（光学工程专业论文）一种环行腔掺铒光纤激光器的研究.pdf

摘要 随着光通信技术的发展，对光通信系统的光源要求越来越高。而 光纤激光器以其显著的优势受到了广泛的关注，本文对一类光纤激光 器环形腔掺铒光纤激光器进行了研究，论文主要内容如下： 1 ) 对光纤激光器的研究背景，历史，分类，发展方向等进行了 简要的介绍。 2 ) 从基本的激光理论出发，建立掺铒光纤激光器的传播方程和 输出特性计算模型。然后提出了一种用常用光学器件组成环形腔掺铒 光纤激光器的设想，针对这种环形腔掺铒激光器，编写了专门的计算 程序，在输出特性等方面进行理论计算仿真，得到了最佳饵纤长度和 最佳输出耦合比等重要参数。 3 ) 在大量实验的基础上进行验证，实验中在泵浦功率为4 3 1 m w 的情况下，得到了功率1 2 9 m w ，峰值波长为1 5 5 0 3 7 n m ，3 d b 带宽为 o 0 6 n m 的激光输出。并对理论仿真和实验的差异以及功率稳定性进 行了讨论，对实验中影响激光器输出特性的因素进行了分析。 4 ) 对环行腔掺饵光纤激光器的调谐进行了研究，对光纤光栅的 布拉格波长与应力和温度变化的关系进行了理论推导，阐述了几种调 谐技术，然后采用应力可调谐光栅，进行大量实验，实现了调谐范围 为7 8 5 n m ，3 d b 带宽为o 0 8 n m ，输出功率为3 8 m w 的激光输出，讨 论了输出耦合比对调谐特性的影响，最后验证了应力调谐的线形特 性，得到了波长随应力推进长度变化的公式。 本文的研究在环行腔掺饵光纤激光器结构设计、优化谐振腔参 数、提高输出性能、调谐等方面做了一些探索，为以后环形腔掺铒光 纤激光器进一步的研究，以及环形腔掺铒光纤激光器的实用化提供了 依据。 关键词：掺铒光纤激光器环行腔速率方程输出特性调谐 a b s t r a e t 砌m 氇ed e v e l o p m e n to fo p 畦e a 王c o 越c a 疰o nt e c 缸o l o 戮 a s e r s i n 也eo d t i c a l c o m m u n 主c a t i o ns y s t e mh a v et om e e t 出ei n 钟e a s i n g r e o u m e m s f i b e rl a s e r ，a sad e v i c e 晰md i s t 王n g u i s h e da d v 趾协g e ，h a s f e c e i v e dg r e a 毫a t 毫e 珏蛀。n 溉她w 。r l d f 弧e 趣g - 。a v i 移e 盎i 濑d 印舒 f i b e rl a s e r ( e d f l ) ，o n eo f 矗b e rl a s e r s ，w i l lb es t u d i e di n 吐l i st h e s i s t h e m a i nc o n t e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 强尊瓿靶酗臻矗，醛s t o 秭s o f t s 强d 鑫e v e 躺诚魏娃瓠o f 硒娌1 8 嗡 a r eb r i e n yi n 缸o d u d 2 b a s e do n 如n d a m e n t a ll a s e rt 量l e o 坝t r a n s r n j t t i n ge q u a t i o n 丑n d e 蘸e u 矗垃鞴l e l 馥o u 肇嫩穗雒a c t e r i 照c s 瓣s e 毫u p i 童搿1w ed e s i 嚣 ar i n 哥c a v i t ye d f lw h i c hg o n s i s t so 工1 1 yo fs o m ec o 衄o no p t i c a l c o m p o n e n t s ，a n d 州i t eas p e c i 蠡cc a l c u l a t i o np m 铲黜t os i m u l a t et 王1 e o u 蛰u tc l 王箍f 8 e 缸s t i eo f 妇豳g - 龆v 主t ye d f l s o 擞es i 鲥蠡c 皴t p a r a m e t e r s ，s u c ha s 廿1 eo p t i m a l l e n 甜ho ff i b 。ra i l dt 1 1 。c o u p l e d r “o n o f o u t p u tc a u p l e f 诵i lb eo b t 蕊n e d 3 w 毫m a k eal o to fe x p e r i m e n 抟t op r o v e 拯e 黼a l y s i sa b o v e ，a r i n g c a v i t ya 1 1 一f i b e rl a s e rw o r k e d a t15 5 0 3 7 mw a sd e m o n s t r a t e d w i ma no u t p h tp o w e ro f1 2 9m wa n dab a 潮w i 甜1o fo 。0 6 n m 鼬3 d 鹜 o nc o n d t i o n 如a tp u 瑚pp o w e ri s4 3 1 m w i 弧et h e s i sa l s od i s c u s s e s 血ed i s t i n c t i o nb e t w e e nm et h e o r e t i c a ls i m u l 越0 na n dt l l e a e t u a l e x p e 蠢氆髓t 黼w e l l 赫氇ep a w e rs 嫱i l i 黟，a n 蠢矗n 鑫l y z e s 氇e f 8 c 童。r a 妊b c t 抽gl a s 。ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s 4 t h i s 如e s i ss t u d i e s 协et l l n a b l ec h a r a c t o r i s t i c so f 血er i n g - c a v i t ye d f l 勰d 魄。氇。磁e sf 。g 曩砖盘g 也e 羚l 菇嗽sb e 帮e 檄也e 辩gw a v 尊l e 鞋g 法 a i l d c h a n g e si n s 订e s sa i l dt e h l p e r a t u r e na l s oi 1 1 u s t r a t e s8 e v e r a l 钆n a b l et e c h n o l o g i e s nm a k e san u m b e ro f 。x p e r i l n e n t sb yu s eo f 鼬e s s 纽n a b l ef b g 王专疰n a l l yo b 纽血s 畦撼o u 蛰瀵p a w e ro f 3 盘越ww i 也 t h et u n a b l ew i d mo f7 8 5 n ma n dab a i l d 、i d mo fo 0 8 n ma t3 d b i t d i s c u s 辩sh o wc o 印l e d r 撕o no f 删巾u te o u p i e ra 船c t 3t 圭l e a b l e c h a 撒c t e r i e s 。r 蠡n a l l yv a l i d a t e s 如el i n e a re h 盯a c t e 穗蛙c so ft 圭l e s t r e s 8 t 1 1 n e 8a n dd e r i v e s 血ef o m u l ao n 也er e l a l i o nb e t w e e n 血e w 8 l e n g 出黼d 畦l es 穗e s s t h et h e s i se x p l o r e s 也es 佻c t u f ed e s 啦o nm er i n g 忡c 列i t ye d f l ， o p t i m i z e dc a v i 妙p a r 锄e t o r s ，i n l p r o v i n g 幽oo 唧u tp e r f o r m a n c ea n dt u n e s 诵i c hp 犯v i d 。s 董撞谢d e n c e 蠡琵畦撼融t h 。rs t u d ya 嫡矗e 秘p u l 硝z 缸i o f t i l er i n 廿c a v i t ye d f l k e yw o r d s ：e r b i u n l d 叩e dn b e r1 a s e r ，r i n g c a v i 劬r a t ee q u “o n ， 嵇】肇毽c h 8 勰e f e r 至s t 主o ，t 疆n o 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盔劾 日期：兰! = 竺! ：! ：笪 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅i 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释；本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 盈塑 丝过掣 。、：? 。1 一 日期 日期 渺 j 西 竺! ：! ：! 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 11 1 光纤通信和激光器 第一章绪论 1 9 6 6 年7 月，英国标准电信研究所的英籍华人高锟( k c k a o ) 博士和ga h o c k h a n l 就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，论文分析了玻璃 纤维损耗的主要原因，大胆的预言，只要能设法降低玻璃纤维中的杂质，就有可 能使光纤损耗降低到2 0d b m m 。这篇论文的成果使光纤通信有了实现的可能“1 。 从此，对光纤通信系统中各关键器件的研究进入了新的时代。 光纤通信系统中的关键器件包括光源，光纤，光接收，调制解调，编码设备 等等。自然界的光源很多，如太阳光，灯光。但是这些光源的频率和相位是杂乱 的，不能用于光通信的光源。只有方向性，单色性好，相位相同的激光才适合作 为光通信的光源。对产生激光的激光器早在上世纪5 0 年代就开始了研究。 1 1 2 半导体激光器 1 9 5 3 年，美国的冯纽曼在一篇发表的论文手稿中第一个论述了在半导体 中产生受激发射的可能性，认为可以通过向p n 结注入少数载流子来实现受激发 射，计算了在两个布里渊区之间的辐射跃迁速率。巴丁在总结冯纽曼关于半导 体激光器的基本理论后认为，通过各种方法扰动导带电子和价带空穴的平衡浓 度，致使非平衡少数载流子复合产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样， 以同样频率的电磁辐射作用来提高，这应该说是激光器的最早概念。随着激光理 论的发展，1 9 6 0 年美国人工h m a i l n a n 发明了红宝石激光器，使人们获得了频 率和相位都稳定的光源一激光，但当时的激光器还不能在室温下连续工作。1 9 6 2 年1 月，梅贝格报告了可以从g a a s p n 结中得到1 0 0 的荧光量子效率，致使在 1 9 6 2 年后期美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功g a a s 同质结半导体激光 器。1 9 7 0 年贝尔实验室的i h a y o s 1 i 等人一举实现了双异质结构的半导体激光器， 研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，这种激光器只有米粒大小，可以说 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 这是划时代的进展。这也许是贝尔实验室至今在光纤通信领域上处于领先地位的 基点之一。由于光纤和激光器的重大突破，也使光纤通信有了迅猛的发展”。 1 9 7 7 年，贝尔实验室和美国电报电话公司几乎同时研制成功寿命达1 0 0 万 小时的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。 半导体激光器有以下优点，使得它能在各个领域得到应用。 1 ) 半导体激光器是直接的电子一光子转换器，因而它的转换效率高。 2 ) 半导体激光器所覆盖的波段范围广。 3 ) 半导体激光器的使用寿命很长，目前用于光纤通信的半导体激光器工作 寿命可达到十万至百万小时。 4 ) 具有直接调制的能力是半导体激光器一个重要特点。 5 ) 半导体激光器体积小，重量轻，价格便宜。 几十年以来，器件工艺改进，性能不断提高，品种也日益增多，价格大幅度 下降，相继出现很多结构不同、性能优良的半导体激光器，如隐埋条异质结激光 器，分布反馈激光器，分布布拉格发射激光器，量子阱激光器。”。 13 光纤激光器 1 131 光纤激光器简介 与现行光通信系统中的半导体激光器和发光二极管相比，光纤激光器结构简 单，激射波长可以精确预定在 光纤通信窗口1 5 5 0 i m 波段， 可实现宽带调谐”3 和窄线宽 输出”1 ，与光纤通信系统完全 兼容。被认为是未来长距离大 容量的超高速光纤通信系统 的理想光源。 反，镜 反射谠激光输出 嘉鬲一一 - 囤】1 光奸激光器基本掂构示意图 光纤激光器也由泵浦源、增益介质和光学谐振腔构成。光纤激光器的基本结 构如图1 1 所示。 掺稀土金属离子的光纤( 图中为掺铒) 为增益介质，掺铒光纤和反射率经过 选择的光学元件构成光学谐振腔。在泵浦光进入光学谐振腔后，稀土金属离子吸 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 收泵浦波长的光子，形成离子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输 出激光。 1 3 2 光纤激光器的研究背景 光纤激光器和半导体激光器一样，具有体积小、重量轻、稳定可靠等许多优 点。另外光纤激光器还有着半导体激光器等其他激光器无法比拟的优点，全光通 信系统也需要光纤激光器这种更适合与光传输系统连接，耦合效率更高的光源， 自从其诞生以来，就倍受人们的关注，也一直是研究的热点。 光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度。它所 基于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。 如果光纤的选择使泵浦和信号波长均运行于单模工作状态，则泵浦和信号光场之 间的重合性非常好。由于光纤的几何特点，使得这种结构具有较高的面积一体积 比，因而其散热效果很好。以上这些特点就决定了硅为基质的光纤激光器可以在 较低的功率泵浦下工作在连续的输出状态，而其它块状玻璃介质的激光器一般仅 能工作在脉冲状态，常需要相当高的泵浦能量以获得激光输出。 光纤的圆柱形结构还具有下列两个优点，便于在光通信和医学中应用。首先， 由于光纤激光器本质上是一种光纤结构，因此它可以以较高的耦舍效率与目前的 光纤传输系统连接。第二，由于光纤结构小巧便于操作，在医学的某些应用中是 理想的，例如深入到人的胃中。 事实上，基于光纤结构的激光器使得某些器件成为可能，我们可以利用定向 耦合器的优点得到光纤形式的分束器。这一点对避免光纤系统连接时的衍射损耗 非常有利。这样就可以不离开光纤形式完成光波的分束，利用这一特点就可以形 成全光纤反射器，反射仪和谐振腔。这种光纤激光器的设计使得低阈值操作，波 长调谐和窄谱线输出都成为可能。 掺稀土元素离子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份来调节输出波长。其二是当基质是玻璃时，可以观察到较 宽的荧光。通过对图1 - 1 所示的腔结构进行改进，例如加上一个波长选择反射器， 就可以得到5 0 n m 或更宽范围内的可调谐激光输出。 光纤激光器可以提供许多输出波长，就掺铒光纤激光器而言，其输出波长对 于光通信具有非常重要的价值。输出光波长由掺杂到纤芯中的稀土元素离子所决 定。在光谱段上1 3 1 p m 和1 5 5 “m 波长的输出是最重要的，因为他们对应于光 通信中的两个低损耗窗口。1 5 5 p m 的输出可以利用半导体器件作为泵浦源，因 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 此意味着用较低的成本即可实现有价值的激光输出。 除了在通信和医学方面的应用之外，随着功率光纤激光器技术的进步，它在 工业上的应用日益体现出优势： 1 ) 光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械 系统的设计变得非常简单。 2 ) 胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容 忍度。 3 ) 不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。 4 ) 高的电光效率。综合电光效率高达2 0 以上，大幅度节约工作时的耗电， 节约运行成本。 5 ) 超长的工作寿命和免维护时间：平均免维护时间在l o 万小时以上( 即每 天2 4 小时连续开机，可连续工作1 1 年左右) 。 6 ) 因采用很长的单模光纤进行选模，光束质量最优可达1 0 5 ，使得激光加 工的质量非常好，而且较低功率的光纤激光器胜任3 倍y a g 激光器和5 倍c 0 ：激 光器大部分的应用。 7 ) 由于掺杂的不同，光纤激光器可以实现从1 0 0 0 n 珈一2 0 0 0 n m 的不同波长输 出，使它应用于更加广泛的领域。 8 ) 高功率，目前商用化的光纤激光器可达到千瓦级。 由此可见，把光纤激光器作为第三代激光器的代表不足为奇。 113 3 光纤激光器发展历史 第一台光纤激光器于1 9 6 3 年由s 1 1 i t z e r 和k d e s t e r 制出。上世纪7 0 年代，贝 尔实验室也开始了这方面的研究工作。到7 0 一8 0 年代中期，发展光纤激光器的工 艺技术趋于成熟。如低损耗的硅单模光纤和半导体激光器( l d ) 的商品化和广 泛应用、氟化锆光纤的制作和基于硅光纤的定向耦合器技术的完善等都为光纤激 光器地发展奠定了基础。8 0 年代后期，英国南安普顿大学的电子工程系和物理 系开始在这一领域的研究工作中扮演重要的角色。1 9 8 7 年，英国通信研究实验 室展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光器装置，而他们最大的贡献是 制成了用l d 泵浦的光纤激光器。此外， 本的三菱、美国的p o l a r o i dc o i p o r a t i o n 域的研究工作。“。 德国汉堡的技术大学、n t t 、h o y a 、日 斯坦福大学和g t e 等也涉及过这个领 早期对激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩 展方面。今天密集波分复用( d w d m ) 和光时分复用( o t d m ) 技术的飞速发 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 展刺激着多波长光纤激光器技术、准连续光纤激光器等的进步。同时，多波长光 纤激光器和准连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现t b ，s 的d w d m 或 0 t d m 传输提供理想的解决方案。就其实现的技术途径来看，采用e d f a 放大 的自发发射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。 随着激光二极管泵浦技术以及光纤材料和工艺研究的进展，适合多种不同应 用目的的光纤激光器就缤呈异彩地涌现于世。其应用领域也己从目前最为成熟的 光纤通信方面迅速地向其他更为广阔的激光应用领域扩展，诸如金属和非金属材 料的加工与处理，激光雕刻，激光产品打标，激光焊接，焊缝清理，精密打孔， 激光检测和测量，激光图形艺术成像，激光雷达系统，污染控制，传感技术和空 间技术以及激光医学等等。 在过去的几年中，光纤激光器得到了飞速的发展，世界上许多实验室都卷入 了这方面的研究工作。这些研究工作涉及到光纤激光器发展的各个方面。以后将 会利用可见和红外波长区的稀土元素跃迁，发现更多的谱线以满足各种不同的需 要。光纤中的光学过程的理论和基础研究也将进一步发展以优化其性能。 1 2 光纤激光器的分类 1 2 1 按谐振脏结构分类 从腔结构上来看，主要分为线形腔、 线形腔光纤激光器如图1 2 所 示。使用介质膜或金属膜的方法构成 f p 腔通常是传统激光器的方法，”。 这种方法虽然在早期的光纤激光器 研究中也有用到，但现在多数是由在 掺铒光纤两端的光纤光栅构成f 一呷 腔谐振腔。 环形腔光纤激光器如图1 3 所 示，由掺铒光纤，耦合器，隔离器构 成环形谐振腔。本论文就是对环形腔 掺铒光纤激光器的研究。 近些年，随着制造工艺和理论的 进步，许多人开始研究光纤环形镜。 光纤环形镜具有结构紧凑、性能可 环形腔类。 图1 2 典型的残形腔光奸激光器 l 峻播辫耕 l 隔离器一 i 糨器 帮音器 i 一_ 、i ，。、i 图1 3 环形腔掺锅光纤馓光器示意图 ! ! 塞塑皇查兰堡主堕壅l 兰! 邑! ! 兰一 靠，易与光纤连接，构成光纤器件稳定性好的特点。但是光纤环形镜对波长的依 赖性差，一般和窄带的光纤光栅一起构成谐振腔，这个特点可以应用于光纤激光 器的宽带调谐，具有光明的前景。 1 22 按输出光波组成分类 单波长光纤激光器 单波长( 单纵模) 光纤激光器一直是研究的热点，在光通信，传感、光谱学 等领域有着广泛的应用。单纵模激光器具有很好的模式特性，不存在模式竞争， 输出功率稳定等特点。 多波长光纤激光器 近年来，通信系统的传输容量提出了更高的要求，减小信道间隔和增加信道 数目成为密集波分复用( d w d m ) 技术进一步发展的必然趋势，”。由于采用多 个单波长激光器的造价较高，所以研究高性能的多波长光纤激光器，多波长光纤 激光器已经成为对d w d m 技术发展起着关键作用的器件之一。 1 23 按增益介质分类 2 0 世纪9 0 年代后期，由于光纤材料特别是掺稀土元素光纤材料和新的泵清 技术的发展，促进了光纤激光器的发展。从那时起，掺稀土元素光纤激光器技术 受到了世界各国的普遍重视，并得到迅速发展。 所掺稀土元素包括1 5 种，在元素表中位于第五行。目前比较成熟的在光纤 中掺入的稀土离子有：e r 、n d 、p r 、t 和y b 。 掺铒( e r ) 光纤在1 5 5 0 n m 波长处具有很高的增益，正对应低损耗通信窗口， 其潜在的应用价值使其发展十分迅速。 掺镱( y b ) e d f l 是波长l to 1 2 u m 的通用光源，镱具有相当宽的吸收带 ( 8 0 0 1 0 6 4 n m ) 以及相当宽的激发带( 9 7 0 1 2 0 0 n m ) ，因此泵浦源选择非常广 泛而且泵浦源和激光均没有受激态吸收，现在掺镱光纤是大功率光纤激光器的主 要有源光纤。 掺铥( t m ) 光纤激光器的激射波长为1 4 0 0 n m 波段，也是重要的光纤通信光 源。 另外除了掺稀土元素激光器外，还有利用光纤非线性效应的激光器，例如 r a m a n 光纤激光器等等。 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 24 按光纤结构分类 现在主要有单包层光纤激光器和多包 层光纤激光器。“” 近年来双包层光纤激光器以其低闺 值、高功率、窄线宽和可调谐等显著优势 倍受人们的青睐。该激光器利用包层泵浦 技术，使高功率激光二极管阵列能对包层 光纤进行有效的端面泵浦。纤芯的稀土离 子吸收多模泵浦激光并辐射出单模激光， 使高功率、低亮度激光二极管泵浦激光转 换成为衍射极限的强激光输出。双包层光 纤不是普通的通讯光纤，而是掺杂了多种 稀有离子、结构更为复杂、耐高辐射的特 种光纤。双包层光纤结构如图1 4 和图1 5 所示，光纤由纤芯( 芯径约为几个u m ) 、 内包层( 直径约为十几u m 到几十个- d m ) 、 外包层和保护层4 个层次组成，双包层光 纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层， 图1 4 双包层光纤横截面示意图 图1 5 双包层光纤纵截面示意图 它具有较大的数值孔径和截面积，受光角较大，对泵浦光而言是多模的，它能以 较高的泵浦效率吸收高功率的多模泵浦光，这就克服了单模单包层光纤只能接受 单模激光二极管泵浦的缺陷。而且当泵浦光在内包层传播时，它能反复穿越纤芯 对其中的掺杂介质进行抽运，将掺杂离子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发 辐射光，再经滤波器的选频作用和谐振腔的正反馈作用得到激光输出。实践证明： 横截面为d 型和矩形的双包层光纤具有9 5 的耦合效率，因而得到广泛应用。 在高功率激光器应用方面，双包层光纤激光器已经成为人们的首选产品。 1 3 光纤激光器的发展现状 国外在光纤激光器的研究上起步较早，技术己经非常成熟。英国的南安普敦 大学、德国汉堡技术大学、美国p o l a r 。i dc o r p o r a t i o n 、美国i p g 公司、贝尔 实验室、斯坦福大学、日本的t n n ，n o s y 以及俄罗斯的i r ep l u s 公司均在光纤 激光器研究上取得了重大成果。其主要研究是在提高了泵浦效率和输出功率的基 础上，对光纤激光器的各种参数进行进步的调整，如调q 、锁模、窄带输出及 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 调制方式等等。 目前国内的光纤激光器的研究和工业化也有进展，清华大学、中国科技大学、 南开大学、北京交通大学、上海光机所、华南师范大学取得了一些阶段性的成果， 烽火通信有限公司、上海瀚宇光纤技术有限公司等公司也相继推出了高功率脉冲 和连续光纤激光器。可以说国内的光纤激光器技术已经接近国际先进水平。 1 4 光纤激光器的发展方向 随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，光纤激光器技术正在不断向广 度和深度方面推进；技术的进步，特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术等为基 础的新型光纤器件等的陆续面市，将为光纤激光器的设计提供新的对策和思路。 包层泵浦光纤激光器和单波长、多波长r f l 的面市，无疑体现出光纤激光器的巨 大潜力。目前光纤激光器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。其中比较 突出的光纤激光器类型有：能根据客户需要波长而输出特定波长的r 锄a n 光纤激 光器，针对_ i d m 系统而开发的基于准连续谱的多波长光纤激光器，能改变波长间 隔的多波长光纤激光器。和高亮度、高功率的大功率激光器。可以预见，光纤激 光器将成为l d 的有力竞争对手，必将在未来光通信、军事、工业加工、医疗、 光信息处理、全色显示和激光印刷等领域中发挥重要作用。 未来e d f l 发展的主要方向是： 1 ) 扩展新的激光波段，拓宽激光器的可调谐范围。 2 ) 进一步提高皿f l 的性能，如继续提高输出功率、改善光束质量等。 3 ) 使激光谱宽更窄。 4 ) 开发极高峰值的超短脉冲( p s 和f s 量级) 高亮度激光器。 5 ) 进行整机小型化、实用化和智能化的研究。 近几年的研究热点仍将以高功率e d f l 、超短脉冲e d f l 和窄线宽可调谐e d f l 为主。叫 1 5 本文研究内容 本文研究内容为环形腔掺铒光纤激光器的理论分析，输出特性仿真计算，环 形腔掺铒光纤激光器设计，实验验证，并对理论仿真和实验的进行了讨论。 本文还对环行腔掺饵光纤激光器的调谐进行了研究，阐述了调谐理论和几种 调谐技术，然后采用应力可调谐光栅，对调谐特性，应力调谐与波长变化的关系 进行了分析。 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 全文的章节安排如下： 第一章对光纤通信的发展历史，以及光纤激光器的研究背景，分类，现状， 发展方向等进行了简要的介绍。 第二章从基本的激光理论出发，在三能级模型的基础上，建立环形腔掺铒光 纤激光器的速率方程，传播方程和输出特性计算模型。 第三章提出了一种用常用光学器件组成环形腔掺铒激光器的设想。针对这种 环形腔掺铒激光器，编写了专门的计算程序，在输出特性以及腔结构参数对输出 性能的影响等方面进行理论计算仿真。文中对计算程序做了一定的介绍。 第四章搭建了环形腔掺铒激光器，在大量实验的基础上，研究激光器输出特 性，并将实验结果与理论分析进行了比较，对理论仿真和实验的差异以及功率稳 定性进行了讨论，对实验中影响激光器输出特性的因素进行了分析。 第五章对环行腔掺饵光纤激光器的调谐进行了研究，对光纤光栅的布拉格波 长与应力和温度变化的关系进行了理论推导，阐述了几种调谐技术，然后采用应 力可调谐光栅，进行大量实验，讨论了调谐特性，应力调谐与波长变化的关系。 第六章为结论。 参考文献 1 中国电信网，! ! 里：! i ! 鲢! ! ! ! ! ：q q ：，光纤通信的历史 2 黄德修、刘雪峰，半导体激光器及其应用，第1 版，国防工业出版社。1 9 9 0 3 李宝红、黄德修、刘雪峰，半导体激光器到单模光纤耦合技术的现状及发展 趋势，光电子技术，1 9 9 6 4 r w y a t t ，h i g h p o w e rb r o a d l yt u n a b l ee r b i u m d o p e ds i l i c af i b e r l a s e r ，e l e c t r o n l e t t ，1 9 8 9 ，2 5 ( 2 2 ) ：1 4 9 8 1 4 9 9 5 i m j a u n c e y ，l r e e k i e ，r j ，m e a r se t a l ，n a r r o w 一1 i n e w i d t hf i b e r l a s e ro p e r a t i n ga t1 5 5um ，o p t 1 e t t ，1 9 8 7 ，1 2 ( 3 ) ：1 6 4 1 6 5 6 伍浩成，光纤激光器及技术进展，中国电子科技集团公司第三十四研究所 7 聂秋华，光纤激光器和光放大器技术，北京：电子工业出版社，1 9 9 7 8 宁提纲等，光纤光栅激光器，光通信研究，2 0 0 0 9 杨青，俞立本等，光纤激光器的发展现状，光电子技术与信息，2 0 0 2 ，1 5 ( 5 ) ： 1 3 1 8 i o 刘颂豪，光纤激光器的新进展，光电子技术与信息，2 0 0 3f e b ，1 6 ( 1 ) 1 1 杨青，俞立本等，光纤激光器的发展现状，光电子技术与信息，2 0 0 2 1 5 ( 5 ) ： 】3 一1 8 北京邮电大学硕士论文 第二章环行腔掺铒光纤激光器理论 2 1 激光原理 第二章环形腔掺铒光纤激光器理论 21 1 光的吸收与发射 当光束通过某种介质时，由于介质的吸收而衰减。吸收入射光子所携带的能 量使介质电子被激发到较高的能级上。电子处于高能级时，通过辐射与非辐射跃 迁释放能量返回基态。非辐射跃迁将产生声子，即周围介质的量子化震动。从高 能级到低能级的辐射跃迁包括自发辐射与受激辐射两种形式。自发辐射过程类似 于无线电衰变，即在上能级的电子数随时间呈指数减少，减少的特征时间为自发 发射寿命。当原子中的电子处于激发态时总会有自发发射产生。而受激辐射是产 生激光的基础。一个能量和激发能级与基态能级的能量差相等的光子入射到介质 中，就会诱发受激辐射，产生一个和入射光子同相位的光子，因此由受激发射所 产生的光子表现出一定的相干性。 2 1 2 激光的产生 激光的产生是一个受激辐射放大的积累过程，在此过程中受激辐射所占的比 例远大于自发辐射。其产生的光子不断诱发受激辐射，使信号光增强。对于激光 波长，流出光纤介质的光子流要大于进入的光子流，则完成了光放大，当这种放 大克服腔损耗达到闽值时，便可产生激光。 产生激光必须满足两个条件：第一是达到闽值的储能条件；第二是满足光腔 的频率条件“。 2 2 激光器 2 21 激光器的结构 通常的激光器都是由三部分组成；激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。2 3 北京邮电大学硕士论文 第二章环行腔掺铒光纤激光器理论 为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成粒子数反转的发光离子，我们 称之为激活粒子。他们可以是分子、原予或离子。这些激活粒子有些可以独立存 在，有些则必须依附于某些材料中。为激活粒子提供寄存场所的材料称为基质， 他们可以是固体或液体。基质与激活离子统称为激光工作物质。 为了形成粒子数反转，需要对激光工作物质进行激励，完成这一任务的是泵 浦源。不同的激光工作物质往往采用不同的泵浦源。例如固体激光器一般是用普 通光源如氚灯作泵浦源，对激光工作物质提供光能，称光泵。对于气体激光工作 物质，常常是将它们密封在细玻璃管内，两端加电压，通过放电的方法来进行激 励。 仅当激光工作物质处于粒子数反转状态，还无法获得激光，必须进行量的积 累才能获得质的飞跃。这要求激光器必须具备一个提供正反馈的光学谐振腔。它 是由放置在激光工作物质两边的两个反射镜组成，其中之一是全反射镜，另一个 半反半透的输出镜。光学谐振腔的作用主要有以下两个方面：其一是提供的光学 正反馈，使腔内光子数在不断往返于激光工作物质过程中而被放大：其二是选频， 提高激光质量。 2 2 2 激光工作物质 产生激光必要的条件是实现粒子数反转，而为了实现粒子数反转就必须要有 合适能级系统的激活离子。在这种激活介质中，必须有产生激光的上、下能级。 常用激光激活介质可分为两类，即三能级和四能级系统。” 2 2 2 1 三能级系统 相当予e 5 3 m 跃迁 ( a ) ( b ) 图2 1 三能级激光系统( a ) 基态与激光下能级不是同一能级： ( b ) 基态与激光下能级为相同能级 北京邮电大学硕士论文 第二章环行腔掺铒光纤激光器理论 三能级激光器的原理可以用图2 1 表示。 在图2 1 ( a ) 中，电子由基态e 3 提升到激光上能级e l ，由于e l 的寿命比激 光下能级e 2 要长，而e 2 能级在热平衡条件下基本为空。所以只要抽运一些离子 到达e 1 能级，就很容易实现粒子数反转，经受激辐射后到达e 2 的粒子可迅速的 通过非辐射跃迁方式回到基态e 3 。如气体激光器中的氩离子激光器的激活离子 氩离子就属于此类能级系统。而图2 1 ( b ) 中所示的则是另一种情况。电 子由基态提升到高于激光上能级的一个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激 光上能级。激光上能级的自发辐射寿命必须远大于泵浦带的寿命以产生较高的粒 子数反转。当存在一个激光波长的光子时，受激辐射将被诱发，这种光自己可以 产生于先前的自发辐射，也可以来自于先前的受激辐射。而这种结构正是我们所 感兴趣的e r 在1 5 3 6 n m 处发射时的原理。 2 2 2 2 四能级系统 下图中给出了两种四能级系统。图2 2 ( a ) 中的e l 是基态，泵浦源将激活 粒子从基态抽运到e 4 能级，e 4 能级的寿命很短，立即通过非辐射跃迁的方式到 达e 3 能级。e 3 能级的寿命较长，是亚稳态，做激光上能级用。e 2 能级的寿命很 短，热平衡时基本上是空的，做激光下能级。e 2 能级上的粒子主要也是通过非 辐射跃迁回到基态。这种能级系统也很容易实现粒子数反转。例如固体激光器中 的钕玻璃激光器以及掺钕钇铝石榴石激光器( y a g ) 中的激活离子钕离子便 属于这种能级系统。图2 2 ( b ) 图中的e 1 也是基态，e 4 和e 3 分别为激光的上、 下能级，e 2 能级是e 3 与e 1 之间的一卟中间能级。e 3 能级的寿命很短，当受激 辐射的粒子由e 4 能级达到e 3 能级后，很快就通过非辐射跃迁跳到e 2 能级，并 泵 浦 ( b ) 图2 2 四能级激光系统( a ) 基态与激光下能级不是同一能级 ( b ) 基态与激光下能级为相同能级 受激辐射 北京邮电大学硕士论文 镐二章环行腔掺铒光纤激光器理论 再通过非辐射跃迁回到基态。同样的，只要泵浦源将基态粒子抽运到e 4 能级， 很容易实现e 4 与e 3 能级间的粒子数反转。例如气体激光器中的氦氖激光器的激 活粒子氖原子与二氧化碳激光器中的激活粒子二氧化碳分子都是属于 这类四能级系统。 2 2 2 3 三能级激光器与四能级激光器的区别 三能级和四能级系统之间的差别非常重要，在三能级系统中，通常基态与激 光下能级是同一能级，要实现粒子数反转，就必须将一半以上的激活粒子激发到 激光上能级：而在四能级系统中，激光下能级和基态能级不是同一能级，且激光 下能级的寿命很短，容易实现粒子数反转。故四能级的泵浦效率较三能级系统高， 这就是通常采用四能级系统的原因所在。 但三能级系统也有其自身的优势，例如前面所提到的铒离子，由于其输出波 长处在光通信低损耗的长波长窗口，使其构成的光纤放大器和光纤激光器在光纤 通信领域中有极大的应用价值。 2 3 环形腔掺铒光纤激光器输出特性的理论研究 l 图2 3 三能级原理圈 j v ， 心 2 3 1 铒离子能级结构和光谱特性 要获得高性能的掺铒光纤激光器，关键在 于合理地选择参数，优化激光器谐振腔的结 构。掺铒光纤激光器根据其结构的不同，可以 分为环形腔和线形腔两种。本文从掺铒光纤激 光器的速率方程出发，对环形腔掺铒光纤激光 器的输出特性进行了研究。得到了激光器泵浦 阈值功率、输出功率的计算表达式。 e r 属于澜系元素，其能级结构如 图l 所示。掺铒光纤放大器利用的物 理现象是离子数反转介质中的受激 发射，离子数反转是通过把铒离子从 4 ；，：基态能级激励到4 。能级 图2 4 铒粒子能级跃迁图 4 g 1 1 ，2 z h i l 2 4 s 2 4f 2 4 l 吖2 4 f l l 2 4 i i 2 5 2 北京邮电大学碳士论文 第二章环行腔掺铒光纤激光器理论 ( 1 4 8 0 n m 泵浦) 或者更高能级( 9 8 0 n m 泵浦、8 0 0 n m 泵浦等) 的连续光泵浦得到的“。 在1 5 0 0 1 1 玎】附近的受激辐射跃迁发生在4 。：能级和4 亿，：基态能级之间，这是信号 光放大的基础：但同时该二能级之间又产生自发辐射跃迁，自发辐射光也通过介 质放大( a s e ) ，成为光放大系统的主要噪声源。 铒光纤在o 5 1 6 um 波长范围内有几个吸收峰，如图2 5 所示。分别对应 的铒离子能级是0 5 o 6 um ( 4 1 一3 日川2 ) ，o 6 3u m ( 4 j 1 5 ，2 4 乓，2 ) ，0 8 um ( 4 5 2 4 l 2 ) ，o 9 8um ( 4 5 ，2 4 9 2 ) 以及1 5u m ( 4 5 ，2 4 ，1 3 ，2 ) 直接 吸收峰。光纤激光器最佳泵浦源有两条选择标准。 1 ) 泵浦效率高。 2 ) 激发态吸收( e s a ) 效应 要小。 由于9 8 0n m 和1 4 8 0 n m 泵 浦源可以采用半导体激光器， 效率较高，因此通常采用9 8 0n m 和1 4 8 0n 1 1 1 两种泵浦波长。 通常以口。吼的比值大 小来衡量激发态吸收的影响程 度，其中，口。，分别表示 掺杂光纤的激发态吸收截面和 基态吸收截面。显然比值 口。越小越好。激发态吸收 最佳泵浦波长是9 8 0n m 和5 3 2 n m 。波长为5 3 2n 的泵浦源可 以选用y a g 倍频固体激光器。 但由于该泵浦源体积大，故使 用不方便。 因此9 8 0 n m 是理想的泵浦 d b l卜 ， jl 、 i ? t 一 ，_。 q s& ，4 i ，i 。l l 。l # i 姐 图25 捧铒光纤吸收漕 兰圈 图2 6 掺铒光纤的黄光谱 坡 h m 北京邮电大学硕士论文第二章环行腔掺铒光纤激光器理论 源。本实验选用9 8 0 n m 半导体激光器作泵浦源，9 8 0 n m 泵浦模型可以看作是准三 能级结构。 掺铒光纤荧光谱如图2 6 所示，掺铒光纤吸收带和荧光带在1 5 5 0 n m 处重合 再次表明这是一个三能级结构。 2 3 2 掺铒光纤激光器速率方程 泵浦波长为9 8 0 n m 时，d 3 + 可以作为一个三能级系统来考虑。设总的d “的 浓度为p ，基态离子浓度为1 ，亚稳态离子浓度为m ，激发态离子浓度为3 ， 由于从激发态到亚稳态的跃迁基本上都是非辐射跃迁，并且跃迁速率非常大，因 此m “o ，则 l + 2 = p ( 2 1 ) 在稳态时有三能级系统的离子数分布满足一下等式：嘲 妄附静一心锄阱弦z ， 式中r 定义为 r 2 0 b ，y p p ( 2 3 ) 我们做以下近似， 矿 ，3 2 ，并且，1 2 ，3 2 ，儿l o ：否则它是迅衰波，以女，= o 为分界分界条件 ，= = ( m “) ( 2 4 6 ) 并称之为焦散半径它表示在名，口范围内，光波为驻波，在，t 以及r a 范围，光波为迅衰波，也就是说光波在横向受和口的界定，0 主要由周向模指数 决定，当m = 0 ，模场分布具有轴对称特性，此时= 0 ，模场分布于整个纤芯横截 面。随着m 的增加，焦散半径越来越大当达到其最大值时，波便截止，此时得到u 的最大值u2 y ，相应的达到最大。= m a y ，也与径向模指数n 有关，对 于同一个m ，n 越大，u 越大，同时越小。 每个只。模的u 值可以由本征值方程”1 “瑞= 再斓弦a ， 求得，其中厶、j 已分别为第一类贝塞尔函数和第二类修正贝塞尔函数，v 为已 知的光纤归一化频率矿= 碣口云，其中= b 卜 ；) 2 ”? ，这样所有模式的焦散 半径都可以求出。 对于多模光纤，泵浦光分别由多个三p 。模式传输，每个模式被限制在一个环 形的区域里t ，d ，越大( 模指数越高) ，该模式的功率分布越远离光纤中 北京邮电大学硕士论文第二章环