（固体力学专业论文）LD泵浦的双包层掺Yb3光纤激光器的理论研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 l d 泵浦的双包层掺y b 3 + 光纤激光器的理论研究 摘要 激光二极管泵浦掺y b 3 + 的双包层光纤激光器及相关的理 论和技术是目前光纤激光器的一个重要的研究方向。本论文 围绕l d 泵浦的掺y b 3 + 光纤激光器的特性做了一定的理论研 究，主要进行了以下工作： 首先概述了目前双包层光纤激光器的发展状况及发展前 景；分析了双包层光纤激光器的基本结构和工作原理及y b 3 独特的能级结构和光谱结构。 接着对y b 3 + 准四能级特性以及强泵浦的掺y b 3 + 的双包层光 纤激光器进行了理论方面的研究。给出阂值与泵浦光和激光 光斑半径的关系表达式，以及输出功率、斜效率、阈值泵浦 功率的解析表达式，并推导出双包层光纤激光器的小信号增 益。 然后利用m a t l a b 进行了数值模拟，讨论了激光和泵浦光 之间的匹配、增益介质的长度、输出透过率以及泵浦方式对 i 激光输出的影响。为实验的优化设计提供了理论上的依据。 关键蠲：光纤激光器，3 + 掺杂，侄屡泵浦，准西能级 i i 太原理工大学硕士学位论文 t h e o r i c a ls t u d yo fl dp u m p e dd o u b l e c l a d d i n g y b 3 + d o p e df i b e rl a s e r a b s t r a c t t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yr e s e a r c ho fl a s e r d i o d e ( l d ) p u m p e dy b 3 + - d o p e d d o u b l e c l a df i b e rl a s e ri st h ec u r r e n t l yu l t i m a t e b r a n c hi nt h el a s e rt e c h n i q u e sf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d e t h e o r e t i c a l s t u d yc l o s e l y a r o u n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f y b 3 + - d o p e d d o u b l e c l a df i b e rl a s e r t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n a r ea sf o l l o w s ： 、 f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e h i s t o r i c a l d e v e l o p m e n t s ，t h e n e wa c h i e v e m e n t so ft h ed o u b l e c l a df i b e rl a s e r , a sw e l la st h eb a s i c s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ff i b e rl a s e ra r ee x p l a i n e d ，a n dt h es p e c i f i c e n e r g y l e v e la n df l u o r e s c e n c es p e c t r u mo f y b a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h et h e o r e t i c a ls t u d yt h a tr e l a t e st ot h ec h a r a c t e r i s t i c o f q u a s i - - f o u r - l e v e la n d t h es t r o n g l yp u m p e d y b 3 + - d o p e d d o u b l e c l a d f i b e rl a s e r si si n v e s t i g a t e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h r e s h o l da n dr a d i u s o fp u m p i n gl i g h ta n dl a s e rl i g h ti sc o n c l u d e d t h ee x p r e s s i o n so f i i i 太原理工大学硕士学位论文 o u t p u tp o w e r , s l o p ee f f i c i e n c ya n ds m a l l - - s i g n a lg a i no f d o u b l e - c l a d f i b e rl a s e r sh a v eb e e n g i v e n f i n a l l y , t h ec h a r a c t e r i s t i co fy b 3 + _ d o p e d d o u b l e c l a df i b e rl a s e r w a s n u m e r i c a l l y s t u d i e dw i t hm a t l a b t h ee f f e c to ft h e d i m e n s i o no fp u m p i n gl i g h ta n dl a s e rl i g h t ，c a v i t y ，f i b e rl e n g t h ， r e f l e c t i o n ，r a t i o o f o u t p u t m i r r o r ，m o d e s o f p u m p o nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ef i b e rl a s e ra r ei n v e s t i g a t e d t h e s ed i s c u s s i o n s p r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i st ot h eo p t i m u md e s i g no f l d p u m p e d d o u b l e c l a df i b e r1 a s e e k e yw o r d s ：f i b e r l a s e r ，y b 3 + - d o p e d ，c l a d p u m p e d ， q u a s i - f o u rl e v e l 奎堡望三奎堂堡主堂垡笙壅 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 引言 激光是2 0 世纪的重大发明之一，它的出现使古老的光学又焕发出 强大的生命力。激光的出现，以其优异的单色性、高亮度、相干性以及 方向性好等优点，对各个技术领域产生了巨大的影响。可以毫不夸张的 说，无论是从物理、化学到天文、地理，从生物医学到无线电、计算机， 还是从民用工业到国防技术，激光的影响无所不在。 因此，激光已成为现代最活跃的前沿科学之一，并出现了许多和激 光有关的新的交叉学科如激光光学、激光生物学、激光医学、光信息学、 非线性光学等等。而以激光本身可实现的高功率巨脉冲以及超短脉冲作 为手段，又极大地推动了物理学的发展，如受控核聚变、等离子体物理 及超高速现象的研究等。 激光对各个领域的影响之巨大，就其深度和广度而言，只有计算机 可与之媲美。所以人们预言2 1 世纪将是光子的世纪。 激光器按工作物质的形态不同，可分为：固体激光器( 如红宝石激 光器等) ，液体激光器( 如染料激光器等) ，气体激光器( 如h e n e 激光 器等) 。半导体激光器( 如砷化镓激光器等) ，自由电子激光器，x 射线 激光器等。 固体激光器的工作物质是掺杂的晶体或玻璃，它在很大程度上决定 了固体激光器的性能。普通的固体激光器的增益介质为棒状或块状，因 此难以获得较长尺寸的增益介质。光纤的出现使固体激光器件有了一种 太原理工大学硕士学位论文 新的形式。光纤激光器以其高增益，小体积，紧凑，全固化等特点，引 起人们广泛的重视。 光纤激光器能很方便地与其它器件( 诸如光纤放大器与带尾纤半导 体激光器及在线式声光调制器等) 耦合实现系统全固化集成。 掺y b ”的光纤吸收谱宽，增益带宽，材料的热负荷低，泵浦波长与 激光输出波长非常接近，量子效率高达9 0 ；且不存在激发态吸收，光 转换效率高。在高掺杂情况下，也不出现浓度淬灭。而且y b ”吸收带在 0 9 1 opm 波长范围，能与i n g a a s 半导体泵浦源有效耦合。因此， 随着半导体激光器技术的成熟，掺y b ”光纤激光器引起人们广泛的关注。 常规的光纤激光器的耦合效率低，导致光纤激光器的输出功率较 低，而双包层光纤的出现为提高光纤激光器的泵浦功率提供了有效的解 决途径。因此，双包层光纤激光器以其低阈值、高效率、窄线宽和可调 谐等显著优势，越来越获得人们的青睐。 本论文就y b ”的准四能级特性以及强泵浦的掺y b “的双包层光纤激 光器进行了理论方面的研究。 奎堡望三盔堂堡主堂垡鲨塞 _ 一 第一章文献综述 1 1 光纤激光器概述 1 1 1 光纤激光器的基本结构及特点 光纤激光器的腔结构很多，其中纵向泵浦的f - - p 腔光纤激光器结 构如图1 _ 1 所示，就是将一段掺稀土金属离子的光纤放置于两个反射率 经过选择的腔镜之间( 腔镜可用镀介质膜的玻璃片，也可在光纤中直接 写入光纤光栅) 。腔镜的选用原则为：靠近泵浦端的腔镜需对泵浦光具 有高透低反特性，而对信号光则要求具有高反的特性。而输出端的腔镜 由于一方面要提供对腔内信号激光的反馈作用，另一方面必须耦合输出 信号激光：因此，为了获得最大输出功率，输出端的腔镜对信号激光波 长的反射率须根据腔内增益和损耗视具体情况而定。 1 - 1 光纤激光器的基本结构 f i g l 一1t h ec o n f i g u r a t i o i lo ff i h e r1 a s e r 光纤激光器的实质是一个波长转换器：泵浦光通过增益介质时被吸 收，形成粒子数反转，最后在掺杂光纤中产生受激辐射而输出激光。 光纤激光器是一种新颖的有源光纤器件，它的主要特点是： 太原理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 它具有波导式结构( 单模光纤纤芯直径仅为2 0 一1 2 um ) ， 因此它可在光纤纤芯中产生较高的功率密度。如果光纤的选择使得泵浦 光和信号光均运行于单模工作状态，则泵浦光和信号光之间可充分耦 合，提高光纤激光器的能量转换效率，从而降低泵浦闺值功率；另外由 于光纤的几何结构特点，使得它具有较高的面积一体积比，因此其散热 效果好：同时目前以石英光纤为代表的光纤制备工艺已经非常成熟，因 此可以制作出高精度、低损耗的光纤。 上述优点决定了光纤激光器可以在较低的泵浦功率下处于连续输 出的工作状态，而其它块状介质的激光器，要获得连续光输出，需要相 当高的泵浦能量。 ( 2 ) 光纤激光器能方便的延长增益介质，使泵浦光被充分的吸收。 这一特性使光纤激光器能在低泵浦功率下运行，同时也使在低增益介质 中实现激光振荡成为可能。 ( 3 ) 由于光纤具有良好的柔绕性，且腔镜可直接镀在光纤端面，或 采用定向耦合器方式构成谐振腔，因此光纤激光器具有结构紧凑、体积 小、便携、精密等特点。 ( 4 ) 掺杂稀土光纤的输出光谱特性受掺杂离子邻近结构变化的影响 很大，因此可以通过改变基质的组分来调节输出波长，而其中某些波长 对于光通信是非常重要的，例如光谱段上1 3 3um 和1 5 5um 两个通 信窗口，其中1 5 5 址m 波长的光在石英光纤中的传输损耗最低，而1 3 3 hm 波长的光则对应着石英光纤的零色散点。目前，利用掺杂稀土激光 器还得到了2 3p1 t i 波段的激光谱线输出，而这个波段的输出在更低损 耗的中红外通信中有着潜在的应用价值”。 ( 5 ) 光纤的圆柱形结构还具有下列两个优点：第一，由于光纤激光 太原理工大学硕士学位论文 器本质上是一种光纤结构，因此它可以以较高的耦合效率与目前光纤传 输系统相连接；第二，由于光纤结构小巧便于操作，在医学上的某些应 用中是非常理想的，例如深入到人的胃中。 1 1 2 光纤激光器的类型 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分成以下几种类型”，( 1 ) 晶 体光纤激光器，工作物质是晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和 n d ”：y a g 单晶光纤激光器等；( 2 ) 非线性光学型光纤激光器，主要有 受激喇曼散射( s r s ) 光纤激光器“1 和受激布里渊散射( s b s ) 光纤激光 器；频率上转换效应制作的频率上转换光纤激光器嘲，从而使光纤激光 器的输出波长大大拓宽 6 1 。( 3 ) 稀土类掺杂光纤激光器，光纤的基质材 料是玻璃，向光纤中掺入稀土类元素使之激活，而制成光纤激光器；( 4 ) 塑料光纤激光器，向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激 光器。 在上述的各类光纤激光器中，稀土掺杂光纤激光器问世最早，目前 发展也最为迅速，并有望最早进入实用化的阶段，而成为固体和半导体 激光器的有力竞争者。特别是稀土类掺杂光纤激光器的工作波长恰好能 与光通信的几个重要窗口相匹配，且与半导体激光放大器相比，光纤激 光放大器的插入损耗低，增益特性与光波偏振态无关，易与普通单模光 纤直接耦合且信号间交叉串扰极小，因此，已在大容量长距离光纤通信 中及多路通信系统中显示出诱人的应用前景。 1 1 3 双包层光纤激光器的发展简史及研究新进展 光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。 早在1 9 6 3 年和1 9 6 4 年，美国光学公司( a m e r i c a no p t i c a 太原理工大学硕士学位论文 c o r p o r a t i o n ) 的s n i t z e r 和k o e s t e r 分别发表了多组分玻璃光纤中的 光放大的结果【8 11 9 1 ，他们试用l 米长的掺n d 光纤在1 0 6 pm 处获得 5 1 0 4 增益的输出，这是世界上第一例光纤激光器的报道。不久以后， 光纤激光器就被用于光学信息处理方面邮】。1 9 6 6 年，高锟和h o c k h a m 发 表了一篇非常重要的文章，首先讨论了光纤作为通信介质的可能性i s 4 】。 并且在光纤激光器发展的最初阶段，人们就考虑了用半导体光源进行泵 浦的可能性f ”j ， 在2 0 世纪7 0 年代，b e l l 实验室的一个小组也开展了这方面的研究 工作畔】- 【”】。但总的说来，在1 9 7 5 - - 1 9 8 5 年这十年中，有关这个领域的 报道相对很少，可发展激光器所必需的工艺技术却趋于成熟。低损耗的 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 进行了氟锆酸盐玻璃光纤的制备，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。半导体激光器，尤其高 功率输出的半导体激光器作为泵浦源对光纤激光器的实用化极为重要； 而熔硅型定向耦合器则对全光纤激光器的设计起着不可估量的重要作 用 1 6 】。 到了2 0 世纪8 0 年代中后期，英国南安普敦大学的电子工程系和物 理系也对这一领域进行了研究【1 7 j 【”】，他们演示了用m v c d 方法制作的单 模光纤所构成的光纤激光器的运行，从而再度激起人们对这个研究领域 的兴趣。此后，他们又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。 1 9 8 7 年英国通信研究实验室( b t r l ) 首次展示了用各种定向耦合器 制作的精巧的光纤激光器的装置。同时他们也在增益和激发态等研究领 域中作了大量的基础研究，并在用氟锆酸盐玻璃光纤激光器获得各种波 太原理工大学硕士学位论文 _ 一一一 长的激光输出方面作了开拓性的工作。最为重要的是他们制成了利用半 导体激光器作为泵浦源的光纤激光器和放大器】1 2 “。 另外，德国汉堡的技术大学【2 ”，n t t ( ”i ，h o y a ( ”1 ，日本的三菱2 ，美 国的p o l a r i o dc o r p o r a t i o n 2 ”，斯坦福大学哳】等也在这个领域进行了研 究，并取得了一些研究成果。 国内则是从2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初才开始这个领域的研究 工作，并取得了一些阶段性的成果，例如清华大学、中国科技大学以及 邮电部和中科院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，但是由于工艺条件和加工技术以及相关器件 的制备方面还与国外有明显的差距，所以从总体上讲在这个领域还没有 实用化的产品口1 。 对稀土掺杂光纤激光器的研究主要是受远距离光通信发展的需要 所驱动的。对其研究主要集中于发射波长在1 5um ( 掺杂离子：e r 3 + ) ，1 3 ui l l ( 掺杂离子：n d 3 + 、p r 3 + 、d y 3 + ) 和1 0 1 1pm ( 掺杂离子：n d 3 + 、 y b 3 + ) 三个波段。而1 5pm 波段是石英光纤传输损耗最低的波段，1 3 um 波段是在石英光纤的零色散波段。研究工作集中在研制适合于这两 个波段的光信号放大器；而对最后一个波段的研究主要围绕解决p r 3 + 的 泵浦源问题( p r 3 + 在1 0 2pm 有一个弱吸收带) 以及满足高功率激光系 统的发展需要。 第一个有关掺杂光纤激光器的报道是关于掺n d “石英光纤激光器 的单横模输出【2 7 1 。由于要将大功率的泵浦光耦合到光纤的单模掺杂芯部 是相当困难的，所以光纤激光器在很长一个时期都被认为只能产生较小 太原理工大学硕士学位论文 功率的激光输出。这种情况在s n i t z e r 和p o 提出了特殊的双包层光纤 结构以后p w ，才发生了根本性的变化。双包层光纤结构的出现对大功 率光纤激光器来说是个具有重大意义的技术突破。 包层泵浦技术自2 0 世纪8 0 年代后期被提 h 后，取得了较大的发展。 h p o 等研制的高功率掺n d “双包层光纤激光器，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 t ”1 。宝丽来公司报道其包 层泵浦掺e r ”y b ”的光纤激光器，在波长1 0 6 5 1 4 7 2 n m 获得了1 6 w 一3 5 w 的输出功率印l 。z j c h e n 等报道了包层泵浦掺n d “调q 光纤激光器，获 得峰值功率3 7 k w 、脉宽2 n m 的脉冲激光器即】。高功率光纤激光器的实 现，使纤芯内的光功率密度达到每平方厘米百兆瓦量级，光纤中因此出 现多种非线性现象，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。d i n n i s s 研制成功包层泵浦串级r a l l l a l l 光纤激光器。u w e b f i n k r n a n n 介绍了包层泵浦频率上转换双包层光纤激光器f ”】。h z e l l m e r 等人报道了用掺p r 和y b 的氟化物玻璃作增益介质的频率上转换双包 层光纤激光器，实现了最高功率4 4 0 m w 、波长为6 3 5 m 的激光输出【”】。 k d o m i n i e 等人研制的掺y 矿的双包层光纤激光器的输出功率达到 1 1 0 w 。美国i p g 光电公司提供的掺y b “双包层光纤激光器，输出光功 率大于7 0 0 w ，2 0 0 2 年其输出功率又达到2 k w ，4 k w ，1 0 k w 。 我国在近几年也开展了双包层光纤激光器的研究。电予部4 6 所和 武汉邮电科学院等单位进行了双包层光纤的试制；南开大学、中科院上 海光机所、中国科技大学、武汉邮电科学院的单位对各种双包层光纤激 光器进行了一系列研究，取得了可喜的进展。上海光机所陈柏等人报道 太原理工大学硕士学位论文 了“l d 抽运的掺y b ，+ 双包层光激光器”的实验结果m ，他们用9 8 1 5 r i m 国产半导体激光器做泵浦源，在多个波长获得激光输出，其中输出 1 0 4 3 n m 波长的输出功率为3 8 4 m w ，闽值功率为3 5 8 m w ，斜效率为 5 5 。在2 0 0 3 年2 月上海光机所又报道了他们研制的掺y b “双包层光 纤激光器输出1 1 1 l n m 波长的输出功率高达2 0 6 w t 6 ”，所用泵浦源为准直 输出的大功率l d 模块，其输出约为1 1 r a m 1 l m m 的方形准直光束，中心 波长约在9 7 0 n m 。双包层光纤为矩形内包层的掺y b3 + 石英光纤，内包层 数值孔径为0 4 7 ，掺y b “纤芯直径约9 “m ，数值孔径约为0 1 。另外， 南开大学也用国产半导体激光器分别泵浦国内电子部4 6 所研制的和俄 罗斯研制的双包层光纤，实现了大于2 0 0 m w 的较高功率的激光输 6 8 1 。 9 太原理工大学硕士学位论文 第二章y b “的能级构结及光谱特性分析 掺杂稀土离子光纤激光器所用的稀土离子的激光发射谱覆盖了从 可见光到红外0 5 5 2 9uf i i 的范围，主要包括e r ”、n d ”、y b ”、h o ”、 t m ”、p r ”、s m ”等离子，最常见e r ”、n d 3 + 、y b “离子，n 矿常用于激光器 系统，e r ”常用于激光放大器系统，y b ”可覆盖这两种用途。 掺y b 3 + 玻璃中的激光振荡早在2 0 世纪6 0 年代已经实现”q 1 3 ”，由于 y b 3 + 只有三能级和准四能级跃迁，使得后来人们把注意力集中于具有四 能级跃迁的掺n d 3 + 激光器。 y b ”离子可掺入固体或者石英材料中，作为激光增益介质，或与其 它稀土元素共掺作为能量传递介质。长期以来，y b ”离子最重要的应用 只是作为一种溟化离子( 也就是激光激活离子) 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 0 3 + 离子，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。 掺y b 3 + 光纤激光的特性研究和发展从2 0 世纪8 0 年代中后期开始， y b 3 + 离子掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光介质开始受到人们的 重视，并取得了很多进展 3 8 口9 】 2 1 影响掺杂光纤中激光效应的因素 2 1 1 基质材料的影响 太原理工大学硕士学位论文 _ _ 一一 玻璃是形成掺稀土元素光纤的基质材料，它所具有的网络结构具有 近程有序而远程无序的特点。它由大量的共价键分子所组成，形成一个 无规则的矩阵，具有较宽的键长和键角范围，仅在外场小的区域范围内 表现出一定的规则性，掺杂稀土离子在该网络中通常以网络修饰离子的 形式存在。 基质对稀土元素光谱性质的影响主要表现在两个方面1 2 】： 一、引起s t a r k 分裂 由于电场的非均匀分布的影响，消除了原来存在的能级简并。这是 由于与基质原子之间的共价键所致，因此对于给定的电子跃迁，光谱上 将出现精细结构。 二、能级加宽。由于基质作用而使离子能级加宽的机制比较复杂， 有多种因素可以对其产生影响，一般存在两种加宽机制： l 、声子加宽。当两个能级之间发生跃迁时，将发生某种形式的能量交 换，包括声子的产生和湮灭。声子的能量取决于温度，在给定的温度下， 存在一个声子能量的分布，将引起吸收和发射的波长扩展。降低温度会 减少声子数，从而使光谱变窄。 2 、基质电场对能级的微扰导致能级加宽。这种微扰对于不同离子的作 用是不同的，它取决于周围环境，因此是一种非均匀加宽。但这种加宽 机制与温度无关，光谱加宽的性质和幅度对于固体激光器来讲是十分重 要的。加宽的幅度之所以重要是因为一般在给定的泵浦功率下，增益与 线宽成反比。作为激光介质，具有电子屏蔽的稀土离子要比无屏蔽层的 跃迁元素离子优越；而加宽机制将对增益饱和的程度和输出谱线结构带 来影响。尽管目前尚且不清楚加宽机制对激光器影响的程度如何，但可 以比较肯定地认为加宽机制与玻璃的组分有关。 太原理工大学硕士学位论文 2 1 2 稀土金属离子的浓度的影响 对于掺稀土离子的光纤来说，稀土离子在光纤的基质材料一玻璃中 掺杂，并不是浓度越高越好，它存在一个最佳的掺杂浓度。在工作介质 掺杂浓度极低的情况下，如果入射光子数超过了掺杂离子数，那么基态 的离子可能被耗尽，所以信号的放大受到掺杂离子数的抑制。因此提高 掺杂离子浓度是提高增益的一个途径【2 】。 但是，高掺杂会带来两个问题，一是浓度淬灭。较高的掺杂水平将 导致相邻能级的无辐射交叉驰豫，使得激光上能级的粒子数下降；二是 玻璃结构中发生品化。在玻璃中，稀土离子的溶解度在很大程度上取决 于玻璃结构本身。一般来讲，高稀土掺杂会导致玻璃基质中发生微晶化， 从而在荧光谱中出现某些附加的窄谱线，从而使激光性能受到影响。 稀土金属离子的上述这些特性使得稀土离予的激光特性受泵浦激 光精确性的影响很大，显然，为了获得最好的激光输出结果，存在一个 最佳的掺杂浓度。 2 2 石英光纤中y b 3 + 的能级结构及光谱特性 y b “电子构型为4 f ”，有两个电子态，即基态和激发态 ( 2 。2 e 。) ，两者的能量间隔约为1 0 0 0 0 c m 一。在锗石英玻璃中由于 基质势场的作用，使其能级发生s t a r k 分裂，能级结构见图2 - 1 4 ，基 态能级有四个s t a r k 分量，即图2 - 1 中的a 、b 、c 、d 能级。与激光跃迁 有关的激发态能级有三个s t a r k 分量，即图2 - 1 中的e 、f 、g 能级，其 中的s t a r k 能级e 和f 分别对应予9 7 5 n m 和9 1 5 n m 吸收峰。泵浦能级f 上的粒子快速无辐射地跃迁驰豫到能级e 上，能级e 的荧光寿命为 太原理工大学硕士学位论文 0 7 7 m s ，从e 能级可发生两种不同类型的激光跃迁：一种从l o l o n m 到 一1 0 1 0 1 5 n m 一 。1 2 0 ( 3 9 7 5 n n i 一 图2 - 1y b ”的能级结构 f i g2 - 1t h ee n e r g yl e v e lo fy b ”i ng e r m a n o s i l i c a t e 1 2 0 0 n m ( 对应于e 到b 、c 、d 跃迁) 其中波长从l o l o n m 到1 1 6 0 n m ( 对 应于e 到b 、c 跃迁) 为准四能级跃迁，在1 2 0 0 n m 处的四能级跃迁其微 分发射截面很小。通常较易获得激光振荡的波长，主要为三能级和准四 能级跃迁，y b ”离子在掺入石英基质后，其能级因s t a r k 分裂而消除了 原来的简并，在这一过程中，有些因素也引起了能级的加宽。第一种是 声予加宽，当两个能级之间发生跃迁时将发生某种形式的能量交换，包 括声子的产生和湮灭，在给定的温度下，存在一个声子的能量分布，从 而将引起吸收和发射波长扩展，第二种加宽机制来源于基质电场对能级 的微扰，以上加宽机制导致y b ”离子的吸收光谱和发射光谱为宽带曲线， 与上述能级结构及加宽效应对应的石英中y b ”离子光谱见图2 - 2 1 4 0 l 。 奎堕望三盔堂堡主堂垡笙塞 一 p 一 2 3 掺y b 3 + 的激光材料的特点 根据图2 - 1 的能级结构图可知，掺y b “的激光材料比掺其它稀土离 子的优点在于： 1 、y b n 离子吸收带在8 0 0 1 l o o n m 波长范围内，能与z n i n a s 半导体泵浦 源有效地耦合，同时其吸收带较宽，在短波长段( 小于9 7 0 h m ) 的 奄 毛 墓 l i 粤 w a v e l e n l e d l “ 图2 - 2 石英玻璃y b “中的吸收和发射截面 f i g2 - 2a b s o r p t i o n ( s o l i d ) a n de m i ss i o n ( d o t t e d ) c r o s ss e c t i o n s o fy b 3 + i ng o r m a n o s i1 i c a t eg l a s s 吸收截面变化较为缓慢，这对于输出波长易受环境温度影响，且发射带 窄的半导体激光器泵浦是十分有利的，即无需严格控制温度来获得相匹 配波长的半导体激光输出。 2 、y b 3 + 能级结果简单，它只包含两个多重态，因此在泵浦波长处及信号 波长处都不存在激发态吸收】1 4 2 。光转换效率很高，而大的能级间隔， 也排除了非辐射驰豫及浓度淬灭现象的发生【4 ”。 3 、泵浦波长与激光输出波长非常接近，量子效率高( 0 - i 达9 0 ) 【4 4 l 。 玉乳 复 玉 b l 氯m 太原理工大学硕士学位论文 4 、材料中的热负荷低( 小于1 1 ) 。仅为掺n d 3 t 同种材料的三分之一。 5 、荧光寿命长，一般为掺n d 3 + 同种材料的三倍多，有利于储能。 掺y b 3 + 激光材料的这些优点对激光技术的发展有深远的意义。在 传统的固体激光器中，增益介质为长棒状，热流方向垂直于激光束方向， 易导致热透镜效应和温度升高，造成激光性能的劣化和激光效率的降 低。特别是三能级激光系统，由于要求高的泵浦功率，热效应更加突出。 由于y b ”掺杂浓度可以很高，材料中的热负荷较低，即使在高泵浦功率 密度下，材料中的温度变化也很小，因此大大降低了增益介质中的热应 力和热畸变。 但是y b ”本身也存在着缺点，由于其在9 8 0 n m 的强烈吸收和发射， 对双包层光纤来说使泵浦功率分散在内包层较大的范围，降低了泵浦效 率，p a s c h o h a 、b a r n a r d 等对y b “掺杂光纤放大器和激光器理论进行了 系统的研究，给出了y b ”离子激光输出的能级特征。对于y b ”离子来说， 在大于1 0 4 0 n m 的长波段，y b ”明显表现为四能级特征，在这种条件下能 获得有效的包层泵浦，在相对短的波段则表现出三能级特征。对于三能 级特征的光纤，对给定的波长，有一个最佳光纤长度；对于四能级特征 的光纤，激光性能通过吸收全部泵浦光来优化光纤长度。 2 4 掺y b 3 + 的激光材料的表征方法 掺y b ”激光材料的一个重要问题是常温下y b ”的准四能级结构，也 就是y b ”离子激光下能级处于2 0 0 6 0 0 c m ，与温度上升造成的热能 ( 2 0 0 c m 。) 相差不多，导致常温下激光下能级粒子数的增加，占基态 粒子数的4 。为了实现粒子数反转，要求较高的泵浦能流密度，由此导 太原理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ 一一一 致材料中的一系列热问题。因此，掺y b 3 + 激光材料的研究是与探索y b ” 离子能级结构和各能级闯的跃迁强度相联系的，即要求在增益介质中 y b ”离子基态能级有较大的晶体场分裂，并且激发态到基态较高晶体场 子能级的跃迁特别强。 掺y b “激光材料的实用性主要从光谱性质、激光性能、热性能等方 面加以表征。 2 4 1 玻璃基质中y b “的光谱性能参量 从y b ”的吸收发射特性可以评估其潜在的激光性能，重要的光谱参 数包括激发态能级和基态能级之间的吸收截面( 泵浦波长处o o p ( z 。) 、信 号波长处a 。( ) ) 、发射截面( 泵浦波长处a 。( z ，) 、信号波长处一。( z ) ) 和上能级荧光寿命( r ) 。 对于脉冲激光系统，要求激光输出波长处的发射截面积要大，其值 由脉冲长度、泵浦条件和损伤阈值等因素决定。对于连续激光系统，可 用发射截面面积与荧光寿命之乘积来表征材料的性能。 长的荧光寿命有利于储能，而大的晶体场分裂有利于减小玻尔兹曼 效应带来的激光下能级热粒子数增加的问题。因此，掺y b “的激光材料 应具备如下光谱性能： ( a )泵浦波长处的吸收截面积很大； ( b )信号波长处的发射截面积要大； ( c )长的荧光寿命； ( d )基态能级的分裂要大于4 0 0 c m - 1 。 太原理工大学硕士学位论文 2 4 2玻璃基质中y b 3 + 的激光性能参量 由玻璃基质中的y b ”的能级及光谱图可知，掺y b 3 + 光纤激光器所发 射激光大部分将运行于准四能级系统，例如，掺y b “石英光纤激光器其 所发射激光在1 0 1 0 1 1 6 0 h m 区间属于准四能级系统，对于准四能级系统， 有一些反映其特性的重要参量【4 5 1 4 6 1 。 ( 1 ) 激发态最小粒子数卢椭 设光纤处于泵浦状态，当运行于准四能级的信号光沿光纤向前传播 时，一方面因受激发射而会使信号有逐渐增强的趋势，另一方面由于激 光下能级分布有一定的粒子数，当沿光纤向前传播时会受到吸收，对于 波长为z 的信号光，当受激发射与吸收相等时，光纤对该信号便处于透 明状态，为达到这一状态，上能级受激粒子数所占总粒子数的百分比为： = 蒜 ( 2 3 一1 ) ( 2 ) 饱和泵清强度( 删) 高效率半导体泵浦可将大量y b ”粒子激发到激发态，从而降低基态 吸收损失。饱和泵浦强度正是表征将y b “离子都激发到激发态，实现基 态耗尽模式激光运行的难易。 i | a 。；罢 ( 2 母2 ) 1 5 “ 仃。，( 九p ) t 、。“。7 ( 3 ) 最小泵浦强度( i 。i 。) 最小泵浦强度表示在没有别的损耗的激光器中，克服阈值功率所需 要吸收的最小泵浦强度，与激光材料中y b ”的吸收和发射特性有关。 太原理工大学硕士学位论文 i 。i 。= i s m p 。i 。 ( 2 3 3 ) 因此，。也是掺y b 3 + 光纤激光器中的最低闽值泵浦光强。 太原理工大学硕士学位论文 第三章l d 泵浦的掺y b 3 + 石英光纤准四能级 系统的理论分析和实验优化设计 对于y b ”离子来说，在大于1 0 4 0 n m 的长波段，y b 3 + 明显表现为准四 能级特征，在这种条件下能获得有效的包层泵浦。准四能级系统的特征 和四能级系统既有联系又有区别。因此，在进行实验设计时，必须考虑 到准四能级的特殊性质，从而得到高功率和高输出质量的输出光。在本 章中将考虑反转粒子数存在空间分布，以及在不同泵浦能量、不同输出 等情况下准四能级激光系统的模型。 为了简化讨论，做如下假设：( 1 ) 激光的吸收和发射截面遵从对易 关系，即盯。= 盯。；( 2 ) 泵浦光和激光均视为理想的圆高斯光束，在有 效的激光介质中泵浦光及激光均无发散。( 3 ) 空间烧孔效应可以忽略， 泵浦光被单程吸收，下能级粒子只是部分被泵浦到上能级。 3 1 掺y b 3 + 石英光纤准四能级激光运转模型的建立 3 1 1 连续运转的准四能级激光系统的速率方程的建立 根据速率方程，稳态时激光上下能级的粒子数可以写成如下形式【4 7 】 1 d n 2 ( 广r , z ) 吨m ，z ) 一些警 一坠型血型业趔叫。( r ，z ) ：0 n 奎堕堡三查堂堡圭堂垡笙壅 ( 3 - 1 - 1 a ) d n l _ ( r , 一z ) ：一f s l r r p ( r ，z ) d t n 1 ( r , z ) - n ? 。 f , l c c n 2 ( r , z ) - n l ( r , z ) c d p 。( r ，z ) ：0 n ( 3 - 1 一l b ) 由这两个方程，可得到反转粒子数密度a n ( r ，z ) n ( r ，z ) = n 2 ( r ，z ) 一n l ( r ，z ) 反转粒子数的微分方程为： t d a n ( r , z ) = f , r r p ( r ，z ) a n ( r , z 了) - a n 。( r , z ) 一f , c a a n - ( r , z ) 叫。( r ，z ) = 。 ( 3 一l 一1 c ) 腔中光予数。的方程为： 百d e = 詈归( r ，测删d v - 詈= 。 ( 3 - 1 2 ) 其中 r s 。，r s ：一分别为激光下能级和上能级粒子数中对激光输出起作用的粒 子数百分数：f s = r s 。+ r s ： a n o = n ：一n ? 一未泵浦时由于热平衡分布造成的自然粒子数反转分布 密度，该粒子数反转分布对激光无贡献； 2 n 太原理工大学硕士学位论文 d 一信号光的发射截面 n 一介质的折射率 z 一沿腔轴向的纵坐标 r 一垂直腔轴向截面的径向坐标 r 一泵浦速率，即增益介质在单位时间内由于吸收了泵浦光的能量 而 被抽运到上能级的粒子数 t 一激光上能级粒子的寿命 t 。一光子寿命，t 。= 专 其中l 为增益介质长度，6 为腔内的往返损耗 v 一增益介质体积 c 一真空中光速 r d ( r ，z ) 一为具有归一化空间分布函数特性的泵浦速率分布函数 中。( r ，z ) 一为腔内光子数的归一化空间分布函数 因为假设泵浦光和激光都是理想的高斯光束， ( r , z ) = b e x p ( 等c x p ( 、z ) o 【。一增益介质对泵浦光的吸收系数 根据f i i r p d v = 1 可知 所以r p ( r ，z ) 2 面五2 c 而p 丽e x p ( 等) e x p ( 飞z ) l 一增益介质的长度 ( 3 - 1 3 ) ( 3 一l 一4 ) 太原理工大学硕士学位论文 同理讹z ) = a e x p ( - 0 ) 2 ：r 2 ) 在此式中我们假设增益介质对信号光的吸收很小。 胁。d v = 1 r ，z ，= 嘉e 坤c 等， 3 1 2 反转粒子数的分布 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 室温下，在热平衡时n ? n ! ，所以n om n ? 当系统处于闽值之下时，= 0 ，则式( 3 - l - l c ) 可变为 a n ( r ，z ) = t c r r d ( r ，z ) n ? ( 3 - 卜7 ) 从上式可以看出，当n ? = 0 时，( 3 - 1 7 ) 式变为 a n ( r ，z ) = x f , r r p ( r ，z ) ，这就是四能级的形式，反转粒子数分布和泵浦 光的空间分布是一致的。当n ? 0 时，下能级粒子数的存在使反转粒 子数减少，增加了泵浦阈值。 当系统处于闽值之上时，由方程( 3 一卜2 ) 得 i a n ( r ，z ) + 。( r , z ) d v = 三 ( 3 1 8 ) 。 t g o 由此可以看出，反转粒子数的空间分布与泵浦光的空间分布是不 样的。并且反转粒子数分布与激光光强分布函数乘积的积分为常数，这 太原理工大学硕士学位论文 种现象被称为“反转粒子数受激光线型的钳制”。 由式( 3 1 一l c ) 可得 到在阈值之上时， 反转粒子数的空间分布为 n ( r z ) ；生塾丝：噬 ( 3 十9 ) 。1 + 竖r s 十。( r ，z 归 从上式可以得到以下结论：反转粒子数的空间分布是激光与泵浦光 光功率密度空间分布的函数。同时上式也反映了再吸收对反转粒子数的 影响。 3 1 3 阚值泵浦功率 将式( 3 - 1 - 9 ) 代入( 3 1 8 ) 可得 j 糕姒r i z ) 肌丽n 即 f f f 。一x f , r w r p ( r , z ，) 茹o ( r , z ) d v - 肛? 焘5 丽n ( 3 - 1 1 0 ) 当激光器工作在闽值条件下时，腔里光子数m0 所以( 3 一卜1 0 ) 变为 其中r 。为阙值泵浦速率 奎垦堡三奎堂堡圭堂垡笙奎 _ 一。 令a ，= 胍( r z ) 。( r , z ) d v ( 3 1 1 2 a ) 吣号f 把( 3 - 1 4 ) 和( 3 - 1 6 ) 代入( 3 - 卜1 2 a ) 可得 a 1 _ 五2 去 再由r ：p p ( i - _ e x p ( - c 一l ) ) h v 。 p p - - l d 的输出功率 可得阈值功率p 。 ( 3 - 1 - 1 3 ) ( 3 1 - 1 2 b ) p p t h - 瓦两7 h 而v p 面咿2 ：) ( 啬+ n o l ) ( 3 - 1 - 1 4 a ) 如把t 。= _ 2 n l 带入上式，可化简为 c 0 2 面( 咿2 。( 丢+ n o l ) ( 3 - 1 - 1 4 b ) 3 1 4 输出功率和斜效率 定义斜效率为”。= 瓦= p o u i t ( 3 1 一1 5 ) 一 查堕望三奎堂堡主堂垡鲨茎 一 在近阈值的一般条件下，中+ 。( r ，z ) 击