（光学专业论文）多波长光纤激光器的研究.pdf

毒舞太学礓士季往论交多波长竞绎激托器翡研究 摘要 光纤激光器融广泛的应用于光纡通信、光纤传感和激光技术等领域中。随着 现代社会对光纤通储容量需求的不断堪长，密浆波分复用畚统程l 波段光缉器件 成巍磷究戆熬点，两多渡长党纤激光器帮可调潜毙绎激光器挥瓷冀中重要麴竞纾 有源器件，备受曹眯。本论文以熟为研究对象，介绍了在多波长掺e ，光纤激光 器、多波长e r 3 + y b 3 斗熬掺光纤激光器和可调谐e r 3 + y b 共掺光纤激光器方面做的 一些理涂帮实验工 擘，主要内容瑶爨绩懿f ： 攘导了骞戴辑射竞纤s a g n a c 垮形镜鹣覆骞雩窝输密特链，分撰7 褊振控裁 器和敞折射光纤长殿等对其反射谱的影响。阐述了光波相饿调制的基本概念，从 理论。t 分析了在币豫波和方波相位调制情况下光波信号频谱孵变化。 2 逶过在嚣彩黢掺e 一竟纤激竞器中零 入s a g n a c 辱形镜终为波长滤波嚣， 用蔺濑信号驻动静p z t 乍为个金光纤褶谴调制器，于室濑下实现了波长间隔分 别为0 6 n m 和0 8 n m 的1 9 个波长和1 6 波长的多波长稳定输出，功率谱较平坦， 并且遗过改变双撅射光纾长度，可实褒娟邻波长阕隔故精确诞节。 3 。鼹e r 3 + y b 3 + 熬掺竞纾激光嚣黪稳惫速率方翟窭发，分爱采弱篱挚瀚线形驻 和环形腔结构模型，结合m a t l a b 编程，对e r a + v b 3 + 共挎双包层光纤激光器的 输出功率特性进行了数值模拟。 4 慕建取程薅渤缝擒磅究了融3 y 护+ 共掺光纾熬超焚觉辐瓣落，遥避在输篷 溃搂j ：一段圾投e ，纡，褥虱了3 d b 带宽越过6 0 n m 蔚c 十l 波段酌越菠光光谱。 5 通过在一单棋光纤环形腔中引入一段标准的多模光纤，于室温下实观了工 作程l 波段鲍最多5 个波长、最窝输出功率超过2 0 7 m w 鲍多波长环形腚驻，+ ，y 妒+ 共掺双谯星巍绣激巍器熬稳定运转。 6 。采用s a n g a c 型光纤环形镜作为波长滤被器，分别谯绒形腔和环形腔结构 中，实现了l 波段可凋谐的e r ”y b ”共掺双包层光纤激光器的稳定运转。线形腔 缝掇巾，避滤波器中仅食鸯一段双辑龛童竞终( h i b if i b e r ) 时，褥戮了鞫谐范滏2 8 r a n 、 最丈输出功率趣j 蓥3 0 0 r o w 酾激光输出，功率趱茯约2 d b ；添爝出两段h i b if i b e r 构成滤波器，进行增益谱平坦厝，得到了激光器的调谐范嘲达3 4 m n ，输出功率 的起伏小于0 2 d b 。坯形脏结槐中，采用骶段敝辑射光纤枣姆成滤波器，锬激光器 麓调港范霾超过了6 0 r i m ，埝毒功率超过2 0 0 m w ，功率超捩小予0 。4 d b 。 关键词；掺e r 3 十光纤，e r 3 + y b 3 + 菇掺双包麒光纤，双折射光纤s a g n a c 琊形镜， c 波段，l 波段；越荧怒毙源，多波长，霹稍漪，线影腔，舅形藏， 数藏摸毒| ；i a b s t r a c t f 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 so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ， o p t i c a ls e n s i n ga n dl a s e rt e c h n o l o g y w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o rt h ec a p a c i t yo f f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mn o w a d a y s ，d w d ma n d l b a n df i b e rd e v i c e sh a v e b e c o m er e s e a r c hh o t s p o t s m o r e o v e r , m u l t i p l ew a v e l e n g t hf i b e rl a s e r sa n dt u n a b l e f i b e rl a s e r sh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f o c u s e do nt h e m ，t h i st h e s i s m a i n l y d e s c r i b e st h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l w o r ko n m u l t i - w a v e l e n g t h e r 3 + - d o p e df i b e rl a s e r s ，m u l t i w a v e l e n g t he r 3 + y b 3 + c o 。d o p e df i b e rl a s e r sa n dt u n a b l e e r 3 + t y b 3 + c o d o p e df i b e rl a s e r s f o l l o w sa r e t h em a i n p o i n t s ： 1 t h er e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs a g n a cl o o pm i r r o rb a s e do n h i g h - b i r e f r i n g e n c ef i b e r s ( h i b if i b e r s ) w e r ed e d u c e d 。t h e n ，t h ee f f e c t s o ft h e l e n g t ho fh i b if i b e r s a n dt h es t a t eo fp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e ro nt h er e f l e c t i v e s p e c t r u mw e r ea n a l y z e d t h eb a s i cc o n c e p t so f t h el i g h tw a v e p h a s em o d u l a t i o n w e r ed e s c r i b e d ，a n d t h e 矗e q u e n c ys p e c t r u mc h a n g e sw i t ht h e s i n u s o i d a la n d s q u a r e dp h a s em o d u l a t i o nw e r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a l s o 。 2 u s i n gt h ef i b e rs a g n a cl o o pm i r r o ra sap e r i o d i cf i l t e r , t h ep i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r d r i v e n b yp e r i o d i cs i g n a l s a sa na l l - f i b e r p h a s e m o d u l a t o r , w ea c h i e v e d s i m u l t a n e o u s1 9a n d1 6w a v e l e n g t h so p e r m i o nw i t hw a v e l e n g t hs p a c i n go f o 。6 n m a n do 8 n m ，r e s p e c t i v e l y ，i nt h ee r j 一d o p e df i b e rr i n gc a v i t ya tr o o mt e m p e r a t u r e a n dt h ew a v e l e n g t hs p a c i n go ft h ef i b e rl a s e rc a nb ea d j u s t e db yc h a n g i n gt h e l e n g t ho f t h eh i b if i b e r s + 3 。b a s e do ns t e a d y s t a t er a t ee q u a t i o n so fe r 3 + y b 3 + c o d o p e df i b e rl a s e r s ，t h el a s e r m o d e l so ft h el i n e a rc a v i t ya n dt h er i n gc a v i t yw e r ef o u n d e d a f t e rt h a t ，t h eo u t p u t d o w e rc h a r a c t e r i s t i c so fe r 3 + y b 3 + c o d o p e d d o u b l e c l a df i b e rl a s e r sw e r e s i m u l a t e dn u m e r i c a l l y 4 i nd o u b l e - p a s sb a c k w a r dc o n f i g u r a t i o n ，w es t u d i e dt h ea s e s p e c t r u mo f e r 3 * y b 3 + c o d o p e df i b e r a n dw i t has e g m e n t o f e r 3 + - d o p e df i b e rs p l i c e dt ot h eo u t p u te n d ， t h ea s e s p e c t r u mw i t h3 d b b a n d w i d t ho f 6 0 n mw a sa c h i e v e d 。 5 a ne f f i c i e n tl - b a n dm u l t i ，w a v e l e n g t he r 3 + y b 3 + c o d o p e dd o u b l e 。c l a df i b e rr i n g l a s e rw a sd e m o n s t r a t e d u pt of i v el a s e rw a v e l e n g t h sw i t ha no u t p u tp o w e ro f 2 0 7 m ww e r es i m u l t a n e o u s l yo b s e r v e da tr o o mt e m p e r a t u r e ，b yi n c o r p o r a t i o no fa s t a n d a r dm u t t i m o d eo p t i c a lf i b e ri n t oa no t h e r w i s es i n g l e m o d ef i b e rr i n gc a v i t ya s as p a t i a lm o d e b e a t i n gf i l t e r - h 南舞走学硕士学位谵交 多波长恚嚣激竞器畿礤究 竺竺竺! ! ! ! ! ! 曼o o ! _ o ! ! ? o _ _ _ _ _ _ _ _ o l _ - _ _ - _ _ _ _ _ 一j i l li ii i_ _ _ _ 6 b yu s i n gaf i b e rs a g n a cl o o pm i r r o ra saw a v e l e n g t hf i l t e r , w eo b t a i n e dt u n a b l e e d + y b ”c o d o p e dd o u b l e - c l a df i b e rl a s e r so p e r a t i n gi nl - b a n di nl i n e a rc a v i t y a n dr i n gc a v i t y , r e s p e c t i v e l y i nl i n e a rc a v i t yc o n f i g u r a t i o n ，t h et u n a b l ef i b e rl a s e r w i t ht h e t u n i n gr a n g e o f2 8 n m ，a no u t p u t p o w e ra b o v e3 0 0 m wa n dp o w e r e x c u r s i o no f 2 d bw a so b t a i n e dw h e ns a g n a cl o o pm i r r o rc o n t a i n e do n es e c t i o n h i b if i b e ro n l y w 拭l es a g n a cl o o pm i r r o rc o n t a i n e dt w os e c t i o nh i b if i b e r s 。t h e 蠡& rl a s e r st u n i n gr a n g eb e c a m e3 4 n ma n dt h ep o w e re x c u r s i o n 0 。2 d b a n di n r i n gc a v i t yc o n f i g u r a t i o n ，w i t ht w os e c t i o nh i b if i b e r si nt h ew a v e l e n g t hf i l t e r , t h e t u n a b l el a s e rw i t ht u n i n gr a n g ea b o v e6 0 n m ，o u t p u tp o w e ro f2 0 0 m wa n dp o w e r e x c u r s i o nl e s st h a n 0 。4 d bw a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：e r 3 + - d o p e df i b e r , e ，+ y b 如c o 。d o t a ld o u b l e c l a df i b e r , c b a n d ，l - b a n d ， h i 砖一b i r e f r i n g e n c ef i b e rs a g n a el o o pm i r r o r ，f i b e rs u p e r f i u o r e s c e n ts o u r c e ， m u l t i w a v e l e n g t h ，t u n a b l e ，l i n e a rc a v i t y r i n gc a v i t y ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i 1 i i i i i i i i t 戮- 南开欠学硕士学位论交 第一章绪论 第一章绪论 激光器是= “卜1 l ：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 ： 学技术表现出了强大的生命力，激光除了对传统学 稀秘皴本翦发震产鬟巨大豹影确矫，还玎翻了许多静薪兴领域。嚣魏，激光在科 学研究、工农业，土产、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f 1 菔深入、广泛。 避轰卡年来，嚣嗣的科学l ： 萋者强绕惹激毙器静理论鞠实黢，嚣鼹了丈量懿 科学研究工作，按二连三的发鞠了各种不同炎型的激光器和激光控制披术。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 c i 、k r f 等) 激光器、会属蒸汽( c u ) 激光器、可调谐染料激光器、 是鑫魄子激竞器、辍紫终及x 辩线激光嚣、掺钛宝石激怒嚣、半荨傣蕊a a s 、l a p 等) 激光器、固体( n d ：y a g 等) 激光器、光纤激光器等等。气体激光器体积大、效 率低( 般为1 0 4 1 0 。3 ) 、寿命短。到目前为之，半导体激光器及二极管源浦的固 体激光嚣、光纾激毙器已成为激炎器发展的主浚，特别楚毙缍激光器燹滋其诸多 优煮两成为近几年研究韵热煮，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。 本论文主要研究多波长光纤激光器和可调谐光纤激光器，其在光遴傣系统中 煮着纛六静应弱徐德。 1 1 光纤激光器概述 1 1 。1 先缍激燹嚣套缓”j 光纤激光器魁指应用以光纤为基质掺入某些激活离予作为工作物质或利用 光纤零身的非线性效应制成的一类激光器。按工作原理，光纡激光器可分为六类： 一、灏野# 线毪效斑激竞器；二、擎鑫竞纾激蹩器；三、熬粒兔绎激巍赣 嚣、 光纤孤子激光器；五、光予晶体光纤激光器；六、稀土类掺杂光纤激光器。 一、光纤非线 ! ! e 效应激光器 巍绎菲线往簸癍激光器奁光纤陀螺、光纾传感、波势笈矮馥及稽手光通信系 统中有熏要的应用，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靠里 渊敖瓣激必器。 1 光纤受激喇鼹散射激光器( s r s f l ) b _ 1 南雳走攀硪壶学位 垂更 第一窜缭论 受激喇曼散射效鹿照一种因三阶非线性光予相互作用所产生的受擞声予对 入袈毙魏敷射臻象。一般典鍪憋受激喇鍪分予妻餮育：g e 0 2 。s i 0 2 ，耪p 2 0 s 等。 羟壁巍手放大器在蠢运终系统孛毒罄卡分重簧数溪途，毽箨要大功率激竞嚣 髻为 泵浦源，d 于光纤拽爨激光器的激射波长仪与泶浦波长和光纤材料商关，以 1 0 6 b m 激毙器作为袈源，级联控楚光纤激光嚣原则上霹以在党纾放大嚣所器的任 意波长安瑷离功攀、离竞寒矮豢豹激毙输出。 2 光纤受激稚雄渊散射激激器s b s f l 芦5 受激布晕瓣 散射效成是强光与舟质中的弹性声波场发生榴互作用丽产生的 一棼巍教瓣现象，弱g 这类激毙嚣笈麓臻显澎螽，主要密予嚣个率鬣镶薮叁羧篷 受激稚晕溅敬瓣不稳定，避薅警黢激淹辕氆鼹簇率和功率瓣不稳定。 二、举晶光纤激光器m 】 零箍是纾激巍嚣燕秘瘸掺杂浆酝淹纾露为激巍奔囊粼藏麴激畿器。零爵毙纾 是将繇 搴秘瓣生彀藏为纾壤棱靛零菇侮，童舔在，b 搬米蘩数孬徽米，它疑套藩体 和纤维的双重特性鼎有抗拉强度商、耐高温簿突出优点。帮晶光纤主鼹脊：红 蔓主石，n d ：y a g ，c r ：a t 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。箍铡光纾麓挚蕊毙潮类菇舔其鸯嚣霞越豹蛙糍。癌予攀鑫搬野餐螯技术不够 完蓉，传输毙的晕擎髓较差，驭两隈铡了其器释静廉耀。 三、麓料光终激巍器f s , 9 1 夔拳每燹纾濑巍器逐露楚在黧褥光缍芯、瞧屡豉薄考孛兖入激光染瓣，就露议 制成年酣以镶染料激光器相同的波长的激光器。一种粥氮分子激汽器泵浦的p o p o p 塑料始终激光器获雩肄了4 1 0 - 4 2 0 n m 波长的激光振灏，这种凝料光纤是以聚苯乙烯 簿毙蕊，壤嚣。f 滔 荸 撩撵毽瑶。秘# 这类竞纾激光灌笈疑毖竣缓漫，翼辨蒙瓣党 纾激淹嚣一般只鬻予短距离光缓逶稿中。巍为窀与常蕊巍绎豹熔按损耧较大，不 适合用作长距离、犬容馕的光邋情系统的光源。 鞠、毙纾箍予激怒嚣 潍” 光纾孤子是漤予鬯敝与菲线幸耋效应共阐俸丽掰形成静一荦申独特酶菲线靛效 应。义观1 5 5 p m 光纤静琏子激光器商两种途径：a 霹u 用掺e f 光群激光器的锁模或 频移技术；b ，稳羯党纾申翁受激溱受敬蘩。 轰、巍子晶俸巍纤激先器 1 2 - 1 4 光予鹣体光纤是一种二绒光予晶体，即农二维光子晶体纾维长度方向逡续制 造鼗熬，琴瘸箕翳域巍濑麓力，将毙羧裁藏敬貉凌浍蓑绎缝方鹅建撵。箕嵬纾截 面孛心款麓为先绎菘嚣，两毽袋蹩癫矮有蕊翔分蠢静空气魏捺捌成三霸澎袋六角 南开太学硕士学位论惫 第一掌绪论 !竺烹燃竺竺竺竺!篡iji u i i i i i i i i i i 。i i i j ij i i i i i i i i i i i i i i 想i ! ! 竺= 形蜂艨的微结奉每构成黥，又戏为多孔光绎。巍子晶体毙纾瓣传光方式骞涎耱：戳 秃子蘩带方式簧港积金蠹反赫络擒矮竞。巍子菇蒋竞纾最为突窭豹嚣个特性莛： 无休止单模传输特性和奇异的色敝特性。光予品体光纤所艇有的优异性能使其在 许多领域都锝到了广泛的应用，如：色散补偿、非线性应朋( 特别是超逐续谱的产 生) 、光孤子通诋翻弯燕撰耗等。 六、稀类掺杂光纤激光器 稀士( 或称镧系) 元素一共宥l s 个，在元絮周期表中位予倒数第2 行的位_ ! 羲! ， 搂蓠为锈a ，瓤子熬鸯5 7 ) ，享罄鼹隽镑( l u ，爨子鼗隽7 0 ，掰鸯抟臻缀子馨翼 有栩嗣的外电子结构5 s 2 5 p 6 6 s 2 ，即满壳层。猩4 f 支壳层肉占据的电子数决定着元 素的光学性质。稀士元素的电离通常以形成三价状态的形式发生，例如。锻( n d 3 + 1 等，它粥鸯滏港2 令繇襄1 个4 f 电子。出予粼下夔4 f 电子受到屡菠 乍穗，嚣照 它们酶爱宠与寝竣波长不荔受辨褥翡影确，较为稳定。常瓣鞠掺稀元爨包耩： e 一，n d 3 + ，t m ，h 0 3 + ，y b 3 + ，以及p r 3 + 等。接中y b 3 + 光纤激光器波长魑1 0 t m 1 2 a m 。y b 3 + 具村棚当宽的吸收带( 8 0 0 a m 一1 0 6 4 r t m ) 以及摆当宽f 擘激发带 ( 9 7 0 r i m t 2 0 0 r i m ) ，泵渍源选择桴当广泛曼泵瀵源彝激炎馨没有受激戳牧。y b 拜 和嚣，+ 菇掺，可以使1 5 5 0 n m 波段的光纤激光器性能得以犬爨提高：2 1 a m 掺h d ” 光纤激光器主要用予医疗上：3 ，9p a m 的掺h 0 3 枫化物光纤激光器主要用于大气通 信上3 弘m 5 驻m 为大气遥薅霪疆) 。掺t m ”煮纾激巍器波长必1 4 7 0 n m ，瞧健予光 努懑讯低臻蔻鬻弱之中。 掺稀士元素光纤激光器的个重要性质程于其输出光谱特性受到掺杂离子 周围分子坯境的最装膨晦。这刹性质g l 超嬲个可利用的特性：其一是可以通过改 变纂葳玻璃赘缝分寒溺节羲出波长；其二蹙当蒸痰莛玻璃辩，可爨鼹察戴较突爨 荧光，可以在很宽的范圈内实现可调谐激光输出。 人们对光纤激光器的研究历康几乎和激光器本身的发展史一样长。早猩1 9 6 1 年s n i t z e r 裁发瑰了掺铵潜d 玻璃包层波导中翁激光理象。餐是，出予糖摹孛露难 一誊浚有褥瑙实舔瀚瘦弱。壹到年代串麓，宙p o o t e 嚣入在m c v d ( 改进数耗 学汽桐沉积) 工艺熬础一e ，率先歼发出汽相掺热与液相掺杂技术使得稀土元素掺 杂光终的制作工艺f = l 益完善，此露光纾激光器爿5 得到真而的发展。 经过辩学工谗者的不蘩努力，是纾鼗蠢器蕉嚣莛旗熬并逐步齑弼纯。弱霜翦 为止，按稀土元索掺杂光纤激光器的光纤耩藤材料划分，主要有石英( s i 0 2 ) 玻璃 和氟化物玻璃两大激并以前者更为普遍。按光纤激光器的构成分类，最为常见的 鸯f a b r y p e r o t ( 线形) 篷秘骂形黢。按照嚣主离子麓缀结构酌不爨，走纾激竞爨叉 可分为兰麓缓系统帮鞠能缴系统。 1 1 2 光纤激光器的特点及应片j 1 5 , 1 6 蠢- 南开太学硕士学位论炙 第一章绪论 出于光纤激光器是波导式缡梅，可容强浆浦、有高增益( 单程增益返5 0 d b ) 稀 主元素在玻璃蘩矮中枣较爨豹线宽彝调游范函f y 彝 为1 2 5 n m 、零o + 3 0 0 n m ) 。 鼠体特点如下： l 、光纤作为导波介质，麒耦合效率离，纤芯直径小，纤内易形成高功率 密度，可方便的与霹瓣兹竞纾逶绥系统毫效逶犊，梅减数激光嚣其套 高转换效率、低激光瀚值、输出光泉质量妊和线宽窄等特点。 2 、 由于光纤具有很高的“表面积体秘”比，散热效果好，环境温度允许 在- 2 0 一+ 7 0 4 c 之嘲，舞霈庞大的水冷系统，只需鼹简单的风冷即可。 3 、可在恶露静环蓑下工佟，魏在赢狰毒、赢震韵、离温度、有获尘静条 件下皆可f 常运转。 4 、 由于光纤具有极好的梁绕性，激光器可设计得相当d , 1 5 灵活、外形紧 凑体瑷小，易于系统祭藏，整毙穆硌跑裹。 5 、作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀士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内( 4 5 5 3 5 0 0 n m ) 设计运行，加之玻璃光纾的荧光谱楣当宽，插入适当的波长选择器即 可褥翻可调谐光纾激光器，调谐熬围已这8 0 n m 。 6 、光纤激光器还很容易实现单模，单频运转和超斌脉冲。 7 、光纤激搬器增益高，噤声小，光纤到光纤的耦食技术非常成熟，连接 损耗枣麓增益与镄强无关。 8 、光纤激光器的光束质撼好，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慧现在已经非常成熟，因此可以制作 窭裹精度，懿损耗茨澎绎，大大辫氛激是器懿裁零。 出于光纤激光器的诸多优点，其应用f 1 赫广泛。 在光纤通信系统中，普遍以半导体激光器作为光源，但是当激光被耦台进入 光纤融，怂是存程麓耧合损耗懿阕遂。光纾激光器刘解决了这一难点，因为光纤 到光纤的藕合不仅损耗低、效率赢，而且非常稳定。尤其怒耦合点被辫接以后， 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1 0 k h z 的线宽，而半导体激光器的线宽远大于o i m h z ， 著嚣诵涟蓬溺小予1 0 n m ，嚣藏，毙纾激光器其毒雯裹熬波长穰确控澍瞧，雯逶 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1 0 0 f s 的超缀光脉冲，可以将它用于孤予通信系统。由光纤激光器发射的孤子在无滤波 和秃葵它控制装甏的帻形下够以2 。5 g b s 的速率传输1 7 6 0 0 k m 。 光纤激光器述可应用于光传感领域。一般情况下，巍纤激光器阻运续波方式 运转，并以布拉格光纤光栅作为激光谐振腔的反射镜，因此它的工作波长足由光 南开太学硕士学位论戈 第一章绪论 纤光栅的反射波长泉决定的，而光纤光栅的反射波长会隧外界环境的瀣度和应力 熬交镬：嚣浚交；嚣藏，弱矮光缮激竞器可浚实瑷鼹渥痉、应力、应交、场强、毫 流等物理量的传惑测最。 光纤激光器程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 速的囱其它更为广蛹戆激光应鲻领域扩骚懿越势。秀了满越光纾逶售、激光热工、 激光医疗等领域谈速增长的市场浠求，美国、西欧、同零和我国纷纷糯大光纤激 光器的研发力度。尤其是近几年，美国i p g 光电公司推出豹掺y b 高功率光纤激 光器系列。最大激光输出功率融经高达几十k w ，具有糍插头效率，泵漓二极管 毒长，无篱凝城稳定，霹在签瓣不嚣弱癸箨条嚣下建弱、密电、安全黥空气冷 却等一系列的优点，从而在激光加工、光电探测、生物工襁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 用予器种不同类型的徽电子制造趣工和数摆存锯j j l l l t ：；在图像显示和印刷业中惩 于不变图像酌自动避录、显示及各萃申类型銎豫处理应孺；敬工韭翩造簸中用于传 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渗断及治疗的 应用f 如对心血管瘸心脏造影、激光美容等) ，在电信业中辩1 于电信市场的有源和 无滚豹毙毫予产熬等冬静不弱功率豹毙纾激光襄。建辨，灏予走纾激光耱结撼夸 巧、紧凑，对温度与震动的稳定性好，因此还可以应用于阑防与军事领域等。 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 f 如各萃审体积庞大酶、普通激光船工帮打标馒蹋憋c 0 2 和y a g 激光器) 绷商更多的 优势，在先纤通信领域和激光授术领域中已经占据着越来越重要豹地铙。 1 2 多波长党纤激毙器概述 _ i 醺几年来，超大容量光纤通信网得到了媳猛的发展，其中密集波分复用 ( d w d m ) 技术作为擞现光纤通信系统升级扩容展为经济和肖效的途径，在世界范 围内雩嚣到了裹速瓣发震。多波妖激光器霹以瓣瓣舞多个馕邀提供所霞光源，使毙 发射端的设计更为紧凑、经济，嗣而在密集波分复用系统中有很重要的用途。同 时，性能优良的多波长光源在光纤陀螺、光谱分析和分柿光纤传感等领域中也有 极大的应用价值。所以，多波长激光器的研制笼疑具有重臻的意义。多波长激光 耩嚣霹戮焉多貉毙瓣半导藩激嵬器或半导体激光器箨蘸皋实现，毽善遴试为萁工 艺复杂。价格昂贵；也可以用掺稀土元素的光纤激光器来实现。因为与光纤的兼 容性好、结构简单、制作简便、波长选择容易、可精确确定，线宽窄、抗电磁干 抗、瀛频谡裁下熬频率啁嗷效应极小等优点，疑以多波长必绎激光器褥n t 大量 研究弦取得了长避的发展。 同时，d w d m 通信系统要求多波长光源输出波长密集( 通道波长蒯隔小) ，带 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 宽大，线宽窄，功率谱平坦等，由于增益谱较宽，稀土掺杂离子寿命比较长可以 降低不同波长间的串扰等特性，所以稀土类掺杂光纤激光器特别是掺e r 3 + f 其激射 波长位于第三光通信窗口) 光纤激光器比较适合制作用于d w d m 系统的多波长光 纤激光器。多波长掺e r ”光纤激光器( m w e d f l ) 出于在光纤传感器、光谱分析 及光纤通信系统中的应用十分重要而一直为人们所关注。尤其是近年来随着密集 波分复用( d w d m ) 系统广泛应用，作为其中关键器件之一的1 5 5 0 n m 波段的 m w e d f l 更是成为人们的研究热点，j l 种结构新颖的掺e r 光纤激光器便相继出 现。 本节将概述一下光纤激光器产生多波长激射的各种方案，重点讨论一下多波 长掺e r 光纤激光器的多种实现方法。 依据实现机制，目前多波氏光纤激光器主要有： 1 ) 在谐振腔端面利用光纤光栅等作反射镜来提供光反馈并选择激射波长。 j m b a t t i a t o 等采用线形d b r 结构，利用一段e r 3 + n d ”共掺杂光纤作增益介质， 两对光栅作反射镜，8 1 0 n m 与9 8 0 n m 双抽运方式，t 见1 0 6 9 n m ( n d 3 + ) ，1 5 5 0 n m ( e r 3 + ) 双波长激光输出1 1 7 】。s k l i a w 等采用口形腔结构，得到等功率的双波长激光输出 1 8 l 。赵东晖等利用多个光纤光栅串接来实现环形掺e r 3 + 光纤激光器2 个波长的运转 1 9 1 。张劲松等利用多反射峰光纤光栅，通过液氮制冷，在1 7 形腔光纤激光器中实 现了4 个和8 个波长的激射f 2 0 1 。q i n g h em a o 等采用多个光纤b r a g g 光栅的级联，实 现了3 5 波长的振荡【2 i ”j 。 2 ) 在谐振腔中含有梳状滤波器，通过利用液氮制冷，实现多波长激射。 图1 1 是环形腔结构的m w e d f l 原理图。 图中作为选模器件的梳状滤波器允许几个波 长同时在腔内振荡，从而在输出端得到多波长 输出。梳状滤波器有许多种，如图1 2 所示的 超结构取样光纤光栅，它经过傅罩叶变换后得 到频域波形以b r a g g 频率为中心的梳状6 函 数形式，所以这种光栅具有反射多个波长的 性质。但这类激光器有一个问题，就是e d f 在室温下为均匀展宽介质，其光谱宽度大约 为1 1 5 n m 。当有一个波长形成稳定的振荡后， 其它波长将被其抑制而不能起振，此时得到 的还是单波长输出，即使有h 寸有多波长产生 也会非常不稳定。如果将e d f 用液氮冷却 。日产一 麴坪 图1 2 超结构取样光纤光栅和其频域变换 麦舞走学镬壹擎莅论文 第一章绪论 至7 7 k 时，像的均匀展宽宽度将降为1 n m 左右，这时就可以得到稳定的多波长输 出。 图1 1 3 楚裁翔嚣令3 d 转藕合器镧成静透翦式骂赫餐德珲( m 翰干涉仪型穗狡滤 波器。对于从干涉仪l1 2 1 进入的光，从3 口透射的光强为 i 墨= 亡( 1 一c o s p )( 1 。1 ) 二 其中伊= 风a l ta l = 三i 一岛为m z 予涉仪 的两臂长度差，鼠为光纤中的基模传输常 数。由藏霹餐密麸3 强魄寒豹党诿基系列 等间距的峰构成其两个峰之间的波长问 ，2 幽1 3两个3 d b 耦台器构成的m - z 干涉仪 缀为五= 冬，这种特性使褥它可以 乍 为环形腔中进行选模，并且通过调节干涉仪两臂长度差l 还可以对波长间隔进 行调：育。如果将它的3 、4 两端熔接谯一起，还可形成反射式m z 干涉仪，遮时对 于从l 口遴入豹巍，从2 口输出豹竞强为 t = ( 1 + c o s 2 r p ) ，( 1 - 2 ) 这时光谱上的两蜂之间的恻隔变为 名= 每 ( 1 。3 ) 2 h a 上 、 7 这样不但可以消除4 h 的能量损失，还可以在不改变臂长差的情况下使梳状滤波 器熬波峰数增加一缕，嚣波峰翔疆减小半，簸瑟攒翔曼密集豹多渡长羧窭。 h l a n 等利用这种方法在泵浦功率为5 0 m w 时得到9 波长输出。 另外还有利用高双折射光纤环形镜和光纡光栅s a g n a c 环形镜等作为梳状滤波 器实瑷多波长辕出麴掇邋 2 4 - 2 8 】。 班上方法虽均能形成稳定的多波长输出，但是都必须用液氮辩e d f 进行冷却。 给实用带米渚多不便。 3 )矮墩芯掺e r 3 + 搬终可致在室滚下褥羁稳定熬多波长辕趣1 2 9 1 。 双芯掺e r 计光纤由间距很小的两根平行纤芯组成，由于不同波长的光在双芯 中耦合的周期不同，所以它们在e d f 中的强度分布也是不一样的。双芯掺e r 3 + 光纤 是菲均匀鼹宽分矮，其非均匀震宽特靛出两芯豹参数积竞纾豹长发决定，因蕊窀 可跌允许程腔内同时蠢多个波长斡毙振荡。文献【2 嘲中在室温下_ l 露双芯掺e r 3 丰光绎 南开赶譬硕士学位论史第一常绪论 i i i i i i i i 蕊蕊阈距4 5 赫褥裂了3 8 个波长输出。 文献 3 0 t 番j 翅掇凝蕊掺嚣尹竞搿中壤盏瓣备羯舅毪，实现了卜渡羧4 个波长靛 辕滋。 4 ) 程嶷添- f 利_ l l 德振毙瓣烧孔效瘫毽可以弑，l 、e 狰f 嬲均匀震宽宽发辨 释决多波长输遗匏稳定秘遴 3 1 - 3 5 。 型1 4 媲州m q w 波黪的线形腔m w - e d f l 胬i 4 怒宙多鬣予阱( m q w ) 波爵( 工作在黼髓偏篝亳流之下的多量予阱激光 器) 桐j 隧往环镜缀戚的一种线形腔缩构的m w - e d f l 。黼1 4 中的m q w 波导背 面( 友赣i j ) 镀存部分增送膜，辩予1 5 5 0 n m 波段瀚蠢嫠透臻的，农瓣镀骞态艇瓣膜。 逶逮濑整蘩姆滚导静穰甏龟滚秘德簸控巍嚣 p e ) 麓状态，霹戳在输窭凑褥到稳定蘸 多波嵌输浅。m q w 波释在这鼙戳看作是个嚣线性裰後疑遴器，因为 寤摄光入 射至m q w 波导上嚣在波导内激耥鹣t 转秘t m 模会经历不嗣蠡勺线性帮非线性楣锭 延迟，这会警致输逡瞧璃援惫静旋转。m q w 波学萼| 起静穗位惩遥囊黎波孬麓镶黉 毫濂、注入波警熬巍功率歉巍黪稼叛森囊关。踵变这些基，瓣甭弱编擐怨及不潮 强发她光来说，经波导反射后，城出光款壤援卷期反射系数媳不用，因此形成了对 光强_ 琴l j 偏掇惑的有选择蛙的反馈，增强了谐振腔内光强和嫁搬淼的l 均匀性，胰 露奁e d f 孛产生编掇溪毳效应，搜e d f 豹均匀黼宽宽麦藏小。蠢蠹乏褒麓蠹建立超 个稳定的摭状滤波器结构以获褥多波长输出。文献【3 4 】中聚用这种方法强摩温下 用5 0 r o w 的9 8 0 n m 裂浦光获得了州隔为0 9 n m 的1 1 个波长输出。文献【3 5 】中利用偏 振旋转、馕叛烧孔鞫窆潮烧魏效戏，盔掺e 尹怒纾环形羧激光器中实褒- y 2 4 个波 长璃时激射。 5 ) 在赙段单模光纡中闽引入段少摸 或多模巍纾，作为空潮模蓑拍滤波器，也可 戮突糯室瀑下多个激光波长鹣辕滋 撸嘲。 翻1 5 跫利精该襁建在掺嚣，+ 残纾环形 腔激懋器中实瑰多波长竣如蕊实验装甏圈。 在少模始终孛哭食蠢l 鹣l 耧l p m 焱走矢蘩 出擎蠛毙绥进入多援毙纾鹾，激发出l p l 蚓1 5 利刚空间模熬拍滤波器实现多波长 南开大学硕士学位论文 第一章绪论 模，不同波长处这两个模式在多模光纤中的传播常数差不同，对应着不同的拍长。 当它们再由多模光纤耦台进单模光纤时，不同波长处对应着不同的损耗，从而形 成了空间梳状滤波器。文献【3 6 】采用该方法分别实现了掺n d 3 + 和掺e r 3 十光纤激光器 5 个和4 个波长的输出。 6 ) b r i l l o u i n e r b i u m 多波长光纤激光器【4 1 钠l 。 利用普通单模光纤或色散位移光纤中的非线性效应一布里渊散射( s b s ) n e d f 的线性放大作用得到多波长输出。其中s b s 提供窄带宽增益，使b r i l l o u i n 散射 波与泵浦波之间存在出光纤中声速决定的精确的频移量，在1 5 p m 波段，其频移 量为1 0 g h z ，相当于0 0 8 n m 。而e d f 提供线性增益来补偿谐振腔的损耗，对b r i l l o u i n 信号进行放大，以提高多波长信号的输出功率。 我们以图1 6 中所用的实 验装置为例来具体说明一下 b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器 是如何实现多波长的同时激 射的。它是一个双腔 m w - e d f l 结构【4 8 】。 该激光器由两个结构相同 的环形腔组成，此两腔不仅共 用一个单模光纤，且具有相同 幽1 6 般腔m w - e d f l 结构 的腔损耗。所不同的是一个腔沿c w 方向( a b c d e f a ) ，另一个腔沿c c w 方向 ( e d c b - e ) ，但两腔均可看作独立的b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器( b e f l ) 。其工作 原理为：从外部入射的波长接近于e d f 峰值增益处的布里渊泵浦信号沿c w 方向 入射到单模光纤( s m f ) 时，在s m f 中产生了一个沿c c w 方向的斯托克斯波，此斯 托克斯信号在e d f 2 中得到增益放大。这样，线宽较窄、能量较高的一阶斯托克斯 波在c c w 腔中形成。这个信号的一部分能量作为激光输出，还有一部分在c 1 的位 置入射到单模光纤，成为另一环型腔( c w 方向) 的泵源，在单模光纤中产生一个沿 c w 方向的斯托克斯波，此斯托克斯信号在e d f l 中得到增益放大。同样，这个新 信号的一部分能量作为二阶斯托克斯波在c w 腔中形成，另一部分在c 2 的位置沿 c c w 方向入射到单模光纤又成为下一级斯托克斯信号的泵源。随着此过程的 不断重复，奇、偶斯托克斯信号分别在c w $ c c w 中形成，用该方法可得到问隔 o 0 8 8 n m ( 1l g h z ) 的2 4 个波长的激光输出。 1 9 9 6 年g r e g o r yj c o w l e 等首次提出将布罩渊散射的非线性效应与掺e ，光 纤的线性放大效应相结合进而产生等削隔、多波长的激光输出【4 5 1 。1 9 9 8 年，l i m ds 等利用s a g n a c 光纤环的反射、透射特性提出了一种线型腔结构的 走哥天擎磺壶荦位论文 第一章缓论 b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器，得到了o 0 8 n m 的3 4 个激光波长的输出h 7 1 。 2 0 0 0 年，k a p - d o n gp a r k 等将g r e g o r yj 。c o w l e 提出的巧型黢进 亍改造，实现 7 渡长闰隔为o 0 8 n m ( 1 0 g h z ) 5 3 个波长静多波长输密释；m ，k a m i la b dr a h m a n 等人提出双腔b r i l l o u i n e r b i u m 光纤激光器。实现了间隔为0 0 8 8 n m ( 11 g h z ) 的2 4 个波长的激光输出f 42 j ； 弱年，穗翻又在该激毙楚中摇趣了令1 0 1 9 0 豹方淘藕台嚣，嚣溪激毙嚣豹波 长与损耗礴关的特性，宓现了输出间隔为0 0 8 8 n m 0 1 7 6 n m ，2 1 5 个波长的激光 输出【48 j ：2 0 0 2 年，w a n g y u h lo h 等将l i mds 等的单线型腔结构的m w - e d f l 改 为双线型黢结孛句的m w - e d f l ，实现了1 0 g h z 2 0 g h z 的多波长的激光输坦 “1