（光学专业论文）掺镱双包层光纤激光器的研究(2).pdf

南开大学硕士研究生毕业论文 摘要 由于光纤激光器具有良好的散热特性和很高的转换效率，使高功率光纤激 光器受到广泛的关注。目前，在高功率激光器的应用方面，双包层光纤激光器 已成为人们的首选产品，并引起了人们浓厚的商业兴趣，在光通信、工业加工、 印刷、打标、军事和医疗上有着广泛的应用。 本文介绍了双包层光纤激光器的研究进展，描述了其关键技术一耦合方式 的研究现状，提出并详细分析了两种新型的耦合方式；从实验和理论两方面研 究了结构参数对掺镱双包层光纤激光器的输出特性的影响；提出了两种适用于 双包层光纤激光器的选频方案，研制了选频器件：法一珀干涉仪和光纤光栅； 实现了波长稳定的多波长、高功率光纤激光器和窄线宽高功率光纤激光器。 1 双包层光纤激光器的理论分析 推导了光纤激光器输出特性与激光腔参数关系的解析表达式，模拟分析了 泵光波长、激光波长位置对掺y b 3 + 双包层光纤激光器输出特性影响；论述了激 光功率、斜率效率、激光阈值等输出特性与光纤长度、前后腔镜反射率、腔内 连接损耗等激光腔参数的关系，对具体的实验研究提供了理论依据。 利用二维射线光学分析方法分析了内包层形状对吸收效率的影响。 2 包层泵浦关键技术一耦合方式的研究 设计制造了两套常规非球面透镜耦合系统，模拟了其输出光斑的能量分布： 并基于此种耦合方式实现了高功率双包层光纤激光器和宽带光源。 研制了一种适用于边泵浦的新颖的单包层到双包层光纤耦合器，并在此基 础上提出了一种可用于多点、同时泵浦的光纤排耦合方式。 提出、设计了一种用于阵列半导体激光器与双包层光纤耦合的楔形波导耦 合方式：该方法适用于边泵浦。这两种耦合方式已申请了国家发明专利。 3 掺镱( y b 3 1 双包层光纤激光器的实验研究 建立了完整的线形腔双包层光纤激光器的实验系统，研究了泵源的性能 给出了泵源输出光谱特性与工作温度、泵浦电流的关系。 实验对比了内包层形状为圆形、方形、d 形和矩形的双包层光纤组成的激 光腔光光转换效率，从而验证了第二章中的二维射线光学分析方法。 实验验证了不同反射率的后腔镜对激光器输出功率特性的影响；研究了增 益光纤长度对激光器输出波长的影响，并从激光下能级的自吸收现象的角度很 南开大学硕士研究生毕业论文 好的解释了这种现象。 4线形腔双包层光纤激光器中选频作用的研究 对线形腔双包层光纤激光器波长稳定性进行了分析，讨论、分析了两种适 用于双包层光纤激光器的选频方式：干涉选频和光栅反馈选频。基于法珀干涉 原理，在国内率先实现了一种波长稳定的大功率、四波长双包层光纤激光器。 分析了光纤光栅选频的基本原理，研制了用于刻写1 0 5 3 n m 波段光纤光栅 的掺镱双包层宽带光源；并采用相位掩模的方法研制了1 0 5 3 n m 的光纤光栅。 利用自行研制的光纤光栅构架了窄线宽掺镱双包层光纤激光器，并对这种 激光器的波长稳定性进行了分析。 5 单包层光纤在测量中的应用研究 基于回波损耗分析了用单包层光纤测量液体折射率、浓度参量的原理，给 出了回波强度与折射率、浓度的关系式。实现了一种结构简单、灵敏度高的折 射率、浓度测量仪。 对单包层光纤测量原理进行了分析，研究了微弯效应在缠绕型光纤测量仪 中的应用原理。实现了单包层光纤扭角、位移、形变测量装置，实验结果与理 论分析能很好的吻合。 关键词 掺镱光纤激光器，双包层光纤激光器，掺镱双包层光纤，光纤光栅，法一 珀干涉，矩形内包层，圆形内包层，方形内包层，d 形内包层，透镜耦合方式， 凌镜耦合方式，斜角光纤耦合方式，边泵浦，端泵浦，理论模拟，光纤测量， 微弯光纤传感。 硕士期间参与的科研项目 1 国家自然科学基金项目“双包层光纤光子器件及应用研究”项目编号 6 0 1 3 7 0 l o 2 天津大学一南开大学合作项目“光纤传感在测量中的应用” 南开大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，f i b e rl a s e r sa n df i b e ra m p l i f i e r sh a v em a n ya p p l i c a t i o n s i n o p t i c a lm e a s u r i n g a n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf o rt h e i rw o n d e r f u lh e a t - s i n k i n gc a p a b i l i t ya n dh i g h l yc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y b u tt h e r e i sap r o b l e mi nc o m m o nf i b e rl a s e r , w h i c hi st h ed i f f i c u l t yo fc o u p l i n g m u l t i - m o d e h i g hp o w e rp u m pl a s e r si n t ot h es i n g l e - m o d ef i b e rc o r e ，s o i ti sd i f f i c u l tt om a k e h i g hp o w e rf i b e r l a s e r sa n d h i g h g a i na m p l i f i e r s t o s o l v et h i s p r o b l e m ，c l a d d i n gp u m p t e c h n o l o g i e sa r ew i d e l ya p p l i e d w ei n t r o d u c et h en e w e s tp r o g r e s sa n ds t a t u so fc l a d d i n gp u m pt e c h n o l o g ya n df o c u so n t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ny b ”- d o p e dd o u b | e - e l a df i b e tt a s e r s ，w h i c hi n c l u d e si t s k e yt e c h n o l o g y - t h em e t h o do fc o u p l i n gp u m p i n gl a s e ri n t of i b e r , t h ec h a r a c t e ro fl a s e ro u t p u t , a n dt h ew a yt os e l e c tt h ew a v e l e n g t ho fl a s e ri nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hw o r k si nd e t a i li st h e f o l l o w i n g ： it h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nd o u b l e c l a df i b e rl a s e r s d e r i v i n gf r o mt h er a t ee q u a t i o n sm o d e lo ff i b e r i a s e ra n de q u a t i o n sf o rf o r w a r da n d b a c k w a r dp u m p i n gl a s e r sa n ds i g n a ll a s e r si nd o u b l ec l a df i b e r , w eg e tt h ee x p l i c i te x p r e s s i o n s o f o u t d u tp o w e r s l o p ee f f i c i e n c ) a n dt h r e s h o l dp o w e to f d o u b l ec l a df i b e rl a s e r s f r o mt h e s ee x p r e s s i o n sw en u m e r i c a l l ya n a l y s i st h ee f f e c to fv a r i o u sp a r a m e t e r s ，s u c ha s t h ew a v e l e n g t ho fp u m ps o u r c ea n dl a s e r , r e f i e c t i v i t yo fm i r r o ll e n g t ho ff i b er ，a n d l o s so f c o n n e c lo nt h ep e r f o r m a n c e so f y b 3 7 - d o p e dd o u b l ec l a df i b e rr d c f ) l a s e r s a tl a s t u s i n gt h em e t h o do ft w o - d i m e n s i o n a lr a yo p t i c s ，w ea n a l y s i st h ei n f i u e n c eo f d i f f e r e n tl n n e rc l a ds h a p eo nt h ea b s o r p t i v ee 币c i e n c yo f d o u b l ec l a df i b e rl a s e r s 2 s t u d y o n t h em e t h o do f c o u p l i n g ，o n ek e yp o i n to f c l a dp u m pt e c h n o l o g y w e d e s i g na n dp r o d u c et w on o r m a la s p h e r i c a ll e n sc o u p l i n gs y s t e m ，a n ds i m u l a t ei t sp o w e r d i s t r i b u t i o no fl a s e rs p o t u s i n gt h i ss y s t e m ，w er e a l i z eh i g hp o w e rd o u b l ec l a df i b e rl a s e ra n d b r o a d b a n ds o u r c e w e d e s i g nan o v e ls i n g l e t o d o u b l ec l a df i b e rc o u p l e r , a n da n a l y z ei t so p e r a t i n gp r i n c i p l e b a s e do nt h i s w ep u tf o r w a r daf i b e rr o wc o u p l i n gm e t h o df o rm u l t i p o i n ts i m u l t a n e o u s l y p u m p i n g a w e d g ew a v e - g u ! d ec o u p l i n gm e t h o df o rc o u p l i n gt h el a s e rf r o ml d a r r a yi n t od c f i s d r e s e n t e d t h i sm e t h o da n dt h ef o r m e rc a nb eb o t hu s e di ne d g ep u m p i n g w eh a v ea p p l i e df o r c h i n e s ep a t e n to fi n v e n t i o na b o u tt h e s et w om e t h o d s ， 3 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n d o u b l e c l a dy b j - - d o p e df i b e rl a s e r s w es e t u pac o m p l e t ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fl i n e a rc a v i t yy b 3 + - d o p e dd o u b l ec l a df i b e r l 南开大学硕士研究生毕业论文 l a s e r , i n c l u d i n gl dw i t hp i g t a i lf i b e r s ，a s p h e r i c a l l e n sc o u p l i n gs y s t e m ，c a v i t ym i r r o r sa n d y b 3 + - d o p e dd o u b l ec l a df i b e r , w h i c ha r ea l lm a d ei nc h i n a a n dd i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l da n da b s o r p t i o no f d o u b l ec l a df i b e rw i t hv a r i o u si n n e rc l a ds h a p e si ne x p e r i m e n t s t h e nu s i n gt h i ss y s t e m ，w ed e m o n s t r a t et h ee f f e c to f c a v i t y p a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c e s o fl a s e ro h t p u ti nd e t a i l 4 r e s e a r c ho nt h ew a v e l e n g t hc h o i c eo f d o u b l ec l a df i b e rl a s e r s w e a n a l y z et w ow a v e l e n g t hc h o i c em e t h o d ，i n t e r f e r e n c ea n df i b e rg r a t i n g , w h i c hc a nb e u s e di nd o u b l ec l a df i b e rl a s e r u s i n gt h ep r i n c i p l eo ff a b r y - p e r o ti n t e r f e r o m e t e r , w ef i r s t l y r e a l i z eaw a v e l e n g t hs t a b i l i z a t i o nh i g hp o w e r , f o u r - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e ri nc h i n a w ed i s c u s st h es e t u po f w r i t i n gf i b e rg r a t i n g ，d e s i g na ny b + - d o p e dd o u b l ec l a df i b e rb r o a d b a n ds o u r c ea n dr e a l i z eaf i b e r g r a t i n g , w h o s ec e n t e rw a v e l e n g t hi s1 0 5 3 r i m ，w i t ht h em e t h o do f p h a s em a s k u s i n g t h i sf i b e rg r a t i n g ，w em a n u f a c t u r ea ny b 3 + - d o p e dd o u b l ec l a df i b e rl a s e r , a n d a n a l y z e i t sw a v e l e n g t hs t a b i l i z a t i o n 5 s t u d yo ns i n g l ec l a df i b e r sa p p l i c a t i o n i nm e a s u r e m e n t b a s e d0 nt h ef r e s n e lr e f l e c t i o n ，w ea n a l y z et h et h e o r yo fm e a s u r i n gt h er e f r a c t i v i t ya n d c o n c e n t r a t i o no fl i q u i dw i t hs i n g l ec l a df i b e r , a n ds h o wt h ee q u a t i o n sb e t w e e nt h ep o w e ro f r e f l e c t e dl a s e ra n dr e f r a c t i v i t ya n dc o n c e n t r a t i o n u s i n gt h i st h e o r y , w ed e s i g na n dr e a l i z ea s i m p l ea n dp r a c t i c a lf i b e r - t y p es 科坞睨w i t hw h i c h c a nd e t e r m i n et h er e f r a c t i v i t ya n dt h ec o n c e n t r a t i o n 0 f t h el i q u i d w ea n a l y z et h em i c r o - b e n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i m o d eo p t i c a lf i b e r ( m m f ) ，a n d d e m o n s t r a t ean o v e lt w i s t e df i b e rt o r s i o na n g l es e n s o lt h ee x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n dt h eb a s i c f o r m u l ah a v eb e e na n a l y z e da n dg i v e n t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h em i c r o b e n dl o s so ft h e m u l t i m o d eo p t i c a lf i b e ri ss e n s i t i v et ot h et o r s i o na n g l e a n di t sr e s u l t sa r ew e l la g r e e m e n tw i t h t h et h e o r y k e y w o r d s ：y b 3 一- d o p e df i b e rl a s e r , d o u b l ec l a df i b e rl a s e r , y b 3 一- d o p e dd o u b l ec l a df i b e r f i b e r g r a t i n g ，f a b d - p e r o ti n t e r f e r e n c e ，r e c t a n g u l a ri n n e rc l a d d i n g s q u a r e i n n e rc l a d d i n g , c i r c u l a r c l a d d i n g ，d - s h a p ec l a d d i n g 1 e n sc o u p l e lp r i s mc o u p l e r , b e v e lf i b e rc o u p l e r - s i d ep u m p i n g ，e d g e p u m p i n g , t h e o r e t i c a la n a l y s e s ，f i b e rm e a s u r e m e n t , m i c r o - b e n df i b e r s e n s o r 南开大学硕士研究生毕业论文 第一章绪论 1 1 引言 1 9 6 1 年s n i t z e r 在掺钕0 蚶3 + ) 玻璃波导中发现激光辐射【l ”，从而开创了光纤 激光器领域的研究。1 9 6 3 1 9 6 4 年，光纤激光器和放大器的概念也相继提出【i ”， 但由于当时的光纤损耗大、作为泵源的半导体激光器无法在室温下连续工作等原 因，使得这之后很长一段时间的研究仍处于探索阶段。直到1 9 7 0 年，美国c o m i n g 公司首次研制出第一根损耗为2 0 d b k m 的石英光纤u ，以及后来稀土掺杂光纤 制作技术的逐步完善【1 , 4 , 1 5 】，光纤激光器技术才逐渐成熟，产品进入商用阶段。 光纤激光器具有众多令人瞩目的优点，如：其波导结构与传输光纤相同，易于与 传输光纤集成和耦合；基质材料具有很好的散热特性和热稳定性：与固体激光器 相比，光纤激光器损耗小、阈值低、效率高，而且容易实现小巧、紧凑的结构设 计；所以，光纤激光器在光纤通信、传感、工业加工、国防和军事等领域获得日 益广泛的应用，对其迸一步研究和完善也成为当前相关领域研究的热点。 但传统的泵浦技术很难将高功率的多模泵浦光耦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。与普通单模光纤相比，双包层光纤不仅在纤芯和 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，而且泵浦光基本上是沿光纤整个长度上泵浦的，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。2 0 0 1 年，应用包层泵浦技术，i p g 公 司已研制出连续输出功率高达7 0 0 瓦的光纤激光器，并已投放市场【l6 1 。 利用双包层光纤还可以制作调o 激光器，获得更高峰值功率的脉冲输出。这 种高功率、高能量包层泵浦光纤激光器在光通信、光传感、航天航空、生命科学、 精密仪器加工等领域亦有着非常广泛的应用。 另外，由于高功率光纤激光器纤芯内的光功率密度极高，使得光纤中出现了 多种非线性效应，如受激r a r f l a r l 散射、受激b r i l l o u i n 散射等，因此还可利用大 功率包层泵浦激光器做泵源，实现串级m a m a n 放大器，从而有效地拓宽了光纤 放大器的工作波长范围。这类器件对于长距离通信和海底光缆通信系统中的遥控 泵浦、以及对现有1 3 1 0 n m 光通信系统升级扩容都有着十分重要的意义。 南开大学硕士研究生毕业论文 1 2 双包层光纤结构与特性 1 2 1 双包层光纤的结构 包层泵浦的关键技术之一是双包层掺杂光纤的结构优化设计。双包层光纤的 基本结构如图1 1 所示，由四层材料构成，分别为纤芯、内包层、外包层和涂覆 层。纤芯是由掺稀土元素的s i 0 2 构成，它作为激光的传输通道，对激光波长应 设计成单模，以保证输出激光是基横模。内包层由纯s i 0 2 构成，它的横向尺寸 和数值孔径都要比纤芯大的多，作为泵光通道，它对泵浦光是多模的。一般内包 层可以做成各种形状，有圆形、方形、d 形、矩形、梅花形等。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，从而影响着激光腔的光光转 换效率。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结构，它可以允许大数值孔径、 大截面和多模的高功率泵光耦合到光纤中。最外层是硬塑料，用来保护光纤【l ”。 1 2 2 双包层光纤的特性 内包层 图1 1 双包层掺杂光纤的构形 图1 2 不同内包层形状的光纤横截面 早期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，它具 有以下优点：一是不需要对预制棒做光学机械加工，从而使工艺相对简单，二是 当泵浦源为带尾纤输出的半导体激光器l d 时，尾纤与双包层光纤的圆形内包层 之间的形状匹配易于耦合连接。但是这种光纤也有一个显著的缺点：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杂稀土元素的 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，人们设计 了各种新型的内包层截面形状。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百甚至上千瓦量级，此时单个l d 作为泵源其功率显 然是太小了，人们改进了泵浦方式。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耦合，有的与集成束状的尾纤 南开大学硕士研究生毕业论文 耦合因此对双包层光纤的内包层形状就有了特殊的要求。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铝4 工作中，并取 得了很好的效果。图1 2 给出几种已见报导的双包层光纤截厦形状图，其中包括 同心圆形、偏心圆形、d 形、方形( 矩形) 、梅花形等等。 泵浦光在这些有不同内包层形状的双包层光纤中传输时，对泵浦激光的吸收 率有很大不同l l s l - 【l i ”。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。圆形的双包层光纤的吸收效率最小，光纤的曲率对吸收效率 的影响也很大，而对矩形双包层光纤，光纤的曲率对吸收率的影响非常小。另外， 内包层尺寸对泵浦光耦合效率也有影响。一般来说，圆形内包层由于截面面积较 同等条件下拉制的其他形状的内包层要大的多，其耦合效率相对较高。 l - 3 掺镱( y b 斗) 双包层光纤激光器的研究现状及发展趋势 1 3 1 掺镱双包层光纤激光器在国际上的研究进展 在2 0 世纪8 0 年代后期，由美国的p o l a r o i d ( 宝丽来) 公司首先提出的包层 泵浦技术，大大促进了高功率光纤激光器等器件的发展。此后近十年间，p o l a r o i d 公司。南安普顿大学，l u c e n t 技术公司等研究机构，对该领域竞相开发，技术水 平发展很快。 在包层泵浦技术的发展初期，人们的注意力主要集中在掺钕( n d ”) 双包层光 纤激光器的研究上，1 9 9 3 年， lp o 等人报道了他们研制的高功率掺钕双包层光 纤激光器，在1 0 6 4 m n 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 2 l 。1 9 9 5 年，h z e l l m e r 等人报道了输出波长在1 0 6 4 n m 、功率为9 2 w 的 包层泵浦的掺钕光纤激光器i t - 1 3 。z j c h e n 等人报道了包层泵浦掺钕调q 光纤 激光器，获得了峰值功率3 7k w 、脉宽2 n m 的脉冲激光输出1 1 - 1 4 1 。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，镱掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光 介质才开始受到人们的重视。特别是掺镱石英光纤激光器和放大器方面的研究取 得了很多进展卜1 。2 2 l 。1 9 9 4 年，由h - m p a s k 等人首先在掺镱石英光纤中实现 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 【i 舀】。正是由于掺镱双包层光纤激光器比掺钕双包层光纤激光器具有更 高的斜率效率，以及镱具有简单的能级结构、宽的吸收带和大的发射截面，使得 人们的注意力逐渐转向掺镱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m m u e n d e l 等人报道了一种掺镱双包 南开大学项士研究生毕业论文 层光纤激光器。他们用四根光纤耦合的9 1 6 n m 波长的激光二极管阵列，以5 4 4 w 的功率泵浦掺镱双包层光纤，在l1 0 0 r i m 波长上获得了3 5 5 w 的连续激光输出 1 - 2 4 。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s 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镱双包层光纤激光器，得到了2 0 w 的激光 输出【l ”j 。1 9 9 9 年，vd o m i n i c 等人报道了超高功率掺镱双包层光纤激光器的研 究结果，实验装置如图i 3 所示，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 的泵浦源，分别经偏振分束器( p b s ) 后从双端泵浦掺镱矩形双 包层光纤，经二相色镜( d m 2 ) 反射后在1 1 2 0 n m 得到l l o 的激光输出6 l 。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。 p u n mp u m p 图1 3 高功率光纤激光器实验装置图 i p g 公司2 0 0 2 年j 月2 0 日公告，由他们公司研制的目前世界上输出功率最 高的光纤激光器已经在德国交付使用，该激光器最高连续输出功率为2 0 0 0 w ， 激光为单模、中心波长为1 0 6 p m ：并预计在2 0 0 2 年末，将推出2 0 千瓦级的工 业光纤激光器。 在双包层光纤激光器理论方面，a l i u 和k u e d a 对光纤内包层截面的几何 形状和纤芯对抽运光的吸收效率等方面作了较深入的研究畔7 一】a b e r t o n i 1 3 1 1 和n s k i m i - 3 2 也对双包层光纤激光器给出了优化模型，并进行了数值计算。 高功率双包层光纤激光器的出现，使纤芯内的光功率密度达到百m w c m ! 的量级，因此光纤中将出现多种非线性效应，这些非线性效应提供了拓宽光纤激 光器输出波长范围的有效途径。1 9 9 8 年，h z e l l m e r 等人报道了包层泵浦频率上 转换光纤激光器，他们用钛宝石激光器作泵源，选二向色镜作为波长选择器，用 双包层p r ”n 飞”：z b l a n 光纤作为增益介质，构成了包层泵浦频率上转换光纤 激光器，实验获得了波长为6 3 5 n m 、最高功率为4 4 0 m w 的激光输出，斜率效率 南开大学硕士研究生毕业论文 为1 7 1 1 - 3 3 1 , 1 9 9 9 年，俄罗斯的v1 k a r p o v 等人报道了包层泵浦串级拉曼光纤 激光器，他们利用5 w 的l d 泵浦掺镱双包层光纤，然后泵浦掺磷石英光纤，在 1 4 8 0 r i m 获得了1 w 的连续激光输出，总的光光转换效率达到3 4 【l 。“。2 0 0 0 年，n s k i m 等人报道了：在波长1 4 8 4 n m 处输出功率为1 3 6 w 的包层泵浦掺 磷串级拉曼光纤激光器l 】”j ，泵浦光源为波长1 0 6 4 n m 的掺镱双包层光纤激光器。 同年，m p r a b h u 等人报道了一种新型的包层泵浦串级拉曼光纤激光器，他们利 用8 4 w 的掺镱双包层光纤激光器泵浦7 0 0 m 掺磷光纤，同时在1 2 3 9 n r n 和1 4 8 4 n m 两个波长下分别获得1 0 5 w 和0 9 5 w 的连续激光输出i l 舶】 调q 和锁模是产生短脉冲激光的两种基本技术【l 哪q 4 “研究表明：采用包 层泵浦技术的调q 光纤激光器与常规调q 光纤激光器相比较，可将峰值功率提 高个数量级，脉宽也从7 0 n s 压缩到2 n s 。1 9 9 9 年，z j c h e n 等人报道了一种 增强式包层泵清调q 激光器【1 “，实验选用了高掺杂浓度( 2 w t ) 、内包屡为矩 形( 1 5 0 x 7 5 9 m ! ) 的双包层掺n d 3 + 光纤，波长8 0 0 n m ，输出功率3 w 的激光二 极管。将光纤劈开一个角度用约l m m 小段单模光纤与双包层对接，耦合效率 提高到6 0 。用一个全反射镜和一个二相色镜构成驻波腔结构，该系统获得了 峰值功率3 7 k w 、脉宽2 n s 的脉冲输出。 研究者还发现在常规的调q 双包层光纤激光器中引入一段1 0 m 长的常规单 模掺杂光纤，这时的激光器可作为具有谐振泵浦的受激布里源散射( s b s ) 腔工 作，s b s 对激光腔提供强反馈，形成一段短的s b s 驰豫振荡，使得腔内的q 值 在很短的周期内增加几个量级；从而可得到高峰值功率、窄线宽的脉冲激光输出。 最近两年，研究者们在激光波段的扩展和新型双包层光纤方面做了很多开创 性的工作。2 0 0 2 年，s t u a r td j a c k s o n 等人【l ”j 利用掺铥的硅基双包层光纤：i ! e 2 9 m 波长处得到了1 5 w 的激光输出。2 0 0 3 年，y h t s a n g 等x 14 3 1 利用1 0 6 4 r i m 的 n d ：y a g 激光器作泵源泵浦内包层形状为梅花形的掺镱双包层光纤，实现的边泵 浦光纤激光器具有7 2 j 的斜率效率，1 0 8 0 1 1 6 0 n m 的波长范围，其输出功率 为3 7 w 。 1 3 2 国内双包层光纤激光器的研究动态 国内关于掺镱双包层光纤激光器的研究起步较晚。1 9 9 8 年，南开大学在国 家自然科学基金委和天津市的大力资助下率先开展了该领域的基础研究工作 ”“1 * l 。与原信息产业部电子第4 6 研究所合作，于1 9 9 9 年成功地研制出国内第 一根大内包层尺寸、大数值孔径( n a ) 的掺镱双包层光纤，并进行了激光实验 ”拍】，并且对激光输出特性以及光纤长度对激光波长的影响开展了实验研究”】。 南开大学硕士研究生毕业论文 随后，又研制出方形和矩形内包层光纤【l ”j ，使用波长为9 7 6 n r n 的l d 泵浦光源 和自行研制的掺镱双包层光纤，已经实现了准四能级的光纤激光器的运转。其中 矩形内包层的掺镱双包层光纤激光器，在1 0 7 5 6 r i m 处得到了8 4 r o w 的激光输出， 斜率效率达7 7 i l 。利用c o h e r e n t 公司的波长9 7 6 n m 大功率l d 泵浦掺镱双 包层光纤和掺锗石英光纤，在1 1 7 5 r i m 处还得到了功率为1 2 7 m w 的包层泵浦串 级拉曼光纤激光器【l ”j 。中国科学院上海光学精密机械研究所( 简称上海光机所) 的陈柏等人报道了“l d 抽运掺镱双包层光纤激光器”的实验结果【i ”j ，他们用 9 8 1 5 n l n 的国产l d 作泵源，在多个波长获得激光输出，其中在1 0 3 7 r i m 波长处 获得最大输出功率为3 8 4 m w ，斜率效率为5 5 。 2 0 0 2 年，上海光机所在亚太光通信会议a p o c 上报道了一种新型内包层形 状的双包层光纤结构设计us 2 1 ，其内包层形状如图1 4 中实线部分所示：他们从 理论上对其吸收效率进行了分析，并比较了目前常用几种内包层形状的双包层光 纤的吸收效率，如图1 5 所示。显然，与同心圆形、偏心圆形、d 形光纤相比， 这种新型光纤的吸收系数更佳，但从工艺制造方面来说，这种结构的光纤难以 图1 4 新型内包层光纤形状示意 币o f r e f l a ：t i a an 图1 5 四种内包层形状的光纤吸收特性 实现，目前，尚未见到实际的工作报道。同次会议中，南开大学也分析报道了一 种基于斜角光纤的新颖的包层泵浦耦合方式，利用该耦合方式有望实现全国产的 边泵浦双包层光纤激光器【l ”】。 2 0 0 2 年上海光机所采用中心波长为9 1 5 n m 的l d 泵浦j 0 米矩形光纤 ( 1 7 0 p m x 3 7 0 1 j m ) ，在最大泵浦电流4 0 安培时，输出功率可达 9 瓦 i 5 4 - 1 5 5 1 o 同年，南开大学报道的一种高斜率效率的双包层掺镱光纤激光器，采用大功率多 模l d 抽运2 0 米d 形光纤( 3 4 0 m 4 0 0 p m ) ，以端面反射作为后腔镜，当最大入 纤功率为8 4 瓦时，其输出功率可达6 i 瓦，斜率效率8 6 5 0 。这是国内已见报 道的光纤激光器中输出功率最高的1 1 5 。 葚暮譬扛百晤u写l|dqae1d - 南开大学硕士研究生毕业论文 2 0 0 3 初，本课题组报道了一种基于全国产器件( 北京半导体所研制的半导 体泵源l d 、与原信息产业部4 6 所合作拉制的大尺径双包层光纤、与长春光机所 合作研制的非球面透镜耦合系统等) 研制的多波长大功率双包层光纤激光器i o 5 7 i ， 该激光器可稳定地输出四个波长，单波长的3 d b 带宽约为o 3 n m ，最大连续输出 功率可达1 5 w 。同年，又研制出连续光输出功率为1 8 w 双包层光纤激光器， 这在全国产光纤激光器中输出功率最高，已通过天津市科委的鉴定。 2 0 0 3 年4 月，南开大学又报道了一种基于受激布里源散射的窄线宽调q 双 包层光纤激光器i i 。，采用衍射光栅实现外腔反馈，得到1 0 8 0 n m 到11 4 0n n l 波 长可调的脉冲激光输出，其单脉冲能量1 4 3 1m 时，峰值功率2 8 6 k w ，稳定的重 复频率为1 5 7 t h z ，3 d b 带宽0 0 4 n m 。 i 4 双包层光纤激光器的应用前景 自九十年代以来，高功率的双包层光纤激光器获得了突飞猛进地发展大功 率、高亮度多模半导体激光器的改进和包层泵浦技术的应用，使得高功率光纤激 光器呈现出一片光明的应用前景1 ”。”j 。 由于光纤激光器的良好的散热特性和很高的转换效率，使得高功率光纤激光 器受到广泛的欢迎。目前，在高功率激光器的应用方面它已成为人们的首选产品， 引起了人们浓厚的商业兴趣。高功率双包层光纤激光器在光通信、工业加工、印 刷，打标、军事和医疗上有着广泛的应用i l ”j 。 1 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tb i f f 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，现在的掺铒光纤放大器依赖于单模激光二极管的泵 浦，输出功率仅在w 量级以下，而且其工作范围仅有几十纳米。随着光纤窗口 的扩展，全波段的光纤放大器的研制已列入议事日程，而喇曼光纤放大器可以工 作在光通信窗口的任意波长处，并对光信号进行在线放大。它很好的满足这种全 波段放大的需求。双包层光纤可以把价格低廉的多个多模激光二极管的激光能量 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，这种 高功率的双包层光纤激光器的出现，解决了喇曼光纤放大器泵浦源的问题。 ：功率超过几瓦的光纤激光器在显微外科手术中扮演了十分重要的角色， 它能为外科手术提供较大的高能辐射源。双包层光纤激光器由于结构紧凑、输出 功率高、价格相对较低和无气体、燃料、溶剂等而特别适用于医学应用。我们知 道，医学应用的多样性需要不同波长的激光。高功率2 p m 波长的光纤激光器可 以用于纤维外科手术。另外，在治疗皮肤癌和去纹身方厩需要可见光这种光可 南开大学硕士研究生毕业论文 以通过用倍频晶体将光纤激光器输出的光倍频的方法得到。利用倍频晶体和通过 喇曼频移及参量波长变换技术，可以由双包层光纤激光器得到从紫外到中红外任 意波长的激光，满足不同医学应用的要求。 3 双包层光纤激光器，因其拥有极高的热稳定性和转换效率而大量进入印 刷市场，印刷厂利用它可迸行校样的制模。同时双包层光纤激光器对于图像艺术 工业正出现的最先进热介质也是一种启动技术。 4 掺镱光纤激光器因其具有极高的效率和功率密度，使其在材料加工方面 可与传统的y a g 激光器相媲美。在打标领域，由于光纤激光器具有高的光束质 量和定位精度，使其不仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被 用于塑料和金属打标中。 5 高功率光纤激光技术在军事中的应用亦越来越受到军事及科学专家的关 注。美国空军实验室的科学家们一直致力于输出功率可达千瓦数量级的光纤激光 器的研究：定向能量瞄准项目中的激光集成技术分项目的研究人员正与加州s a n j o s e 市的s d l 公司合作开发高亮度、光照面积小的系统；这种系统能作为激 光防御武器替代目前看好的化学激光器。 综上所述，高功率双包层光纤激光器在光通信、军工、医疗等方面都有着广 泛的应用，并具有巨大的发展潜力。因此对双包层光纤激光器件的研究有着重要 的学术意义和应用价值。 1 5 本论文的主要研究工作 本论文所述及的工作主要是在国家自然科学基金重点项目“双包层光纤光子 器件及其应用研究”、天津市自然科学基金项目“新型高功率光纤激光器用掺镱 双包层光纤的研制”和天津大学一南开大学合作项目“光纤传感在建筑测量中的 应用”的资助下完成的。本论文所有实验工作均基于全国产器件完成的。 论文的主要内容如下： 1 掺镱双包层光纤激光器的理论分析 ( 1 )