，光纤到光纤的耦合技术非常成熟，连接损耗小 且增益与偏振无关。 8 、光纤激光器的光束质量好，具有较好的单色性、方向性和温度稳定性。 9 、光纤激光器所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此可以制作出高精 度，低损耗的光纤，大大降低激光器的成本。 由于光纤激光器的诸多优点，其应用日益广泛。 在光纤通信系统中，普遍以半导体激光器作为光源，但是当激光被耦合进入 光纤时，总是存在着耦合损耗的问题。光纤激光器则解决了这一难点，因为光 纤到光纤的耦合不仅损耗低、效率高，而且非常稳定。尤其是耦合点被焊接以 后，效果会更好。另外光纤激光器经过优化之后，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 0 1 m h z ，并且调谐范围小于l o n m ，因此，光纤激光器具有更高的波长精确控制 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1 0 g h z ， 脉宽为l o o f s 的超短光脉冲，可以将它用于孤子通信系统。由光纤激光器发射的 孤子在无滤波和无其它控制装置的情形下能够以2 5 g b s 的速率传输1 7 6 0 0 k m 。 光纤激光器还可应用于光传感领域。一般情况下，光纤激光器以连续波方式 运转，并以布拉格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环境的温度和 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。 光纤激光器在光纤通信领域有重要的应用地位已是不争的事实，而且还有 迅速的向其它更为广阔的激光应用领域扩展的趋势。为了满足光纤通信、激光 加工、激光医疗等领域快速增长的市场需求，美国、西欧、日本和我国纷纷加 第一章绪论 大光纤激光器的研发力度。尤其是近几年，美国i p g 光电公司推出的掺y b 高功 率光纤激光器系列，最大激光输出功率已经高达几十k w ，具有高插头效率，泵 浦二极管寿命长，无需机械稳定，可在各种不同的外界条件下使用、省电、安 全的空气冷却等一系列的优点，从而在激光加工、光电探测、生物工程等领域 有极大的应用前景。总之，光纤激光器的应用范围越来越扩展，如在计算机和 微电子制造业中用于各种不同类型的微电子制造加工和数据存储加工；在图像 显示和印刷业中用于不变图像的自动记录、显示及各种类型图像处理应用；在 工业制造业中用于传统工业制造加工和大功率二极管的泵浦光源；在医药卫生 业中用于诊断及治疗的应用( 如对心血管病心脏造影、激光美容等) ，在电信业中 用于电信市场的有源和无源的光电子产品等各种不同功率的光纤激光器。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，因此还可以应用 于国防与军事领域等。 总之，由于光纤激光器的优良性能，决定了它比半导体激光器和大型激光器 ( 如各种体积庞大的、普通激光加工和打标使用的c 0 2 和y a g 激光器) 拥有更多 的优势，在光纤通信领域和激光技术领域中已经占据着越来越重要的地位。 1 2 窄线宽光纤激光器概述 目前人们投入了大量的精力致力于窄线宽光纤激光器的研究，其在传感和高 精度光谱方面有广泛的应用。特别是作为光纤激光传感器，它具有对电磁场的 抗干扰、安全、体积小、可远程控制等特性，并且由于它的高灵敏度以及利用 w d m 技术实现多路传输，在军事上也有很大的应用潜力【切。目前已经可以实现 单纵模输出，带宽可达2 k h z 以下，功率超过1 0 0 m w 。单模光纤激光器还可应用 于相干通讯、频率锁定、雷达激光种子源以及大功率激光器系统的优良的种子 源。此外，由于光纤激光掺杂的三价稀有元素，可以实现在多个波段尤其是通 讯波段的可调谐输出。 本节将重点讨论在光纤激光器中实现窄线宽输出的常用各种方案，概述其研 究进展以及窄线宽光纤激光器的发展趋势。 1 2 1 实现窄线宽运转的常见选频器件 光纤激光器的波长确定和调整是通过波长选择器，如f - p 标准具，可调滤波 6 第一章绪论 器或b r a g g 光栅等实现的。这些波长选择器可以限制增益谱内起振的纵模数， 只让满足特定条件的少数几个模发生激光振荡，这就是窄线宽激光器。如果只 让一个纵模振荡，就成为严格的单频激光器，输出光将具有极高的时间相干性。 一、利用f _ p 标准具选频 标准具可以用来选频和限制带宽，其结构类似于短直腔结构，获得单频激光 的主要措施就是消除空间烧孔效应的影响，减小腔长以增加腔内纵模间距。比 如激光器腔的往返光程长为1 0 m ，其自由光谱区为3 0 m h z 。如果往返光程为l c m ， 贝u f s r 为3 0 g h z 。所以对于给定的增益带宽来说，通过缩短腔长，使纵模间距与 光栅带宽相仿，就可能抑制跳模现象得到稳定的单频输出。但是标准具的光学 表面容易与腔镜形成子腔，不利于形成单频运转。文献 1 8 中通过把标准具置 于两法拉弟旋转器中间来解决反射光的问题，实现了单纵模输出。 二、利用b r a g g 光栅选频 1 9 9 1 年，g a b a l l ，w w m o r e y ，等人首次用写入光栅的方法实现了单频输 出【1 9 1 。在长5 0 c m 的掺e r 3 + 光纤两端写入长1 2 5 c m 的光栅它，们具有相同的b r a g g 波长，反射比为7 2 和8 0 ，用9 8 0 n m 的光抽运，得到与b r a g g 波长一致的单频输 出线宽为4 7 k h z ，结构如图1 1 。 e m b e d d e d g r a t i n g 图1 1 利用b r a g g 光栅选频腔结构 选择合适的谐振腔长度和光栅可以实现单纵模输出。例如带宽为0 2 n m 的光 栅，要求腔长纵模间隔为i o g h z 量级或者腔长为l c m 。为了获得单模激光输出， 应该尽可能地采用短腔或者窄带宽的光栅反射器。z v s l 【i n d 等人1 2 0 l m p 腔长为2 c r n 的光纤激光器，并用9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 泵浦，分别获得了1 8 1 m w 和1 2 2 m w 的功率 输出。此外，用腔长为l c m 的激光，最大得到5 7 m w 的功率输出。 采用短腔结构，可获得合适的线宽，但是由于对泵浦光的吸收较弱，输出的 7 第一章绪论 激光功率受到很大限制。此外，较高的小信号增益也有助于抑制多模运转。采 用增益系数较高的介质要求有高的离子掺杂浓度，比女i z y s k i n d 等人【2 0 】采用的 e r 3 + 掺杂浓度为2 5 0 0 p p m 。此外，较高的小信号增益也有助于抑制多膜运转。但 是高掺杂浓度会引起离子一离子作用，比如浓度猝灭、上转换以及自脉冲等现象， 从而影响激光器的效率，造成激光输出功率的波动。解决高浓度掺杂问题的有 效手段之一是采用两种以上离子的共掺。由于镱( y b 3 + ) 离子的能级结构简单，只 有两个能级，避免了高浓度掺杂中的离子一离子作用，是一种理想的共掺杂对象。 镱铒共掺的光纤在9 8 0 n m 泵浦光的作用下，先是坩+ 离子吸收泵浦光跃迁到其上 能级，再继续跃迁至u e r s + 离子的上能级。这种能量转移的效率( 敏化量子系数) 大 于9 0 ，甚至接近1 0 0 。实际上，采用铒镱共掺的光纤激光器已经获得了6 0 m w 的单模输出【2 。解决的方法是寻求最佳掺杂浓度、抑制上转换发光和反向能量 传递、减少自吸收、提高热导率、控制o h 。离子浓度。 三、分布反馈( d f b ) 光纤激光器 与前边所述的两端用b r a g g 光栅作反射器构成i 构i d b r 结构激光器不同，d f b 结 构的光纤激光器中只有一个光栅而没有端面反射镜。k r i n g l e b o t n 等人用载氢的方 法在3 c m 长的e p + ：y b 3 + 共掺磷酸铝光纤上刻写t 2 c m 长的b r a g g 光栅做成了第一 台d f b 光纤激光器。这种激光器有两个模同时参与振荡，它们对称分布在b r a g g 光栅中心波长的两侧，可以通过加入端镜或改变光栅结构引入附加位相来获得 单模激光1 2 2 j ，结构如图1 2 。 图1 2d f b 光纤激光器结构 w h l o h 等进行了类似的研究，报道了长1 0 c m 的1 5 5 t m 单频相移d f b 掺铒 光纤激光器l z 3 j ，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 3 + 分布反馈光纤激光器【2 4 l 。其石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 ，阈值小于2 3 0 m w ，斜率效率为4 4 。国内，北方交通 大学张劲松等研制了l o c m 长的相移分布反馈光纤激光器1 2 5 j ，斜率效率o 1 5 ， 1 0 0 比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 8 第一章绪论 研究。他们对掺y b 3 + 的相移分布反馈光纤激光器进行了理论分析【2 6 】，并研制出 运行于1 0 5 3 n m 的单纵模光纤激光裂2 7 j ，得到了1 3 m w 的激光输出。 四、利用可饱和吸收体 当一段掺杂光纤处于未泵浦状态时，会对信号激光产生可饱和吸收作用， 当信号激光越弱时，受到的吸收作用越强；对于越强的信号光，其吸收作用反 而越小。在激光腔中连接一段掺杂光纤作为可饱和吸收体，由于场的驻波结构 分布，激光在饱和吸收体中形成驻波干涉，此时激光的功率损耗最低。损耗最 低的纵模将会抑制其它纵模的产生，因为振荡频率的不同，会产生拍频，阻止 驻波的形成，使损耗增大，难以达到阈值形成激光，使激光器实现单纵模运转【捌。 另外，当光功率和掺铒光纤长度合适时，在 驻波波峰处会发生饱和吸收，即诱发了空间烧兰 僦主鼍一二搀一 孔现象，形成了带宽更窄的自写入反射光栅，。镌磊黪缓 如图1 3 所示，有效地抑制了边模激光的产生， 土蕊、，一一缓 实现单纵模的运转，同时跳模现象得到了有效 图1 3 可饱和吸收体自写入 的解决。 光栅结构 1 9 9 5 年，南安普顿y c h e n 利用插入掺饵光纤作为可饱和吸收体的环形腔光 纤激光器，实现了1 5 3 5 n m 处超过6 3 m w 单频输出，输出线宽低于l k h z 2 9 1 。图1 4 为单频激光器结构，将一段未泵浦的铒纤连入环形腔光纤激光器，利用可饱和 吸收体的吸收空间烧孔效应，实现单频输出。 图1 4 利用可饱和吸收体压窄线宽的单频光纤激光器 五、利用非相干技术 为消除驻波效应引起的空间烧孔，可以通过控制腔内光波的偏振状态来实 9 第一章绪论 现。圆偏振光是无法形成干涉的，将增益光纤置于两个偏振控制器中间，通过 调整偏振控制器，就可以在腔内形成传播方向相反但偏振相同的圆偏振光【矧。 如果腔内往返光波为相互垂直的线偏振光，也不能发生干涉，文献 1 8 是用法 拉弟旋转器实现的。如果往返光波频率不同，也不会发生干涉，可以使用声光 调制器实现了这一目的【3 1 1 。在线形腔两端各使用一个工作频率为w 的声光调制 器，它对沿不同方向行进的光产生相反的频移，从而使反向传播的两束光频率 相差2 0 ) ，无法形成干涉，从而得到了1 2 k h z 线宽的输出。 六、利用级联带通滤波器 2 0 0 5 年，比利时l i e g e o i s 等人级联多个m z f ，实现了1 5 4 7 n m 处的单频输出， 激射线宽低于7 k h z 3 2 j 。 图1 5 为实验装置，两臂长差不同的m z 干涉滤波器，具有不同透射谱，合理 选择多个m z f 级联，可以将粗选频器件f b g 的透射谱内的纵模进行压缩，实现 单纵模输出。 图1 5 级联m z f 型单频激光器 1 2 2 窄线宽光纤激光器的发展前景 随着分布布拉格反馈，可饱和吸收体，相移分布反馈等窄线宽技术发展的日 趋成熟，窄线宽光纤激光器在线宽，稳定性等方面的性能已经达到了很高的水 平。其中通讯波段的窄线宽掺e r 3 + 光纤激光器，其线宽性能基本上可以达到m z 量级以下，且可以保持长时间的稳定输出。具有军用价值的掺y b 3 + 光纤激光器， 利用环形可饱和吸收体和f b c n 作的复合腔结构，也可以实现2 k h z 的输出特性。 在追求稳定性好的窄线宽输出的同时，具有多样输出特性的窄线宽激光器已 1 0 第一章绪论 成为人们研究的热点， 一、窄线宽脉冲光纤激光器 不同于连续波长的窄线宽光纤激光器，具有窄线宽特性的高能量脉冲激光器 在非线性频率转换，激光雷达技术，分布传感等领域有着广泛的应用。 2 0 0 3 年a n t i n g w a n g ，h a im i n g 等人利用m - z 干涉计结构作为调q 器件，联合 一个光纤f - p 腔作为一个窄带滤波器实现单纵模输出。图1 6 为窄线宽脉冲调q 光 纤激光的结构【3 3 】，得到峰值功率在1 5 5 7 5 n m 处的调q 脉冲，激光线宽为2 5 m h z ， 脉冲宽度为5 0 0 n s 。 图1 6 窄线宽脉冲调q 光纤激光的结构示意图 为了满足激光雷达等领域的需求，2 0 0 4 年，u t k a r s hs h a r m a ，c h a n g s e o kk i m ， 等人实现了脉冲激光器的多波长窄线宽输出【3 4 】。在实验中，利用射频驱动源， 实现调q 脉冲振荡，借助利用s a g n a c 环可饱和吸收体滤波器实现压窄线宽，并在 腔内插入一个二次s a g n a c 环形作为离散梳状带通滤波器，以及一个包络s a g n a c ， 共同达到波长选择的目的，实现可调谐的双波长输出。实验中获得了波长间隔 在1 1 n m 至l j 3 3 n m 之间可调谐的双波长输出，激光线宽低于4 0 k h z 。 二、波长可调谐的窄线宽光纤激光器 具有可调谐特性的传统窄线宽激光器，在w d m 系统中具备更广泛的应用。 在常见的窄线宽选频装置中，由于结构特点的限制，人们常在基于可饱和吸收 体环形腔结构上实现可调谐的窄线宽激光输出。 2 0 0 1 年y w s o n g ，s a h a v s t a d 等人通过调节o r 形激光腔中的选频器件，实 现4 0 n m 范围内的可调谐输出f 3 5 】，图1 7 为该波长可调谐窄线宽光纤激光器的激光 装置。实验中，利用机械装置改变f b g 的长度，进而改变其反射峰的中心波长， 实现了波长从1 5 2 2 n m 至l j l 5 6 2 n m 的宽带可调谐，线宽为7 5 0 h z 的单纵模激光输出。 第一章绪论 i s ) l a l o r 图1 7 利用宽带可调谐f b g 和可饱和吸收体实现波长可调谐窄线宽输出的实验装置 同样是基于可饱和吸收体结构，2 0 0 3 年h o n g x i nc h e n ，f b a b i n 等人【蚓，采用 级联可调谐带通滤波器装置，同样实现了7 0 n m 宽的准连续可调谐单纵模激光输 出。通过进一步改进口形腔结构，2 0 0 5 年c h i e n h u n gy e h ，m i n g - c h i n gl i n 等人在 激光腔中插入一个s 波段的e d f a 模块，实现了从1 5 4 8 6 n m 至w j l 5 2 2 9 r i m ，e p s 波段 宽带的可调谐单频激光输出 明。 三、多波长窄线宽光纤激光器 不同于口形腔结构，将可饱和吸收体插入一个s a g n a c 环，在泵浦光的作用下， 形成了一个动态的反射镜，可以实现宽带的波长选择，其结构如图1 8 所示。 2 0 0 4 年j i a nl i ，j i a n p i n gy a o ，j i a ny a o 等人【捌，利用这 种动态选频器件，并借助具有多峰反射谱的级联光栅结 构或者l y o t - s a g n a c 滤波器，实现了双波长窄线宽输出。 实验中着重研究了利用l y o t - s a g n a c 滤波器作为选频器 件的腔结构，激光输出线宽为1 1 7 m h z ，波长分别为 1 5 3 2 5 7 r i m 和1 5 3 4 1 4 r i m 。 d f b 激光腔结构中，通过设计d f b 光栅的细微结构， 同样可以实现多波长激射。2 0 0 7 年，x u e m i n g “u 在理论 计算的基础上，设计出具有特殊周期结构的离散型d f b 光栅，得到波长间隔为4 4 0 p m 的双波长单纵模激光器【3 8 l 。 四、高功率窄线宽光纤激光器 7p l 。l5 0 2 0o c ，l 图1 8 可饱和吸收体 反射腔镜结构 高功率激光器因其广泛的应用前景，