（光学专业论文）短腔铒镱共掺光纤激光器的研究与制作.pdf

摘要 摘要 掺铒光纤激光器( e d f l ) 在光纤通信、传感、测距以及工业加工等领域有着 良好的应用前景。由于单位长度增益的限制，传统e d f l 所用的增益光纤长度 普遍较长，制约了其应用系统进一步向小型化、集成化发展。已有研究表明铒 镱共掺磷酸盐玻璃具有良好的吸收和增益特性。磷酸盐玻璃对稀土离子的可溶 度高，可以共掺较高浓度铒( e ，) 、镱( y b 3 + ) 离子，在9 8 0 n m 波段光波抽运 下，y b 的吸收截面比e ，的要大近一个数量级，可以有效吸收抽运光能量， 并通过能量传递过程( e t ) 把吸收到的能量传递给e r 3 十。较高的能量吸收和传 递效率保证了e ，上能级4 1 1 3 2 的粒子数布居，使成纤后的单位长度增益大大提 高。利用这种材料制作成的光纤可以在很短的长度内( 1 0 厘米量级) 实现较高 功率的激光输出。 本文首先对光纤器件特别是光纤激光器的发展作了简单的背景介绍。由于 光纤材料本身的发光特性对光纤器件的性能有着决定性的影响，本文接着在第 二章就铒镱共掺材料的光谱性质进行了阐述。主要通过光谱测量和数据拟合等 方法，如通过测量到的发射光谱、吸收光谱等分析材料中稀土离子的跃迁过程， 对铒镱共掺磷酸盐玻璃材料的发光及激光特性进行研究和讨论。特别地，铒离 子4 1 1 3 陀能级的荧光寿命是一个重要光谱参数，一定程度上表征了实现粒子数反 转的难易程度。它可能会随离子掺杂浓度、激发功率和工作温度的改变而变化。 我们利用荧光光谱仪，建立起一套荧光寿命测量装置，测量了9 7 5 n m l d 激发下 铒镱共掺磷酸盐玻璃1 5 4 p r o 荧光寿命，研究了e ，离子4 1 1 3 ，2 能级寿命随掺杂 浓度、抽运功率和工作温度的变化及其影响机理。 第三章是短腔铒镱共掺光纤激光器的理论研究。分别从工作物质、抽运光 源和谐振腔设计三方面介绍了其工作原理。然后，从铒镱共掺体系的六能级速 率方程组出发，结合功率传输方程建立起一个数学模型，对高增益铒镱共掺光 纤激光器的连续运转进行数值模拟研究，考察了后腔镜反射率、光纤长度以及 铒镱离子掺杂浓度对激光输出功率的影响。第四章介绍了我们基于8 4 c m 和 1 0 4 c m 两段高浓度掺杂铒镱共掺光纤，采用短直腔结构制作超短长度光纤激光 器的实验。实验获得了最高达1 7 0 4 m w 的激光输出功率，测量了激光器的输入 摘要 输出功率关系，并把数值模拟结果和实验结果进行了比较；利用光谱分析仪 ( o s a ) 对激光输出谱线进行观测。此外，介绍了利用一段1 5 c m 的铒镱共掺 光纤实验观测到的超荧光发射现象，给出了不同抽运l d 驱动电流下的超荧光 发射谱线和超荧光输出功率。最后，第五章对全文的研究作了小结以及前景展 望。 关键词：铒镱共掺，短腔光纤激光器，荧光寿命，高增益，超荧光发射 i i a b s t r a c t t h ee r b i u m d o p e df i b e rl a s e r s ( e d f l s ) h a v eg r e a tp o t e n t i a li ns e v e r a lf i e l d s s u c ha sf i b e rc o m m u n i c a t i o n s ，s e n s i n g , r a n g i n g ，a n di n d u s t r i a lp r o c e s s i n g l i m i t e d t ot h el o wg a i np e ru n i tl e n g t h ，t h ef i b e ru s e di nt r a d i t i o n a le d f li su s u a l l ys ol o n g t h a ti tc a n n o tm e e tt h ed e m a n do fc o m p a c td i m e n s i o na n ds y s t e mi n t e g r a t i o n r e s e a r c hr e p o r t st h a tt h ep h o s p h a t eg l a s si sag o o dc h o i c ea sh o s tm a t e r i a l ，w i t hv e r y 1 l i g hi o ns o l u b i l i t yo fr a r e e a r t hi o n sa n dp o s s i b i l i t yo fc o d o p i n gw i t hh i g h c o n c e n t r a t i o no f 口+ a n dn 3 + 1 1 1 ey b 3 + a b s o r b se n e r g ye f f i c i e n t l yw i t ha na b s o r b c r o s ss e c t i o nw h i c hi sa l m o s to n em a g n i t u d el a r g e rt h a nt h a to fe ，+ a tt h ep u m p b a n do f9 8 0 n m f u r t h e r m o r e ，t h eh i g hp h o n o ne n e r g yo fp h o s p h a t eg l a s sf a c i l i t a t e s t h ee n e r g yt r a n s f e rf r o my b 3 + t oe r 3 + ，r e s u l t i n gi nah i g hg a i np r o p e r t yo ft h e e r 3 十y b ”c o d o p e dp h o s p h a t eg l a s sf i b e r h e n c e ，t h ec o m p a c te d f l si nl e n g t ho f 10 c r nc a nb er e a l i z e dw i t ht h i sk i n do fh i g hg a i nf i b e r i nt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to ff i b e rd e v i c ee s p e c i a l l yt h e f i b e rl a s e rw i l lb ei n t r o d u c e d s i n c et h eo p t i c a lp r o p e r t yo ft h ef i b e rm a t e r i a lh a s c r u c i a li m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i b e rd e v i c e ，i nt h ec h a p t e r2t h es p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so fe r 3 + y b ”c o d o p e dp h o s p h a t eg l a s sw i l lb ei n v e s t i g a t e d s t u d ya n d d i s c u s s i o no i ll u m i n e s c e n c ea n dl a s i n gp r o p e r t yo ft h eg l a s sw i l lb ep r e s e n tt h r o u g h s p e c t r a lm e a s u r e m e n t a n dt h e a n a l y s i s o nt h ee n e r g yl e v e lt r a n s i t i o n s t h e f l u o r e s c e n tl i f e t i m eo f4 1 1 3 2e n e r g yl e v e lo fe r j + i sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ri n d i c a t i n g s o m ev e r yu s e f u li n f o r m a t i o n ，f o re x a m p l e ，t h ep o s s i b i l i t yo f p o p u l a t i o nr e v e r s i o no f e ，as e t u pf o rt h i s1 5 4 l a i nf l u o r e s c e n tl i f e t i m em e a s u r e m e n ti sc o n s t r u c t e da n dt h e e v o l u t i o no fl i f e t i m ew i t hc o n c e n t r a t i o nl e v e l ，p u m pp o w e ra n dt e m p e r a t u r ei s a n a l y z e d c h a p t e r 3g i v e st h et h e o r e t i c a ls t u d yo nt h es h o r t - c a v i t ye p + y b 3 + c o d o p e df i b e r l a s e r i t so p e r a t i o np r i n c i p l ei sd e s c r i b e di nt h ea s p e c t so fo p e r a t i o nm a t e r i a l ，p u m p s o u r c ea n dc a v i t yd e s i g n t h e n , am o d e lf o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no i li t sc o n t i n u o u s o p e r a t i o ni ss e tu pb a s e do np r o p a g a t i o na n dr a t ee q u a t i o n sm e t h o d ( p r e m ) w i t h i n l i sm o d e l 。t h ei m p a c to fb a c kc a v i t yr e f l e e t i v i t y , f i b e rl e n g t ha n d i o n sc o n c 锄跏1 0 n o nm eo 嘶) u tp o w e r i ss t u d i e d i nc h a p t e r4 ，as h o r tc a v i t y 酽十y b 3 + c o _ d o p e df i b e r l a s e rb a s e do nh i g l lg a i nf i b e ri si n v e s t i g a t e d t h e r e l a t i o n sb e t w e e na b s o r b e dp n p p o w e ra n do l 卸u tp o w e ri nl e n g t h s o f8 4 c n la n d10 4 c ma l em e a s u r e d ，r e s p e c t i v e l y a n dm eo u t p u tl i n e w i d t hi sm o n i t o r e db ya no p t i c a ls p e c t r a la n a l y z e r ( o s a ) a sa s u p p l 锄饥t ，t h es u p e r f l u o r e s c e n te m i s s i o nf r o ma15 e r ae d + v b ”c o - d o p e df i b e r i s p r e s 饥t ，w i t hab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es u p e r - f l u o r e s c e n ts o u r c e ( s f s ) i n t h ef i n a l s e c t i o n c h a p t 盯5e n d st h et h e s i sw i t has u m m a r yo ft h i ss t u d ya n d a l lo u t l o o ko ft h e c o m p a c tf i b e rl a s e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：口+ y b 3 + c o d o p e d ，s h o r t c a v i t yf i b e rl a s e r , f l u o r e s c e n tl i f e t i m e ，k 曲 g a i n ，s u p e r f l u o r e c e n te m i s s i o n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：卸岛乞 为船年r 月倍日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：乡p 昌乞 妒吕年寸月侣日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，各类有源和无源光纤器件在信息和工业领域的应用有了长足发展。 今天的光纤，已不局限在早期的传光、传像的简单应用，而已发展到对光信号 和光能量的管理控制( 光纤光栅、光纤连接器、光纤耦合器、光纤隔离器、光 纤偏振器、光纤滤波器、光纤调制器和波分复用解复用器等) ，以及光信号的 再生( 光纤放大器) 和光源发射( 光纤激光器、光纤超荧光光源) 等。可以预 见，未来随着光纤器件本身性能的提高和成本的降低，其应用将得到更大的拓 展。 第一节光纤和光纤器件 尽管人们早在1 9 世纪就知道利用全内反射引导光传播【l 】，但光纤的真正实 用化却直到2 0 世纪中后期才取得了突破。早期的光纤只是简单的玻璃纤维棒， 一般集束用于导光或图像传输，但单一折射率的玻璃纤维棒仅依靠玻璃与空气 之间的折射率差，当玻璃表面与别的物质接触摩擦时可能无法形成全内反射导 致光泄露( 在集束使用时尤其明显，因为光纤之间表面接触较多) 。1 9 5 1 年， 美国学者b r i a no b r i e n 提出了“包层 的概念，即在玻璃纤维侧面覆盖上一层 折射率比玻璃小的介质。增加包层有效防止了光泄露，改善了导光性能，光纤 走向实用化迈出关键一步。 在2 0 世纪5 0 、6 0 年代里，工业领域中光纤的主要应用局限于光纤成像和 光传输。此后，光纤技术的发展主要得益于通信领域的驱动。1 9 6 6 年，在英国 标准电信实验室工作的年轻华裔工程师高锟( c h a r l e sk k a o ) 和他的同事在一篇 研究引起光纤损耗的基本极限因素的论文中【2 】，提出材料杂质是引起损耗的主 要因素，并预言损耗可以降低到2 0 d b k m 以下。这篇论文的发表从某种意义上 说奠定了光纤通信的基础，它指出了利用光导纤维作为媒介进行信息传输的可 行性和技术方向，激励了研究人员开始尝试研制性能更好的光纤。 1 9 7 0 年，康宁( c o m i n g ) 玻璃公司第一个研制出达到这一理论预期的光纤， 损耗降为2 0 d b k m 。 第一章绪论 1 9 7 2 年，康宁公司生产出4 d b k m 损耗的多模光纤。 1 9 7 3 年，美国贝尔( b e l l ) 实验室生产的光纤损耗降为2 5 d b k m ，一年后 进一步降为1 1 d b k m 。 1 9 7 6 年，日本n t t 公司把光纤损耗值降低到0 4 7 d b k m 。 到了八十年代初，单模光纤在1 5 5 0 r i m 波段的传输损耗已降低到0 2 d b k m ， 已接近石英光纤的理论损耗极限。 光纤传输损耗的不断降低，使得其在通信领域的应用越来越广，反过来又 吸引了更多的科研力量投入，进一步提升了光纤的性能，也促进了光纤器件产 业的蓬勃发展。 按照能量提供的方式，光纤器件分为光纤有源器件和光纤无源器件。前者 常见的有光纤激光器和光纤放大器，以及近来发展迅速的光纤超荧光光源。后 者是一种能量消耗型器件，常见的有光纤光栅、光纤定向耦合器、光纤光分 合路连接器、光纤隔离器、光纤偏振器、光纤滤波器、光纤调制器和波分复用 解复用器等，它们都是利用了光纤的某些特性通过不同工艺发展起来的。光纤 无源器件的主要功能是对光信号进行处理：包括连接、分合、转换、有目的衰 减等，它们是在光纤通信系统和光纤传感系统中不可或缺的重要组成部分。 第二节通信领域应用的光纤有源器件 光纤通信、移动通信和卫星通信并称为当今三大通信技术。光纤通信的发 展历史不长，是一种自2 0 世纪7 0 年代发展起来的通信新技术。它采用更高频 率的光波作为信息载体，通过光导纤维作为传输媒介，以其巨大的可用带宽和 极低的传输损耗，取代了铜缆成为有线通信的主要传输方式。 在短短的三十多年里，光纤通信经过了三代技术更替。2 0 世纪7 0 年代， 在降低光纤损耗方面取得突破后，第一代光纤通信系统使用渐变多模光纤，载 波信号光波长一般为8 5 0 n m 短波长，光源采用发光二极管( l e d ) ，传输速率 约为4 0 m b s 。由于光纤损耗的制约，无中继传输距离只有1 0 多公里。 2 0 世纪8 0 年代，第二代光纤通信系统开始使用单模光纤作为主要传输介 质，工作波长已由短波长扩展到1 3 6 0 n m 和1 5 5 0 n m 的长波长，采用多模半导体 激光器作为光源。传输速率提高到5 0 0 m b s 以上，由于光纤损耗进一步降低接 近石英本征损耗极限，无中继传输距离增加到1 5 0 公里。 2 第一章绪论 2 0 世纪末期，光纤通信开始进入全新的发展阶段，第三代光纤通信系统应 用1 5 5 0 n m 波段的单模光纤和单频d f b 激光器，单信道传输速率可达到1 0 g b s 以上，色散补偿技术使得无中继距离已达到数百公里。 近十年来，光纤通信已朝着以密集波分复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 为基础的全光网络通信方向发展。全光网络通信技术的 发展，对光纤器件提出了更高的要求。光纤通信系统中，除了大量应用光纤定 向耦合器、光纤光分合路连接器、光纤隔离器、光纤偏振器、光纤滤波器、光 纤调制器和波分复用解复用器等光纤无源器件作为对光信号的处理外，光纤有 源器件也起到越来越重要的作用。 下面就光纤放大器和光纤超荧光光源作简单描述，而光纤激光器在第三节介 绍。 1 2 1 光纤放大器 由于光纤的损耗或色散，所搭载的信号传输某一距离后都会发生一定程度 的衰减，因此在光纤通信特别是长途干线光纤通信应用中，为保证通信信号的 质量，在信号每传输某一特定距离有必要加入一个再生中继器对信号进行再生 放大。早期的中继器普遍基于光一电一光转换的形式，一方面误码率比较大， 限制了通信容量的提高，另一方面成本也较高。 长时间来，研究者寻求以光光放大方式的全光传输型光放大器来代替光一 电一光转换方式的传统中继器。光放大器直接对光信号放大，具有高度的透明 性，使得整个通信系统更加灵活、可靠。随着技术的发展，已有多种类型的光 放大器开发出来：半导体光放大器、非线性光纤放大器( 光纤拉曼放大器和光 纤布里渊放大器) 和稀土掺杂光纤放大器。 半导体光放大器( s o a ，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 是基于激光半导 体介质固有的受激辐射光放大机制，它的基本结构、原理和特性与半导体激光 器非常相似，所不同的是s o a 工作在靠近阈值但在阈值以下偏置，去掉了构成 激光振荡的谐振腔，由电流直接激励驱动的。s o a 的缺点是与光纤耦合困难， 耦合损耗大且对信号光的偏振特性比较敏感，此外它的工作原理限制了其增益 不会很高，因此在现代光通信系统中s o a 作为纯粹功率放大应用较少，更多地 是被用作高速光通信网中光开关、光复用解复用器等光信号处理模块。 3 第一章绪论 非线性光纤放大器，主要有光纤拉曼放大器( f r a ，f i b e rr a m a na m p l i f i e r ) 和光纤布里渊放大器( f b a ，f i b e rb r i l l o u r i na m p l i f i e r ) 两种。前者基于石英光 纤在特定波长的强光抽运下产生的受激拉曼散射效应原理，具有较高增益、大 带宽和低噪声等优点，但缺点也较为明显：抽运效率低，对抽运光和信号光偏 振态敏感增加了系统的不稳定性。后者则是基于受激布里渊散射效应，增益带 宽比较小，一般只能应用于多信道系统中作为信道选择器，对特定信道进行选 择性放大。， 稀土掺杂光纤放大器，利用掺杂在纤芯中的稀土金属离子的上下能级辐射 跃迁发光实现对微弱信号的光放大。目前主要有工作在1 3 6 0 n m 波段的掺错光 纤放大器( p d f a ，p r a s e o d y m i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 和工作在15 5 0 n t o 的掺 铒光纤放大器( e d f a ，e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) ，其中e d f a 具有增益高、 带宽大、抽运效率高、对信号光偏振态不敏感和插入损耗低等特点，是当今光 纤通信系统中应用最广、性能最优、技术最成熟的放大器【3 】。 e d f a 的工作原理如下：光纤纤芯中掺杂的三价铒离子有三个与放大相关 的电子能态基态4 1 1 5 2 ，亚稳态4 1 1 3 2 和第一激发态4 i l l 2 。当处于基态的e ， 受到抽运光( 主要是9 8 0 n m 波段) 的作用获得能量跃迁到第一激发态，处于第 一激发态的e r 3 + 很不稳定，将快速通过无辐射跃迁过程落到与第一激发态临近 的亚稳态，亚稳态的能级寿命较长( 1 0 m s 量级) ，随着时间推移处于亚稳态的 e r 离子数目将多于处于基态的离子数，形成了粒子数反转状态，这时如果输入 的信号光光子能量正好处于亚稳态与基态两能级的能量差范围，亚稳态上的离 子将通过受激辐射跃迁回到基态，并辐射出许多与入射光子相同的全同光子， 实现弱小信号光的光放大。 e d f a 出现于上世纪八十年代中期。1 9 8 5 年，英国南安普顿大学的d p a y n e 小组成功研究出实用的掺铒光纤 4 1 ，由于其工作波长1 5 5 0 n m 正好是光通信的低 损耗窗口之一，马上吸引了国际上众多研究组的注意。1 9 8 7 年，美国a t & tb e l l 实验室以氩离子激光器作e d f a 抽运源实现了的2 0 d b 以上的增益【5 j 。两年后， 日本n t t 公司首次成功应用波长为1 4 8 肛m 的i n g a a s p 半导体激光器作为e d f a 的抽运源【6 】。到1 9 9 4 年，e d f a 在光纤通信系统中基本实现实用化。e d f a 是 光纤通信发展史上具有里程碑意义的一项关键器件，它和d w d m 技术的结合 是未来全光通信网最有前景的发展方向之一。 4 第一章绪论 1 2 2 光纤超荧光光源 光纤超荧光光源( s f s ，s u p e r f l u o r e s e c e n tf i b e rs o b r c c s ) 最早出现在1 9 8 7 年，紧随着低损耗稀土掺杂光纤的研究成功，k l i u 等人应用8 1 0 n m 的染料激 光器对钕离子掺杂光纤进行端面抽运，获得了10 6 0 h m 波段lo m w 的输出【_ 7 1 。 与光纤激光器类似，s f s 也是基于稀土掺杂离子的受激辐射放大，但不同之处 在于它没有采用光学谐振腔结构，而是单纯以超荧光发射或放大的自发辐射 ( a s e ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 作为输出。由于没有经过光学谐振腔 的模式选择，s f s 的输出谱线涵盖了离子辐射跃迁的部分线宽，其线宽对于某 些实际应用而言已相当可观。 其中，掺e ，超荧光光纤光源( e d s f s ) 具有输出功率高、光谱稳定性好、 受环境影响小、荧光谱线宽、使用寿命长和易与光纤耦合等优点，是最有潜力 的新一代宽带光源。目前，e d s f s 主要应用在光纤陀螺和光纤传感领域【8 】【9 】， 同时，随着技术的成熟，它也正在被尝试应用在密集波分复用光通信中去，主 要是用于对光源要求不很高的低成本本地接入网中。 第三节短腔稀土掺杂光纤激光器 1 3 1 稀土掺杂光纤激光器概述 利用离子不同电子能态间的辐射跃迁发射，许多稀土离子如钕、铒、镱等 都可以用于掺杂在光纤纤芯，加上适当的谐振反馈机制，实现激光运转。第一 台光纤激光器的出现只比世界上第一台激光器红宝石激光器晚一年，早在 1 9 6 1 年，e s n i t z e r 使用芯径为3 0 0 p m 的掺钕光纤研制出了第一台稀土掺杂光 纤激光器【lo 】。在低损耗光纤研究出来后不久，便被用来制作第一台激光二极管 抽运的光纤激光器。随后由于半导体激光器的飞速发展，吸引了研究者的注意 力而光纤激光器的发展比较缓慢。直到2 0 世纪8 0 年代中期，英国南安普敦大 学用化学气相沉积法( m c v d ) 成功制备出低损耗的掺铒光纤后，先后报道光 纤激光器的调q 、锁模、单纵模输出等【l l 】，稀土掺杂光纤激光器再次引起研究 者对这一研究领域的兴趣并成为研究热点，并取得了长足进步。 早期的掺杂光纤激光器主要侧重于掺钕和掺铒的增益光纤作为工作物质， 5 第一章绪论 也有利用其它稀土离子如铥、镱等的。常见的光纤掺杂基质材料有石英晶体、 硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃等。掺杂浓度从几百p p m ( p a r tp e r m i l l i o n , l p p m = 1 0 6 ) 到几千p p m 。稀土元素掺杂方式有单掺某一种元素的，也有共掺两 种或多种元素的。光纤激光器常见的谐振腔结构有短直腔、环形腔，还有复合 腔如f o x s m i t h 腔、“8 字型腔等。 作为固体激光器的一种，稀土掺杂光纤激光器也像其它常见激光器一样除 了工作物质、谐振腔外，还需要有抽运源这一基本要素。光抽运是稀土掺杂光 纤激光器的最常用抽运方式。抽运光源波长的选择，要根据与输出激光波长与 所掺稀土元素的辐射吸收及发射特性匹配为原则，例如对于输出波长为1 5 4 1 m a 的掺铒光纤激光器常见抽运光源为9 8 0 n m 、8 0 0 r i m 、1 4 8 0 r i m 的半导体激光器和 5 3 2 n m 的y a g 倍频激光器。 1 3 2 短腔铒镱共掺光纤激光器 自从掺铒光纤激光器( e d f l s ) 0 2 和铒镱共掺光纤激光器( e y f d l s ) 【1 3 】【1 4 】 被报导以来，对这类光纤激光器的研究和应用方兴未艾。其中，e r 3 + 胁 共掺 的光纤激光器( e d y f l ) ，由于在9 8 0 r i m 这个不引起激发态吸收【1 5 】的抽运光波 段作用下，y b 3 + 的吸收截面比e r 3 + 的大一个数量级 1 6 1 ，而且y b 3 + e ? + 离子间能 量传递效率相当高【l7 1 ，因而其效率比e d f l 更高 1 8 】。其工作原理是：用9 8 0 n m 半导体激光器( l d ) 作为抽运光入射到e r 3 7 n 3 + 共掺光纤中，因为y b ”较e r 3 + 对9 8 0 r i m 泵浦光具有更大的吸收截面，且掺杂浓度高，所以大部分抽运光被 y b 3 + 吸收，并将y b 3 + 从基态2 f 7 2 泵浦到激发态2 f 5 陀。通过交叉驰豫，) 3 + 将能 量传递给e ，使e r 3 + 从4 1 1 5 2 能级泵浦到4 i l l 2 能级，再通过无辐射弛豫作用， 跃迁到4 1 1 3 2 能级。因为4 1 1 3 2 能级具有较大的能级寿命，因此容易实现e r 3 + 的4 1 1 3 2 能级与4 1 1 5 ，2 能级间的离子数反转分布。 高功率和窄线宽是目前稀土掺杂光纤激光器的两个主要发展方向。近年来， e y d f l 的连续运转功率己迅速由1 0 w 量级1 9 】【2 0 】，提高到了2 9 7 w 2 1 1 。较高的 输出功率和较小的热损伤风险，使得e y d f l 在远程传感、l i d a r 、医疗、材 料处理和工业机械处理方面有望得到更大的应用 2 2 】。 窄线宽掺铒光纤激光器凭借着优良的波长相干性，在相干光通信、w d m 多路复用中有着很大的应用潜力。使用线形腔结构是压窄线宽的途径之一。通 6 第一章绪论 过采用短直腔结构，减小谐振腔的长度，增大纵模模间间隔，可以限制增益谱 中形成谐振的纵模数目，获得较窄的输出线宽。 在d w d m 技术中，要求提高通信码率和充分利用1 5 9 m 波段带宽，因而 开发窄线宽、性能优良的激光光源是一个非常有意义的课题。现在光纤通信系 统中常用的是半导体激光器作为发射机光源，然而工作过程中随着半导体有源 区内自由载流子的浓度变动容易产生啁啾效应，给系统工作带来不稳定性。 光纤通信中对光源的要求有：光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗窗口 之内，有足够高的、稳定的输出光功率，以满足系统对光中继段距离的要求； 电光转换效率高，驱动功率低，寿命长，可靠性高；单色性和方向性好，以减 少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率；易于调制，响应速度快，以 利于高速率、大容量数字信号的传输：强度噪声要小，以提高模拟调制系统的 信噪比；光强对驱动电流的线性要好，以保证有足够多的模拟调制信道。 e ，+ 肿3 + 共掺光纤激光器具有阈值低、线宽窄、结构紧凑、可与光纤网络 直接耦合等优点，而且温度性能稳定、不存在啁啾效应，在那些对波长选择要 求严格、波长稳定性高的应用( 如d w d m 系统) 中成为半导体激光器的强力 竞争对手。有人预言，在目前硅基光纤网络和未来的中红外光纤系统中， e r 3 + 厂y r b ”共掺光纤激光器将是未来长距离大容量高速光纤通信系统理想的发射 机光源 2 3 1 。 然而，即使是利用了e r 3 n ”共掺提高了抽运效率，由于传统硅基光纤掺 杂浓度限制了单位长度增益，要获得几百毫瓦或以上功率输出其增益光纤长度 仍然要l m 以上【2 0 】【2 4 1 。为了突破单位长度增益瓶颈，人们在光纤材料的选择方 面进行了大量的研列2 5 】【2 6 】 2 7 】 2 8 1 ，最终发现e r 3 + 厂y b 3 + 共掺的磷酸盐玻璃材料是目 前为止单位增益最高的一种光纤材料【2 9 1 。此外，缩短e y d f l 中增益光纤的长 度，还有利于抑制伴随着高功率运转而容易产生的非线性效应。 近年来，高增益e r 3 n 3 + 共掺玻璃光纤激光器这个课题已经引起国内外较 多研究者的关注。美国a r i z o n a 大学的n p e y g h a m b a r i a n 小组是较早开展这方 面研究的小组之一。他们于2 0 0 3 年底利用单位长度增益达5 d b e m 的e r 3 n ” 共掺磷酸盐玻璃光纤，获得了超过2 0 0 m w 的1 5 5 0 n m 激光输出【3 0 j ；2 0 0 4 年1 0 月，他们报道了利用掺杂浓度为1 w t e r 2 0 3 、2 w t y b 2 0 3 的ll e n a 光纤实现1 5 w 的1 5 3 5 n m 激光输出，激光线宽小于1 2 n m 3 l 】；同年1 2 月，报道了基于两根长 度约7 e m 、纤芯掺杂浓度同为e ，：1 1 1 0 2 6i o n s m 3 、y b ”：8 6 x 1 0 2 6i o n s m 3 7 第一章绪论 的单模和多模光纤，分别获得4 w 和9 3 w 的1 5 3 5 n m 激光输出【3 2 1 ；2 0 0 6 年， 他们利用微结构光纤( m i c r o s t r u c t u r e do p t i c a lf i b e r , m o f ) 扩展了传统单模光 纤纤芯截面积在光传导上的限制，依靠长度仅为3 5 c m 的铒镱共掺光纤( e ，： 1 5 w t ，y b 计：8 w t ) ，在2 1 w 的9 7 5 n m l d 抽运下获得了4 7 w 的1 5 3 5 n m 激光输出，激光线宽约为2 n m 】。 在国内，吉林大学的王天枢和郭玉彬等人2 0 0 4 年报道了利用1 3 c m 的 e r 3 - m 3 + 光纤，获得了最大功率为1i m w 的1 5 5 2 2 n m 激光输出【蚓；安徽大学 的俞本立等，利用一段4 c r n 的e r 3 + 肿3 + 共掺光纤，获得了最大功率为3 m w 的 1 5 4 6 7 5 n m 激光输出【35 。此外，华南理工大学曾在网络报道过利用一段1 s c m 的e r 3 7 n ”共掺光纤，获得了3 8 d b 的净增益，单位长度增益为2 5 d b c m 。 本文的研究目标，是基于高浓度铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，通过光谱方法 对离子能级结构进行分析，并利用速率方程和功率传输方程进行的数值模拟作 为理论指导，设计合理可行的实验以获得结构紧凑、较大功率同时具有较窄线 宽输出的1 5 4 1 m a 光纤激光器 第四节本文主要研究内容 本文首先对有关光纤器件的背景知识进行介绍，并对e d f l 的研究进行综 述。然后，将就掺铒铒镱共掺磷酸盐玻璃的光谱性质进行阐述，主要通过光谱 测量和数据拟合等方法，如通过测量到的发射光谱、吸收光谱等分析材料中稀 土离子的跃迁过程，判断材料的光学特性，对掺铒或铒镱共掺光学材料的发光 及激光特性进行研究和讨论。特别地，铒离子4 1 1 3 ，2 能级的荧光寿命是一个重要 光谱参数，它随浓度、激发功率和工作温度的改变而变化。我们利用荧光光谱 仪，建立起一套荧光屏寿命测量装置，测量了9 7 5 n m l d 激发下铒镱共掺磷酸盐 玻璃1 5 4 岬荧光寿命，研究了e r 3 + 离子4 1 1 3 2 能级寿命随掺杂浓度、抽运功率 和工作温度的变化及其影响机理。 短腔铒镱共掺光纤激光器的研究是本文的重点，首先从铒镱共掺体系的六 能级速率方程出发，通过功率传输方程建立起数学计算模型，对短腔铒镱共掺 光纤激光器的连续运转进行数值模拟，分析后腔镜反射率、光纤长度和铒镱离 子浓度对光纤激光器输出功率的影响。然后，介绍我们使用1 0 4 c m 和8 4 c m 的 高浓度铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤制作的短直腔结构光纤激光器，测量了其输出 8 第一章绪论 光功率，把数值模拟结果以及实验结果进行了比较；并利用光谱分析仪对激光 输出线形进行观测。介绍了用1 5 c m 的高浓度光纤实验时观察到的超荧光发射 现象。 最后对本文研究作了小结以及前景展望，并就下一步实验提出改进方案。 9 第二章铒镱共掺磷酸盐玻璃的光谱研究 第二章铒镱共掺磷酸盐玻璃的光谱研究 稀土元素( r a r e - e a r t h ) 是指元素周期表中镧系元素加上同属i i i b 族的钪s c 和钇y ，共计1 7 种元素。其中，镧系元素包括原子序数从5 7 7 1 号的1 5 种元 素：镧l a 、铈c e 、镨p r 、钕n d 、钷p m 、钐s m 、铕e u 、钆g d 、铽t b 、镝 d y 、钬h o 、铒e r 、铥t m 、镱y b 和镥l u 。稀土元素的电子层构型具有外层电 子结构相同，而内层铲电子能级相近的特点，含稀土的化合物表现出许多独特 的化学：物理性质，作为高技术新材料而在光、电、磁领域得到广泛应用。 稀土功能材料的发展中，稀土化合物发光材料格外引人瞩目。稀土元素的 原子具有未充满的受外界屏蔽的4 f s d 电子组态，具有一般元素所无法比拟的光 谱性质，丰富的电子能级和长寿命激发态，提供了多达2 0 多万个的能级跃迁【3 6 】， 从而产生了各种各样的辐射吸收和发射，这是形成丰富多彩的稀土发光及激光 材料的物理基础。稀土发光材料的特点是：发光谱带窄，色纯度高，转换效率 高，发射波长多分布、范围广，荧光寿命跨越6 个数量级( 1 0 - 9 s 1 0 刁s ) ，耐高 温、耐辐射，物理化学性能稳定。 稀土掺杂材料本身的发光和激光特性对其制成的光纤有源器件有着决定性 的影响。稀土离子的发光谱线直接影响着光纤激光器的激光输出中心波长、光 纤放大器的带宽和超荧光光纤光源的输出线宽等。光谱方法是分析材料发光及 激光性能的重要手段，可以帮助我们选择合适的光纤纤芯材料和有源器件所需 的合理结构和抽运光源。 第一节电子能态 能量转换是发光的实质。稀土元素特殊的电子层结构，具有独特的能量转 换机制。镧系元素基态原子的电子层结构有两种： x e 4 y - 1 5 d 1 铲和 x e a y 。1 5 d 6 s 2 ，最外层5 d 、白电子构型类似，发生化学反应时容易在5 d 、白 和4 厂亚层失去3 个电子成为+ 3 价离子。未充满的钞电子层有许多不同的排布 方式，这些不同的排布方式对应着不同的能态，够轨道上的电子运动状态和能 级特征决定了稀土离子的发光性质。钞电子在不同能态之间的跃迁，产生丰富 的吸收和荧光辐射光谱。 1 0 第二章铒镱共掺磷酸盐玻璃的光谱研究 掺杂离子的基态光谱项酣1 l j 是我们描述和了解电子能态和发光特性的桥 梁。通过角量子数1 、磁量子数i l l 以及它们之间的不同组合，光谱项表征了不 同电子排布对应的能级关系。其中，总轨道量子数l = m ，是原子或离子的总 磁量子数最大值； s = e m 。，是总自旋量子数在z 轴磁场方向分量的最大值； j = l s ，是轨道和自旋角动量总和的大小，对于4 厂电子数大于7 的8 个镧系元 素j = l + s ，对于4 厂电子数小于7 的7 个镧系元素l = l s 。光谱项中，l 的数值 从0 到8 分别由s 、p 、d 、f 、g 、h 、i 、k 、l 表示。2 s + 1 的数值表征光谱项 的多重性，2 刚l 称为光谱项，而对1 l j 称为光谱支项，j 的取值范围是：l + s 、 l + s 1 、l + s 2 、l s ，不同取值构成了不同的光谱支项，对应着不同的能 态。 对于e ，离子，有1 1 个可电子，8 个自旋相反、3 个自旋平行的未成对电 子，把所有电子的磁量子数相加，得l ；l n 2 木3 + 2 木2 + 2 幸1 + 2 木0 1 2 3 = 6 ，把所 有电子的自旋量子数相加，得s = e m s = 3 * 1 2 = 3 2 ，2 s + 1 = 4 ；j = l + s = 1 5 2 ，故e ， 的基态光谱项是4 1 1 5 陀，共有4 个光谱支项，按照能态由低到高依次是：4 1 1 5 2 、 4 1 1 3 尼、4 i ll 忍、和4 i 蛇。 对于y b ”离子，有1 3 个妒电子，1 2 个自旋相反，一个未成对电子，计算 得l = 3 ，s = 1 2 ，j = 7 2 ，故基态光谱项是2 f 7 ，2 ，两个光谱支项：2 f 7 陀和2 f 5 陀。 第二节铒镱共掺材料的发光特性 正如前一节介绍，铒离子有着十分丰富的能级，发光也颇为复杂。我们制 作的铒镱共掺光纤激光器，输出为1 5 4 1 m a 波段，因此我们主要考察的是铒镱共 掺材料跟1 5 4 i t m 密切相关的发光和激光特性。 2 2 1 吸收光谱 利用吸收分光光度计，我们测量了多个铒镱共掺样品的吸收谱，图2 1 为 三个不同浓度e r 3 - m 3 + 共掺磷酸盐玻璃的吸收光谱，三个样品为：l 1 ( e r 2 0 3 ： 0 1 3 叭) ，l 2 ( e r 2 0 3 ：1 0 0 w t ) ，l 3 ( e r 2 0 3 ：4 0 0 w t ) ，y b 2 0 3 浓度约为1 5 w t 。 可以看出在8 9 0 - - - 1 0 4 0n l n 波段有一个宽而强的吸收带，其9 7 5n l t i 附近的光吸 收最强。此外，可以看