（光学专业论文）光纤激光器和放大器的理论分析和实验研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 摘要 本论文工作是在国家8 6 3 4 1 6 项目掺镱单频光纤激光器的关键技术研究、 ( 9 8 0 n t o 半导体泵浦激光器的稳定研究和8 6 3 8 0 4 神光i 前端系统计算机模拟设 计技术研究的研究背景下进行的，针对神光i i i 前端系统亟待解决的高性能光纤激 光器和低噪声光纤放大器展开的，着重对其中一些关键技术问题进行了研究：对掺 镱光纤放大器的高功率放大特性和噪声特性进行了系统的理论模拟；研制了高增益 低噪声的双程掺镱光纤放大器；采用环行腔自注入锁定技术实现单频单偏振的掺镱 光纤激光器；实现了三种新型的全光纤调q 激光器。本文不仅取得了许多重要的高 技术成果，同时对这些关键技术也进行了技术创新。本论文获得的成果主要有： 1 、基于功率传输方程的掺镱光纤放大器理论模型，引入了一种噪声和信号关联的全 光谱分析方法，全面分析了掺镱光纤放大器的高功率放大特性和噪声特性，并研 究了激光脉冲在放大器中的放大与畸变规律。这些模拟结果对神光i 前端光纤放 大系统的设计具有重要的参考价值。 2 、研制成功光纤光栅锁定的半导体泵浦激光器，长时功率波动小于1 ，波长漂移 小于l n m 。 3 、研制成功高增益低噪声的双程掺镱光纤放大器，小信号增益达到2 8 d b ，噪声系 数小于4 d b 。 4 、研制成功宽调谐单频窄线宽掺镱光纤d b r 激光器，采用新颖的弧形梁调谐光纤光 栅，调谐范围达2 0 n m ，输出激光功率大于4 m w ，线宽小于8 m h z 。 5 、研制成功环行腔自注入锁定的掺镱光纤激光器，获得单频单偏振的输出，工作波 长为1 0 5 3 2 0 n m ，激光功率大于1 5 m w ，线宽小于8 蛐z 。 6 、研制成功掺镱光纤调q 激光器，采用光纤光栅赛格纳克环作为波长选择的调q 开关，获得1 0 5 3 1 6 n m 稳定的脉冲输出，脉宽0 3 p s ，峰值功率波动小于3 。 7 、研制成功掺铒光纤调q 激光器，采用光纤光栅迈克尔逊干涉仪波长选择的调q 开关。在1 5 2 6 3 0 n m 获得脉宽为0 6 “s 的稳定调q 脉冲。 中国科学技术大学博士学位论文摘要 8 、利用分布布拉格反射( d b r ) 光纤激光器和光纤马赫一曾特干涉仪( m z i ) 结合，研制 成功掺铒光纤环行腔调q 激光器，得到单频的调q 脉冲输出，波长为1 5 5 7 5 n m ， 激光线宽为2 5 m h z ，脉冲宽度为0 5 9 s 。 本文创新点和特色： l 、在国际上首次提出并实现了基于光纤d b r 激光器和全光纤m z i 组合结构的掺铒光 环行腔调q 激光器，得到单频的调q 脉冲输出，波长为1 5 5 7 5 n m ，激光线宽为 2 5 m h z ，脉冲宽度为o 5 u s 。对光纤赛格纳克环和光纤迈克尔逊干涉仪做了重要 改进，使它们同时具有波长选择和q 开关的功能。实现了两种的全光纤调q 激光 器：( 1 ) 基于光纤光栅赛格纳克环的掺镱光纤调q 激光器，获得1 0 5 3 1 6 n m 稳定 的脉冲输出，脉宽为0 3 9 s 。峰值功率波动小于3 ；( 2 ) 基于光纤光栅迈克尔逊 干涉仪波长的掺铒光纤调q 激光器，在1 5 2 6 3 0 h m 获得脉宽为0 6 p s 的稳定调q 脉冲。 2 、首次实现了环行腔自注入锁定的单频单偏振掺镱光纤激光器，工作波长为 1 0 5 3 2 0 n m ，激光功率大于1 5 m w ，线宽小于8 m h z 。采用新型的弧形粱调谐光纤光 栅，调谐范围达2 0 n m 。环行腔自注入锁定是一种有效简单的实现光纤激光器单 频单偏振工作的方法。 3 、基于功率传输方程模型首次引入噪声和信号关联的全光谱分析方法，全面分析了 掺镱光纤放大器的高功率放大特性和噪声特性，以及激光脉冲在放大器中的放大 与畸变规律。首次研制成功高增益低噪声的掺镱光纤放大器，小信号增益达到 2 8 d b ，噪声系数小于4 d b ，相对传统的单程结构的光纤放大器，具有更高增益和 低的噪声系数。 关键词：光纤激光器；光纤放大器；光纤光栅；调q ：单频 i i _ | _ i 国科学技术大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h ew o r k si nt h i st h e s i sa r eo nt h eb a s i so f t h en a t i o n a l8 6 3 - 4 t 6 p r o j e c t s t h es t u d y o f k e yt e c h n o l o g i e so nt h es i n g l ef r e q u e n c yy b - d o p e df i b e rl a s e r ”，t h es t u d yo np o w e r a n d w a v e l e n g t hs t a b i l i z e d9 8 0 n mp u m pl a s e rd i o d e ，a n dt h en a t i o n a l8 6 3 8 0 4p r o j e c t “t h es t u d yo nc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dd e s i g nf o rt h ef r o n t - e n ds y s t e mo fs h e n g u a n g i i i d e v i c e ”i nv i e wo ft h ef r o n t e n ds y s t e mo fs h e n g u a n g - i i i d e v i c ee a g e r l yt or e s o l v et h e h i g hp e r f o r m a n c eo p t i c a l f i b e rl a s e ra n dl o wn o i s ef i b e ra m p l i f i e r , w ee m p h a s i z et h e s t u d y o fs o m eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e s ：t h e o r e t i c a la n a l y s i s o n g a i n a n dn o i s e c h a r a c t e r i s t i c sf o ry t t e r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f l e r ( y d f a ) ；d e m o n s t r a t e dd o u b l e - p a s s y t t e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e rw i t hh i g hg a i nc o e f f i c i e n ta n dl o wn o i s ef i g u r e ；p r o p o s e s i n g l e f r e q u e n c y , s i n g l e - p o l a r i z a t i o ny t t e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb ys e l f - i n j e c t i o nl o c k i n g ； i m p l e m e n t e dt h r e ek i n d so f n o v e la l l - f i b e rq s w i t c h e dl a s e r s w eo b t a i nn o to n l ym a n y i m p o r t a n tr e s u l t s i nt h e s eh i g ht e c h n o l o g i e sb u ta l s oi n n o v a t i v er e s u l t so ft h e s ek e y t e c h n o l o g y t h ef o l l o w a l et h er e s u l t sw eh a v eo b t a i n e di nt h i st h e s i s ： 1 b a s e do nr a t ep r o p a g a t i o ne q u a t i o n s ，af u l l s p e c t r a lm e t h o do fn o i s ea n ds i g n a li s p r o p o s e d t oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o i s ea n dg a i no f h i g hp o w e ry d f a ，a n d i n v e s t i g a t et h ep u l s ew a v e f o r me v o l u t i o n si n y d f a t h e s es i m u l a t e dr e s u l t sh a v e s i g n i f i c a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h es y s t e m a t i cd e s i g no ff r o n t - e n dh i g hp o w e rl a s e r s y s t e mo fs h e n g u a n g - i i i d e v i c e 2 t h e p o w e ra n dw a v e l e n g t hs t a b i l i z e dp u m pl a s e rd i o d eb yf i b e rg r m i n gl o c k i n gi s m a n u f a c t u r e d l o n g - t e r mm o n i t o r i n go f t h eo u t p u t ，t h ef l u c t u a t i o no fp o w e ri sl e s s t h a nl a n dt h es h i f lo f w a v e l e n g t hi sl e s st h a nl n m 3 d o u b l e p a s sy t t e r b i u m - d o p e d f i b e ra m p l i f i e rw i t hh i g hg a i nc o e f f i c i e n ta n dl o w n o i s ef i g u r ei sf a b r i c a t e d ，w h o s eu n s a t u r a t e ds i g n a lg a i ni s2 8 d ba n dn o i s ef i g u r ei s l e s st h a n4 d b 4 t h en a r r o w - l i n e - w i d t h s i n g l e - f r e q u e n c yy t t e r b i u m - d o p e d f i b e rd b rl a s e ri s m a n u f a c t u r e d ，w h op o w e ri sa b o v e4 m w a n dl i n e w i d t hi sl e s st h a n8 m h z u pt o 2 0 n mc o n t i n u o u st u n i n gi sd e m o n s t r a t e df r o mt h i sd i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b 黜 f i b e rl a s e ru s i n gan o v e lb e a mb e n d i n g t u n i n gt e c h n i q u e i i i 中国科学技术大学博士学位论文摘要 5 6 7 8 s e l f - i n j e c t i o nl o c k i n gy t t e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e ri sd e m o n s t r a t e d ，w h i c h c a no p e r a t e i n s i n g l e - f r e q u e n c ya n ds i n g l e - p o l a r i z a t i o n t h el a s e rh a sh i g ho u t p u tp o w e r a b o v e 1 5 m w ，w a v e l e n g t ho f1 0 5 3 2 0r i m ，a n dl i n e w i d t hl e s st h a n8 m h z q s w i t c h e dy t t e r b i u ma l l - f i b e rr i n gl a s e ru s i n g af i b e rg r a t i n gs a g n a el o o p ( f g s l ) i s m a n u f a c t u r e d t h ef g s l p l a y s t h es i m u l t a n e o u sr o l e so f q s w i t c h a n d w a v e l e n g t h s e l e c t i v ef i l t e r s t a b l eo p t i c a lp u l s e so u t p u ta t 1 0 5 3 1 6n mw i t hp u l s e w i d t ho f o 3g sa r eo b t a i n e d ，t h ev a r i a t i o n o f p e a kp o w e r i sl o wt h a n3 。 q - s w i t c h e de r b i u m - d o p e d f i b e r r i n g l a s e rb a s e do nf i b e r g r a t i n g m i c h e l s o n i n t e r f e r o m e t e r ( f g m i ) i si m p l e m e n t e d t h ef g m i a c t sa sb o t hb a n d p a s sf i l t e ra n d q s w i t c h i nq s w i t c h e do p e r a t i o n ，s t a b l ef i b e rl a s e ro u t p u tp u l s e sw i t hp u l s ew i d t h o f o 6 p sa n dw a v e l e v i g t ho f 15 2 6 3 0 n ma r ed e m o n s t r a t e d s i n g l e - f r e q u e n c yq s w i t c h e de r b i u m - d o p e d f i b e r r i n g l a s e ri sd e m o n s t r a t e db y c o m b i n a t i o no fd b rl a s e rw i t hm a t h z e n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) t h e s i n g l e f r e q u e n c ya ta p p r o x i m a t e l y15 5 7 5n m i ss e c u r e l ya t t m n e dw i t hn a r r o wl i n e - w i d t ho f 2 5m h za n dp u l s ew i d t ho f 0 5i t si nq - s w i t c h e do p e r a t i o n t h e o r i g i n a li n n o v a t i o ns p o ta n dd i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e ： i ti st h ef i r s tt i m et o p r o p o s ea n dm a n u f a c t u r e da l l - f i b e rq s w i t h e dr i n g l a s e rb y c o m b i n a t i o nd b rl a s e rw i t hm z i t h es i n g l ef r e q u e n c yp u l s ei ss e c u r e l ya t t a i n e d w i t hn a r r o wl i n e w i d t ho f 2 5m h z ，w a v e l e n g t ho f1 5 5 7 5 n m ，a n dp u l s ew i d t ho f 0 5 u si nq s w i t c h e do p e r a t i o n a ni m p o r t a n tm o d i f i c a t i o no ff i b e rs a g n a cl o o pa n d f i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ri sm a d e ，a n dt w ok i n d so fa l l - f i b e rq - s w i t c h e dl a s e r a r e i m p l e m e n t e d b a s e do nt h ef g s la n df g m lw h i c hc a n a c ta sb o t h w a v e l e n g t h s e l e c t i v e f i l t e ra n dq s w i t c h ：( 1 ) q - s w i t c h e dy t t e r b i u ma l l f i b e rr i n g l a s e ru s i n gaf g s li sm a n u f a c t u r e d s t a b l eo p t i c a lp u l s e so u t p u ta t1 0 5 3 1 6n mw i t h p u l s ew i d t ho f 0 3 sa r eo b t a i n e d ，t h ev a r i a t i o no fp e a kp o w e ri sl o wt h a n3 ；( 2 ) q s w i t c h e de r b i u m d o p e df i b e rr i n g l a s e rb a s e do naf g m ii s i m p l e m e n t e d i n q s w i t c h e do p e r a t i o n ，s t a b l ef i b e rl a s e ro u t p u tp u l s e sw i t hp u l s ew i d t h o f 0 6 p sa n d w a v e l e n g t h o f1 5 2 6 3 0 n ma r ed e m o n s t r a t e d 中国科学技术大学博| ：学位论文摘要 2 a s i n g l e - f r e q u e n c y ，s i n g l e - p o l a r i z a t i o ny t t e r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rb ys e l f - i n j e c t i o n l o c k i n g ( s i l ) w i t h a na c t i v ef i b e rr i n gf e e d b a c kc a v i t yi sd e m o n s t r a t e d t h el a s e rh a s h i g ho u t p u tp o w e r a b o v e15 m w ，w a v e l e n g t ho f10 5 3 2 0n m ，a n dl i n e w i d t hl e s st h a n 8 m h z u p t o2 0 n mc o n t i n u o u st u n i n gi sd e m o n s t r a t e df r o mt h i sd i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r ( d b 鼬f i b e rl a s e ru s i n g an o v e lb e a m b e n d i n gt u n i n gt e c h n i q u e t h e s e l f - i n j e c t i o nl o c k i n g i sa p r a c t i c a l m e t h o dt or e a l i z e s i n g l e - o p e r a t i o n a n d s i n g l e p o l a r i z a t i o no p e r a t i o no f f i b e rl a s e r 3 b a s e do nr a t ep r o p a g a t i o ne q u a t i o n s ，af u l l - s p e c t r a lm e t h o do fn o i s ea n ds i g n a li s i n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m e w ea n a l y z et h en o i s ef i g u r ea n dg a i no fh i g hp o w e r y d f a ，a n di n v e s t i g a t et h ep u l s ew a v e f o r me v o l u t i o n si n y d f a ad o u b l e - p a s s y t t e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e rw i t hh i g hg a i nc o e f f i c i e n ta n dl o wn o i s ef i g u r ei s f a b r i c a t e df o rt h ef i r s tt i m e ，w h o s eu n s a t u r a t e ds i g n a lg a i ni s2 8 d ba n dn o i s ef i g u r ei s l e s st h a n4 d b i ti sf o u n dt h a tt h i sd o u b l ep a s sc o n f i g u r ep r o v i d e se n h a n c i n gg a i n c o e f f i c i e n ta n di m p r o v i n gn o i s ef i g u r eb yc o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a ls i n g l ep a s s c o n f i g u r a t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rl a s e r ；o p t i c a l f i b e ra m p l i f i e r ；f i b e rg r a t i n g ；s i n g l ef r e q u e n c y ； q - s w i t c h e d ； v 中国科学技术大学博十学位论文第一章绪论 第一章绪论 许多稀土离子，如铒、镱、钕、钬、钐和铥等。都可用于制造光纤激光器和 放大器，其工作波长在0 4 m 4 “m 之间。早在1 9 6 1 年s n i t z e r 就研制了第一台光 纤激光器，当时所用的是芯径为3 0 0 岬的掺钕光纤，1 9 6 4 年k o e s t e r 和s n i t z e r 合作研究光纤放大器o 。随着低损耗稀土掺杂光纤工作特性和制造技术的不断 发展，到2 0 世纪8 0 年代，光纤激光器和放大器才取得了长足的发展。掺稀士元素 光纤激光器和放大器的研究和应用在近几年受到了国际科技界的广泛重视，因为 其成本低，易于制作，而且工作波长覆盖范围大，在光纤通讯、医学、传感器r 光谱学、激光加工、超快现象、光纤非线性与光孤子、磁场遥感和惯性约束核聚 变等领域有重要的应用价值”。1 。 1 1 掺稀土元素光纤 在光纤激光器和放大器中，作为激光增益介质的是有源光纤，是在普通的光 纤中掺入稀土元素，使原来无活性的光纤变为有活性的光纤，即有源光纤。有源 光纤的特性与普通无源光纤完全不同，与掺杂元素及其能级结构密切相关，研究 和了解光纤激光器和放大器的特性，必须首先了解构造有源光纤的掺杂元素( 即 稀土或镧系元素) 的原子结构、能级分布和光谱特性等。 1 1 1 稀土元素和离子 稀土元素( 或镧系元素) 由原子量为5 7 7 l 且性质相近的1 5 种元素组成， 在元素周期表中位于第5 行，详细列表见图1 - 1 。所有镧系元素都具有相同的外 层电子结构，包括5 s 和5 p 电子，占据4 f 的内层电子主导了这类元素的光学 特性。镧元素没有4 f 电子而镥却有1 4 个4 f 电子。光学吸收和发射引起的跃 迁均发生在4 f 层内。当稀土元素掺杂于石英或其他玻璃光纤中时，通常形成三 价的离子，例如n d 3 + 失去两个6 s 电子和一个4 f 层的电子成为了三价的正离子， 而5 s 和5 p 层却保持着不变，因此4 f 层的剩余电子被部分屏蔽而不易受到外场 的微扰。荧光和吸收波长因此也对外场的依赖性减小，这一点与其他跃迁元素不 同，因为它们不具有这种电子屏蔽。 l 序号元素1 ( k )2 ( l )3 ( m ) 4 ( n )5 ( 0 )6 ( p ) 1 s s ps p ds p d fs p d f s p d f 中国科学技术人学博士学位论文第章绪论 5 7 镧( l a ) 226261 0261 0 2 612 5 8铈( c e )22 6261 026l o2262 5 9 镨( p r ) 22626l o261 0326 2 6 0 钕( n d ) 226261 0 2 61 04 262 6 l钷( p m )22626l o261 05262 6 2钐( s i n )226261 026l o6262 6 3铕( e u )22 6261 0261 072 62 6 4钆( g d )22 6261 026l o72612 6 5铽( t b )22626l o261 09z62 6 6镝( d y )226261 0261 0 1 0262 6 7 钬( h o ) 2262 61 0261 01 126 2 6 8铒( e r )226261 026l o 1 2262 6 9 铥( t m ) 226261 026l o1 3262 7 0镱( y b )22 6261 0261 0 1 4262 7 1镥( l u )22626l o261 01 4 2612 图卜1 镧系元素的电子结构 1 1 2 掺杂光纤基质材料的影响 玻璃是形成掺杂稀土元素光纤的基质材料。由大量的无序基体共价键分子 所组成，形成一个无规则的网格，具有较宽的键长和键角范围，仅仅在外场小 的区域范围内表现出一定的规律性。稀土金属元素在其中通常是作为这个网格 的改善粒子存在或填隙于玻璃网格中。基质对稀土元素光谱能级的影响主要表 现在两个方面：其一是导致s t a r k 分裂，由于基质原子键引起的电场的非均匀 性分布的影响，消除了原来存在的能级简并度。能级中存在的任何简并都因基 质原子间原子键引起的这种电场的非均匀分布而退简并，因此对于给定的电子 跃迁，光谱上将出现精细结构；其二是导致能级展宽，展宽的机制有声子展宽 和基质电场扰动展宽。前者是因能级间发生跃迁时伴有声子的产生或湮灭一类 的能量交换引起的，声子的能量与温度有关。在给定的温度下，存在一个声子 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 能量分布，将引起吸收和发射波长的展宽。声子展宽作用对于所有稀土离子都 是相同的，这种展宽是均匀展宽。而第二种展宽是来自于基质电场对能级的微 扰。这种微扰对于不同的离子是不同的，取决于周围环境，因此是一种非均匀 展宽。另外，由基质电场所引起的展宽与温度无关。 光谱加宽的性质和幅度对于光纤激光器来讲是十分重要的。对于给定的泵 浦功率，增益与线宽成反比。一般来说，稀土元素因受益于参加吸收和发射的 电子被部分屏蔽的作用，所以它较之于无屏蔽层的过渡元素来要优越的多，更 容易产生好的激光。展宽的性质，即均匀或非均匀展宽，对激光的增益饱和程 度和输出谱线结构产生某些影响。展宽机制与玻璃的组分有关。 一 1 1 3 影响稀土掺杂光纤特性的因素 稀土掺杂光纤的制法由溶解法、载体容器法、熔融法、管棒法、气相轴向 沉积和铸造法。影响掺稀土元素光纤特性的因素很多，例如，激发态吸收，泵 浦频率上转换，掺杂离子浓度和温度变动等等凹“”。 掺杂浓度的影响 在工作介质样品掺杂浓度极低的情况下，如果入射光予数超过了掺杂离子 数，那么处于基态的离子可能被耗尽，信号的放大受到离子数的限制。从这一 点出发似乎提高增益的办法无非是提高掺杂离子的浓度，但高的掺杂浓度会带 来两个问题。第一个问题是浓度淬灭。高的掺杂水平将导致相邻能级的无辐射 交叉弛豫，使得激光上能级的粒子数下降。第二个问题是晶体化发生在玻璃基 质之内，这对激光的形成也是不利的。在玻璃基质中，非晶体化的稀土元素离 子的浓度在很大程度上取决于玻璃系统本身。在研究掺钕和p ：0 5 的玻璃光纤预制 棒时发现，在荧光谱中出现附加的窄谱线，这些反映了材料中的微晶结构。显， 然，可以掺入玻璃基质又不致使其结晶的稀土离子浓度与玻璃系有关。目前屏 得到的石英光纤掺杂一般都为数百p p m 的浓度，这一数字一般只能通过实验确 定。 激发态吸收 所谓激发态吸收( e s a ) ，是指处于激光上能级的电子吸收泵浦光子向更高的 能级跃迁，随后通过某种非辐射弛豫过程进入一中间能态，然后重新回到激光上 能级。显然这种e s a 过程是一种能量的无效消耗，无助于激光及其放大的产生， 却降低了掺杂光纤激光器和放大器的效率。此外，e s a 过程将以噪声形式出现， 恶化了光放大器的噪声特性。 中围科学技术人学博士学位论文 第一章绪论 1 1 4 光纤中稀土元素离子能级结构 对于稀土离子，电子间的库仑相互作用和自旋一轨道耦合相当，因此稀土离 子介于l - s 耦合和j - j 耦合之间。然而对于某一个稀土离子无论处于哪一个能级 都具有相同的宇称，具有相同宇称的甄态间的电耦极子矩阵为零，( 量子数f 不 变) ，这样任意两能级间的偶极子跃迁被禁止，但对于磁偶极子和电四极子，虽 然光谱强度要弱好几个数量级，但却是可能的跃迁。当三价稀土元素离子处在晶 体或玻璃中时，情况就发生了变化，配位场对激活离子的能级会产生劈裂，虽然 因为5 s 5 p 外壳层的屏蔽作用，使s t a r k 能级分裂较小( 其实在s i o 。玻璃中这种 劈裂也可大于1 0 0 0 c m - 1 ) ，但它的重要作用在于破坏了离子周围的反演对称性， 而使电偶极子跃迁变为可能，使谱线大大增强。 在玻璃中，稀土离子荧光带和吸收带的展宽比在晶体中要复杂得多，因为玻 璃具有随机结构，每个稀土离子所处的电场不同。因而具有不同的s t a r k 能级。 这样，不同离子处于不同的环境，光谱加宽表面看起来似乎以非均匀展宽为主， 在实验中也观察到，当用窄线宽激光激发时，荧光谱和增益谱的开头依赖于激光 发光波长。但是，更深层次的实验结果与此不同，值得注意的有两个重要实验结 果：其一，是1 4 s u m 泵浦的掺e r ”光纤放大器实验得到的增益谱形状与纯均匀 展宽的谱形状的结果一致“1 ：其二，有许多实验证明了光纤激光器和放大器的 近量子极限的性能+ “”，例如：一旦泵浦超过了阈值，系统每吸收一泵浦光子， 便有一个激光光子产生，这种行为表明，窄线宽高强度激光束至少在两个多重态 的s t a r k 能级的跃迁中，可以与上激光多重态能级的所有离子相互作用，并能提 取粒子数反转储存的所有能量“。一系列现象“州表明在室温下，稀士离子掺 杂光纤的宽吸收带和发射带至少在一级近似下可认为是均匀展宽。 尽管稀土掺杂光纤的能级较为复杂，但还是能够用三能系统和四能级系统对 其加以描述：决定稀土离子的激光行为是发生在三能级跃迁还是四能级跃迁的因 素有许多。对于掺e r 3 + 光纤，基态多重态s t a r k 劈裂相对较小( 约为4 0 0 c m l ) ，在 室温下，基态的s t a r k 能级均被热激发离子占据，故掺e r ”光纤激光器几乎所有 激光波长以三能级激光工作。 稀土元素之一的y b ”离子，掺入固体或石英光纤材料中，可作为激光增益介 质或与其它稀土元素共掺杂作为能量传递介质。长期以来y b ”离子最重要的应用 只是作为一种激光激活离子，与其它稀土元素离子共同掺杂。y b ”离子吸收泵浦 光子的能量后，把能量传递给其它受主离子。如e r ”、h o ”等，y b “离子并不直接 发生能级跃迁而产生激光，而仅仅只是作为一个能量传递工具。但自从掺y b ”离 子独特的优点被重视以后，y b ”离子就一直作为主要的激光工作离子。与其他的 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 稀土离子相比y b ”离子的能级结构非常简单与所有的发光波长相对应的只有 两个多重态能级：基态多重态2 f ，。和激发态多重态2 f 。my b 3 + 离子在掺入石英等基 质材料后，其能级发生变化，从而其吸收和发射光谱也要发生很大的变化。而对 于掺y b 3 + 情形，y b ”基态多重态的s t a r k 分裂相对较大( 约为1 0 0 0 c m - 1 ) “，基态 的s t a r k 能级未被热激发离子完全占据，一般地说激光工作在三能级系统还是四 能级系统与激光波长、泵浦波长及光纤长度有关。通常由于基质材料中电场的非 均匀分布的影响引起y b ”能级的s t a r k 分裂，消除了原来存在的能级简并，相应 的吸收和发射光谱将出现精细结构。大致可以认为工作波长在l p m 以下时激光以 三能级工作，工作波长在l 岫以上时，激光以四能级工作。在三能级工作时必须 避免明显的再吸收损耗，大部分的光纤长度必须被泵浦光漂白，即泵浦光强度型 少需要等于泵浦饱和强度：对给定的泵浦光强来说。这相当于限制了光纤长度， 若光纤长度超过泵浦饱和的光纤长度时，由于非反转区域的再吸收，将使三能级 增益下降，当再吸收损耗使三能级增益小于四能级增益时，激光工作在四能级系 统( 严格地说应是准四能级系统) 。 1 2稀土掺杂光纤激光器研究概况 光纤激光器和放大器是有源光纤器件，它的历史和激光器本身的历史几乎一 样长。属于这类器件大体上有三类：一是利用掺杂光纤( 包括对石英玻璃光纤、 卤化物光纤以及晶体光纤等的掺杂) ，例如光纤掺杂稀土离子即可使之被激活， 进而制成掺杂光纤激光器和放大器：二是利用光纤的非线性效应，例如利用受激 拉曼散射效应制作的光纤拉曼激光器与放大器：三是利用晶体光纤，例如y a g ，b s o 等晶体光纤作为激活介质制作的光纤激光器与放大器。在这三类器件中，掺杂光 纤，尤其是稀土掺杂石英玻璃光纤制作的激光器和放大器，发展极为迅速。究巍。 主要原因，主要是因为这种激光器和放大器的波长可覆盖光纤通信的最佳窗口。 1 2 1 光纤激光器的发展 将光纤结构应用于激光和放大器的思想是由s n i t z e r 于1 9 6 1 年提出并加以 验证的，他采用芯径为3 0 0 岬的掺n d 光纤作为激光增益介质“1 ，1 9 6 4 年k o e s t e r 和s n i t z e r 发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果啪，当时他们正在为美国光 学公司工作。不久以后，光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作。”。高锟和 h o c k h a m 在1 9 6 6 年首先讨论了利用光纤作为通讯介质的可能性。 在2 0 世纪7 0 年代，b e l l 实验室也开展了这方面的研究工作。低损耗的硅 光纤出现不久，便于1 9 7 3 年被用于制作二极管激光器泵浦的光纤激光器m ”1 中国科学技术人学博士学位论文第一章绪论 虽然之后又开展了一些工作“，但在1 9 7 5 1 9 8 5 年这十年中有关这个领域的文 章比较少，不过在这十年中许多发展光纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟。低 损耗石英单模光纤和半导体激光器都已商品化并得到广泛的应用，而且还完善了 基于石英光纤的定向耦合器的制作。这些都为光纤激光器的研制铺平了道路。 到2 0 世纪8 0 年代后期，许多研究小组进入了这个领域，光纤激光器的研究 取得了长足的进展。1 9 8 5 年英国南安普敦大学的研究小组演示了用m c v d 方法制 作的单模光纤构成的激光器，此后他们先后报道了光纤激光器的调q 、锁模、单 纵模输出以及光纤放大器方面的研究工作0 7 。英国通信研究实验室于1 9 8 7 年 展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置，他们在增益和激发态吸 收等研究领域中也做了大量的基础工作，在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的 激光输出谱线方面做了开拓性的工作。“。世界上还有很多研究机构活跃在这个 研究领域，如德国汉堡技术大学，n t t ，h o y a ，日本的三菱。美国的p o l a r i o d c o r p o r a t i o n 。斯坦福大学和6 t e 等“”。初期工作侧重于掺钕和掺铒的光纤激光 器”“，但也采用其他稀土掺杂离子“”和光纤的自身的非线性提供增益“”，由 于掺镱光纤激光器能产生1 - 0 5 p l r n 波段的激光用于激光核聚变，并且具有输出功 率高、调谐范围大等优点3 ，发展尤为迅速。从1 9 8 9 年开始，对锁模光纤激 光器的研究掀起新的热潮，这类激光器能产生超短脉冲并在光纤通信，超快现 象、光纤传感、惯性约束核聚变等方面有应用价值0 1 1 。 国内从2 0 世纪8 0 年代开始这个领域的研究工作，如中国科学技术大学，清 华大学，上海光机所，天津大学以及邮电部和电子部所属的一些研究单位，在光 纤激光器、放大器和相关器件的研究中都取得了一定的进展“。 1 2 2 光纤激光器的基本原理和腔形设计 光纤激光器的基本结构与一般激光器大体相同。也是由增益介质、谐振腔与 泵清源组成的，如图i - 2 所示。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放 置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入 光纤：谐振腔是两个介质镜构成的，实际上可以将介质膜直接镀在光纤端面上， 也可以采用定向耦合器或者光纤光栅等方式构成谐振腔，以形成激光振荡。从某 种意义上讲，光纤激光器实质上是一个波长转换器，即通过它将泵演波长的光转 换为所需要的激射波长的光。 泵 图i - 2光纤激光器的基本结构 6 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 基本原理如下：泵浦光通过稀土掺杂光纤时，光纤芯中的稀土离子吸收泵浦 光，跃迁到激光上能级，产生粒子数反转。反转后的粒子以受激辐射或自发辐射 跃迁到激光下能级，即出现激光过程。由于受激发射是一种放大过程，要维持受 激发射的增益，首先必须保证有足够的反转粒子数，泵浦是实现粒子数反转的必 要条件。泵浦由外部较高能量光源提供。由于泵浦能量高于激射能量，所以激射 的光子的波长应比泵浦光子的波长长，这一特点为光纤激器的实用化提供十分有 利条件，即可以采用廉价的、成熟的g a a s 激光器作为泵浦光源，从光纤激光器 获得1 0 5 岬、1 3 岬、1 5 邮和2 3 p m 的激光输出。 光纤激光器的腔形可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔法布里- 珀罗( f a b r y p e r o t ) 腔，它是将增益介质置于两片反射镜之间构成的。在光纤激 光器中，腔镜经常对接耦合到光纤端面，以避免衍射损耗。该腔损耗非常小，然 而，这种腔的调整较为困难，光纤端面或腔镜稍微倾斜，就会使损耗急剧增加， 允许的倾斜度小于l 。这个问题可以通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛光 端面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感，而且泵浦光也经由同 一腔镜入射，所以当泵浦光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。 ，有几种替代方法可以使泵浦光不通过介质膜镜。第一种方法是使用定向耦合 器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分泵浦光从耦合器的一个端口输入腔内， 耦合器是光纤激光器的一部分。这样的耦合器称为w d m 耦合器。第二种方法是直 接在光纤上刻写光纤光栅作为腔镜。对激光波长来说，布拉格光栅相当于高反镜， 对泵浦光则是透明的。如果将f - p 腔的两个腔镜都用光纤光栅代替，就形成全光 纤系统；利用布拉格光栅的另一个优点就是由于光栅具有频率选择性而能获得单 纵模窄线宽的激光输出。第三种方法是使用光纤环形镜。光纤环形镜能设计成对 输出光全反，而对泵浦光全透。 因环形腔能够单向输出