（物理电子学专业论文）双包层光纤激光器的研究.pdf

摘要 早在1 963 年就有人提出了光纤激光器，但是在早期的光纤激光器 中，泵浦功率很低，因此光纤激光器的输出功率很低。 近年来，双包层光纤激光器成为激光技术领域的一个研究热点。它 具有结构简单紧凑、输出功率高、稳定可靠、光电转换效率高、光束质 量好等优点。在工业加工、激光焊接、医疗军事等领域有很好的应用前 景。本论文介绍了双包层光纤，对双包层光纤激光器的工作原理进行了 论述，分析了它的关键技术及其实现方法。通过理论分析得出了周偏芯 型双包层光纤可以进一步提高泵浦功率的结论。并提出了一种新型的泵 浦光耦合技术：微型棱镜技术。 关键词：双包层光纤、双包层泵浦、微型棱镜、光纤光栅 a 辩s t 歉轰c t i n1 9 6 3 ，s o m e o n ep u tf o r w a r dt h ec o n c e p to ff i b e rl a s e r b u t 越t h a t t i m e ，t h eb u m pp o w e r i s v e r yl o w , s o i s t h e o u t p u tp o w e r i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo nd o u b l e - c l a df i b e rl a s e rh a sb e c a m ea f o c u s 。t h ed o u b l e w c l a df i b e rl a s e rh a st h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e a n dh i g hr e l i a b i l i t y , h i g ho u t p u tp o w e r , h i 酶c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , h i 酞 b e a m q u a l i t y i th a s p r o m i s i n gp r o s p e c t i nm a t e r i a l p r o c e s s i n g ，l a s e r w e l d i n g , m e d i c i n e t r e a t m e n ta n d m 雏i t a r y i nt h i sp a p e r , t h ed o u b l e - c l a df i b e r , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fd o u b l e c l a df i b e rl a s e r a l ei n t r o d u c e d ，f r o mt h et h e o r e t i ca n a l y s e s ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a t t h ep u m p p o w e r c a l lb e h e i g h t e nb ya d o p t i n gt h ee c c e n t r i cc o r ed o u b l e - e l a d f i b e r ，a n dw e p u t f o r w a r dan e w c o u p l i n glt e c h n o l o g y ： m i c m p r i s mt e c h n o l o g y k e y w 。斑s ：d o u b l e - c l a df i b e r 、d o u b l e - d a d p u m p i n g u m i c r o p r i s m 、f i b e rg r a t i n g 1 1 引言 第一章绪论 自从19 6 0 年第一台红宝石激光器问世以来，激光器的发展非常迅 速且种类繁多。按照激光工作介质的不同对激光器进行分类，分为固体 激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、光纤激光器、化学 激光器及自由电子激光器等。早在19 6 3 年就有人提出了光纤激光器， 但是在早期的光纤激光器中，工作物质为单模单包层光纤，泵浦光直接 耦舍入纤芯中，而光纤的芯径很小，这就要求泵浦光为单模。单模的半 导体激光器输出功率只有几百毫瓦，而且受泵浦面积的限制，大功率泵 浦光无法耦舍，从而严重影响了光纤激光器的输出功率。面对这种情况， 近年来国际上发展了一种新型的双包层光纤。利用包层泵浦技术，克服 了上述单包层光纤的缺点，使得输出功率提高了3 到4 个数量级，大大 推动了高功率光纤激光器的发展。双包层光纤与传统意义的光纤的区别 在于：通过光纤结构设计和选择合适的材料，在掺稀土离子的单模纤芯 外面构成了一个可以传输多模抽运光的通道一内包层。采用包层泵浦技 术，制成双包层光纤激光器。 本文从激光的产生机理入手，介绍了光纤激光器，然后进入了本文 的主要部分：双包层光纤激光器的研究。在这一部分中，首先介绍了双 包层光纤、双包层泵浦、分析了光纤中的光波波动情况，即模式；然后 介绍了双包层光纤激光器的泵浦光耦合技术和谐振腔的制备技术；最后 对掺r 6 “双包层光纤激光器进行了理论分析。 1 2 国内外发展状况 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光 纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1 98 8 年e s n i t z e r 首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光 纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。 包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂光纤。一个纤 芯和传统的单模光纤纤芯相似，专用于传输信号光，并实现对信号光的 单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光。这样，使用 多个多模激光二极管同时耦舍至双包层光纤上，当泵浦光每次横穿过单 模光纤纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过 跃迁产生自发辐射光，通过在光纤内设置的光纤光栅的选频作用，特定 波长的自发辐射光可被振荡放大，最后产生激光输出。目前，该技术被 称为多模并行包层泵浦技术( c l a d d i n gp u m p e dt e c h n o l o g y ) 。 法国k e o p s y s 公司在包层泵浦技术上形成了一相专利技术，称为 “v - g r o o v et e c h n 0 1 0 9 e ”。在本文后面的部分将做详细的介绍。 美国i p g 公司掺y 6 ”双包层高功率光纤激光器的输出功率水平已超 过7 0 0 w 。加州圣何塞光谱二极管实验室的双包层光纤激光器其连续输 出功率犬于1 1 0 w ，光一光转换效率达5 8 3 。其主要参数为：发射波长 1 12o n m ，最大输出功率1 1 o w ，光束质量( m 2 ) 1 1 1 7 ；双包层光纤： l7 0 9 m x 3 3 0 u m 矩形内包层，单模纤芯直径9 2 岫。 上海光机所承担的上海光科技项目“双包层光纤激光器”的光纤激 光最高功率已这2 0 6 w 。在王之江院士和楼祺洪研究员主持下，经过一 年多的努力工作，该项目超额完成了原定于2 0 0 4 年要求达到5 一io w 激 光功率输出的指标，并申请了六项发明专利。同时，在2 0 0 2 年下半年 又获得了中科院知识创新工程重要方向性项目的支持。2 0 0 3 年2 月28 日，由上海测试技术研究所袁海林高工组成的测试小组对该项目进行了 验收测试。该实验组在原4 9 w 双包层光纤激光器研究的基础上，通过 研究泵浦源半导体激光器( l d ) 的光谱特性对光纤激光输出特性的影响， 改用中心波长约在9 75 n m 的l d 替代原9 1 5 n m 的l d 。通过不同泵浦输出 对耦合吸收效率影响的研究，改用准直输出的l d 替代光纤耦合输出的 l d ，并重新设计了较大孔径的光学耦舍透镜组，获得了2 0 6 w 的光纤激 光功率输出。所用泵浦源为准直输出的大功率l d 模块，其输出约为 1 l m m x l l m m 的方形准直光束，中心波长约在9 7 0 n t o 。双包层光纤为矩形 内包层的掺y 6 “石英光纤，内包层数值孔径为0 4 7 ，掺功“纤芯直径约 9 9 m ，数值孔径约为0 1 。采用直接端面泵浦的方式泵浦双包层光纤， 通过特殊设计的光学耦合透镜组，将接近准直输出的泵浦光聚焦成小于 光纤内包层的光斑，直接耦合入双包层光纤。光纤的泵浦端面有一双色 片作为前腔镜。采用上述的实验装置，半导体激光器驱动电流为6 3 a 时观察到光纤激光器有激光输出，增大驱动电流，激光输出功率随之增 大，当电流为4 2 a 时，得到了2 0 6 w 的激光输出，光一光转换效率约为 5 5 。采用光谱分析仪测量了光纤激光的输出光谱特性，中心波长在 1 1 1 l n m ，光谱带宽为1 8 n r n 。采用光束质量分析仪，测得输出激光为接 近衍射极限的基横模，光束质量因子m 2 小于t 1 。上海光机所研制成 功的2 0 w 双包层光纤激光器结构紧凑，使用灵活方便，可望在光纤通讯、 激光雕刻、激光打标以及激光检测和测量等领域获得广泛应用。 1 3 研究内容和意义 因为双包层光纤激光器产生激光的基本原理与常规激光器是基本 一致的。所以本文先分析了激光产生的物理基础。由爱固斯坦提出的受 激辐射和自发辐射入手，分析了当受激辐射起主要作用时产生激光的三 个前提条件。接着本文对激光器进行了简单的介绍，并对激光的方向性、 发散性、高亮度性、空间相干性及时间相干性进行了论述。 双包层光纤激光器是在光纤激光器的发展过程中，为了解决光纤 激光器的光纤芯径较小和输出功率低的缺点而发展的一种新型光纤激 光器。所以本文接下来分析了光纤激光器的基本结构及其工作原理，然 后总结了光纤激光器的优点并列举了各种不同的光纤激光器。 然后，进入本文的主要部分：双包层光纤激光器的研究。 双包层光纤激光器与以前的光纤激光器相比，其工作物质由单包 层光纤变成了双包层光纤，利用双包层泵浦的技术，克服了单包层光纤 的缺点，大大增加了泵浦光的入纤耦合功率，从而使双包层光纤激光器 的输出功率猛增了3 4 个数量级，所以我们必须了解双包层光纤。第 四章详细介绍了双包层光纤的结构，并对其进行分类，还以掺功“的双 包层光纤为例说明了如何设计双包层光纤，并简单介绍了制造的工艺过 程：把常规的双包层光纤与偏芯的双包层光纤进行比较，得出了采用偏 芯的结构的双包层光纤能够提高吸收效率的结论；分析了光纤中光波的 波动情况，即模式情况。 采用双包层光纤作为工作物质，抽运光可以由大功率激光二极管 单管或列阵提供，因此，如何将激光二板管抽运光低损耗的耦合进入双 包层光纤，便成了双包层光纤激光器最重要的技术之一。将抽运光由激 光二极管注入到双包层光纤有两层含义：一是将抽运光高效地注入内包 层；二是抽运光可以高效地在纤芯中引起激发。抽运光在内包层中传输 并逐渐的被纤芯吸收，内包层的数值孔径n a 一般比较大，以便与抽运 光耦合。目前，将抽运光耦合进入双包层光纤的主要技术有：1 端面耦 合技术；2 侧面v 型槽技术；3 树叉型光纤技术；4 微型棱镜技术。第 五章将依次介绍这四项技术，主要分析微型棱镜技术。接着将介绍双包 层光纤激光器的谐振腔的置备技术。目前，双包层光纤激光器的谐振腔 的制备技术主要有两种。一种是采用将二色镜放置在双包层光纤的端面 来构成谐振腔，这是目前使用比较广泛的一种方法。另一种是用在光纤 上写光栅的方法来制备谐振腔。这种方法与前一种相比在结构和性能上 都有很大的提高，但是就其工艺加工而言，复杂性与难度也大大提高。 最后以掺跆n 双包层光纤激光器为倒，从掺功“光纤的光谱特性入手， 分析掺y 6 n 光纤的优越性，进而借助速率方程模型，对9 7 5 n m 激光泵浦 掺功“双包层光纤激光器进行了数值模拟，主要分析了泵浦光及激光在 光纤中的分布、输出功率与泵浦功率的关系、光纤长度及腔镜反射率对 输出激光功率的影响。 第二章激光的产生 本章我们来介绍激光的产生。众所周知，爱因斯坦在以光量子理 论的基础上推导黑体辐射的能量密度公式时，引入了两个极为重要的概 念：受激辐射和自发辐射。 丘1 _ 一n e | e ine 1 自发辐射 e e o 一巳 ， 、 射光h 1 = e t e l 受激跃迁 图2 - i 受激辐射和自发辐射 当受激辐射起主要作用时就产生了激光。要达到这个目的，必须 具备3 个前提条件： 有提供放大作用的增益介质作为激光的工作物质，其激活粒子 ( 这里是指原子、分子或离子) 要具备适合于产生受激辐射的能级结构： 有外界的激励源，使激光上下能级之间产生粒子数反转；有激光谐 振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。 总的来说：粒子数反转和光学谐振腔是产生激光的两个基本的条 件，由激励源的激发在工作物质的能级问实现粒子数反转是形成激光的 内在依据，光学谐振腔则是形成激光的外部条件。前者是起决定性作用 的，但是在一定的条件下，后者对激光的形成和激光束的特性也起强烈 的影响。 2 1 粒子数反转和光的隧激辐射放大 2 1 1 粒子数反转 现在考虑两个表示原子分别处在高能级和低能级的两能级系统。假 知一令能量等于这蜀令能级秘巍量薰戆竞子趋适于这夔令愿子，即惑予 的频率与原予系统的两个能缎共振，那么是唆收还斑爱激辐射出现的可 能性火呢? 爱因斯煅证明，在正常的情况下，两种过程发生的可能性是 稳等昀。假如在高煞级争酶躁子数较多，羽使受激辐射占优势；若在低 能级中的原予数较多，则吸收将多于爱激辐射。 在物质处于热警衡状态，各能级上的蛾子数服从玻耳锻曼统计分 布，即： 翌：董2 1 ：竺! ：垒，一t k 7 n ig l e - e 1 5 79 1 令9 2 ；g 。可得 此式中，因为e ： e ，所以n ： n 。，这种情况称为粒子数反转分布。 粒予数正常分布 将平数反转分布 ( 曩= 图2 - 2 艇子数旋转分带 这就是说，只有处于非热平衡状态，才有可能产生粒子数反转分 竽 学 l | 蔓愧 布，如图2 2 所示，我们把原子从低能级e 1 激励到高能级e ：以使在某 两个能级之间实现粒子教反转的过程称为泵浦或抽运。泵浦的方法可以 是各种各样的，比较常用的方法有：光泵浦、放电泵浦、化学反应泵浦、 重粒子泵浦和离子辐射泵浦等。 2 1 2 光在增益介质中的放大 在外来能量的激发下，使激光工作物质中高能级e ：和低能级e ，之 间实现了粒子数反转分布，这样的工作物质为激活物质( 或激光介质、 增益介质) 。 有一束能量为s = h v ，= e ：一e ，的入射光子通过处于这种分布下 的激活物质，这时光的受激辐射过程将超过受激吸收过程，而使受激辐 射占主导地位。在这种情况下，光在激活物质内部将越走越强，使该激 光工作物质输出的光能量超过入射光的能量，这就是光的放大过程。其 实，这样的一段激活物质就是一个放大器。放大作用的大小通常用放大 ( 或增益) 系数g 来描述。如图2 - 3 所示： 离 图2 - 3 增益介质的光放大 设工作物质内部的距离为z - o 处的光强为i 。，距离为z 处的光强 为i ( z ) ，距离为z + d z 处的光强度为i ( z ) + di ( z ) 。 光强度的增加值di ( z ) 与距离的增加值d z 成正比，同时也与光强 度i ( z ) 成正比，即 d ( i ) = g ( z ) i ( z ) d z 式中的比例系数g ( z ) 称为增益系数。上式又可以写成 g ( z ) ：土堕堕 id ( z ) 所以，增益系数g ( z ) 相当于光沿着z 轴的方向传播时，在单位 的距离内所增加光强的百分比。其单位是( 厘米) 一。 为了简单起见，我们假定增益系数g ( z ) 不随光强i ( z ) 变化， 实际上只有当i 很小时，这个假定才能够近似成立，此时g ( z ) 为一 常数，记为g o ，称为小讯号增益系数。于是，d ( i ) = g ( z ) i ( z ) d z 为线性 微分方程，对此式做积分计算，可得： 0 i ( z ) = io e 6 2 这就是图2 - 3 所示的线性增益或小讯号的增益情况。当频率为 v = ( e ，一e ) h 的光在激光器工作物质内部传播时，其强度i ( z ) 将随着 距离z 的增加而指数增加，也即工作物质起了放大器的作用。显然，这 是因为在能级e ：和e ，间已实现了粒子数反转分布的缘故。 如果跃迁频率v 处在光频区，则这种光的受激辐射放大称为激光， 它的英丈名称为“l a s e r ”，这是“l i g h ta m p l i f i c a t i o nb y s t i m u l a t e de m iss i o no ft a d i a t i o n ”的缩写。当然“l as e r ”不 仅用于可见光，也同样适用于远红外、近红外、紫外甚至x 射线区，分 别称为红外激光、紫外激光、x 射线激光。 2 2 激光的振荡和阈值条件 在许多大功率装置中激光放大器广泛地被用作弱的激光束逐级放 大。在激光放大器中引入正反馈而产生振荡形成稳定的激光振荡器。这 种激光振荡器就是激光器。 2 2 1 激光的振荡 光强i 的增加是由于高能级原子向低能级受激跃迁的结果，亦即 光放大是以粒子数反转程度的减少而获得的，且光强i 越大则粒子数反 转程度减少的越多，所以粒子教反转程度随z 的增加而减少。于是增益 系数g 也随着z 的增加而减少，使增益系数随光强的增大而下降，这种 现象称为增益饱和。 光在增益介质放大器内传播放大时，总是存在着各种各样的光的 损耗，故我们引入损耗系数a ，a 定义为光通过单位长度介质后光强衰 减的百分数。可以表示为： a 一 甜l d z l z ) 同时考虑介质的增益和损耗，则有 d i ( z ) = g ( i ) - a i ( z ) d z 设初始有一微弱光i 。进入了无限长放大器，随着i 。的传播，其光 强i ( z ) 将按小信号放大规律： i ( z ) = i 。e x p ( g o - a ) z 】 增加，但是，随着i ( z ) 的增加，g ( i ) 将由于饱和效应而减小，因而i ( z ) 的增长将逐渐变慢。最后，当增益和损耗达到平衡( 即g ( i ) = a ) 时， i ( z ) 不再增加并达到一个稳定的极限值i 。如图2 - 4 所示。 g 6 a 0 图2 - 4 增益饱和与自激振荡 只要增益介质足够长，就能形成确定大小的光强i ，而i 。只与放 大器本身的参数有关，与初始光强i 。的大小无关。这就是光的自激振荡 概念。只要激光放大器的长度足够大，它就可能成为一个自激振荡器， 即实现稳态运转的激光振荡。 实际的激光振荡器是将具有一定长度的光学放大器放置在由两块 镀有高反射率的反射镜所构成的光学谐振腔内，这样，初始的光强i 。 就会在反射镜间往返传播，等效于增加激活介质的长度。由于在腔内总 存在频率在( 激活介质中心频率) 附近的微弱自发辐射光( 相当于初 始光强i o ) ，它经过多次受激辐射放大而有可能在轴向光波模上产生光 的自激振荡，这就是激光器。所以，一个激光器应包括光放大器和光谐 振腔两部分。 2 2 2 闽值条件 在激光器中，必须使光在增益介质中来回一次所产生的增益，足以 补偿光在介质中来回传播中光的各种损耗( 从部分反射镜输出的激光也 称为一种损耗) ，这样才形成激光。 下面讨论激光器的起振条件。所谓起振条件就是指激光器实现振荡 所需要的最低条件，又称为阈值条件。下面介绍激光器产生激光振荡的 闽值条件。 图2 - 5 阈值条件的形成 设增益介质的长度( 如图2 - 5 ) 为，等于谐振腔长l ，增益系数为 g ( v 1 ，也是光波频率v 的函数，两反射镜面的反射率分别为r ：和r ：，除 反射镜透射以外的每单位长度上平均损耗系数为a 。在增益介质左端 z = 0 处，光强度为i 。，则光到达增益介质右端z = l 处，光强度增加到 i 。e x p 【( g - a ) l ，其中e x p 【( g - a 自) l 】为放大倍数，经过右方反射镜面 反射后，光强度减少到r 。i 。e x p 【( g - a ) l 】；光再达到增益介质左端z = 0 ， 光强度增加到r 。i 。e x p 2 ( g - a ) l 】；经过左方反射镜面反射后，光强 度减少到1 1 r ，i 。e x p 2 ( g - a ) l 。这时，光在增益介质中正好来回一次。 由此可知，要使光在增益介质中来回一次所产生的增益足以补偿在这次 来回中光的损耗，为此必须保证： 1 1 r 】io e x p 2 ( g - a ) l l 即：r t r2e x p 2 ( g - a ) l 1 此式称为阈值条件，即形成激光所必须满足的条件； 上式可以写作 g ( y ) 一吉l n ( r , r d 1 若引入总平均损耗系数：口= 一寺l n ( q r o 1 则g p ) 一寺i n ( f i r 2 ) 式又可以改写为g ) 口 由此式可知，单位长度的增益必须超过单位长度上的损耗，才能形 成激光振荡。 概括地说，要形成激光，首先必须利用激励能源，使工作物质内部 的一种粒子在某些能级问实现粒子数反转，这是形成激光的前提条件； 另外还必须满足阈值条件，这是形成激光的决定性条件。对于各种激光 器，都必须满足这个条件才能形成激光。 2 3 激光器 19 17 年爱因斯坦就预言受激辐射的存在，但是在一般热平衡的情 况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩饰，因而未能在实验中观察 到。直到5 0 年代前后，韦伯、法布里肯特、巴索夫和普罗克哈罗夫、 汤斯等人提出了用受激辐射的方法获得放大的概念。1 9 6 0 年迈曼制成 了第一台红宝石脉冲激光器，它标志了激光技术的诞生。从此，激光技 术的发展非常迅速。已在上千种工作物质( 包括固体、气体、液体、半 导体等) 上实现了光放大或制成了激光器。本节我们将简单介绍三种典 型激光器。 2 3 1 光泵浦激光器 下图是一般的光泵浦固体激光器的基本结构示意图。 睁却水 垒 图2 5 光泵浦固体激光器 常用的工作物质有红宝石( 介质是掺铬的a i ：q 晶体) 、掺钕钇铝 石榴石( n d “：y a g ) 和钕玻璃。需要指出的是，1 9 6 0 年休斯研究实验 室的迈曼用红宝石晶体作工作物质，研制成第一台固体激光器、在光谱 的红光区域6 9 43 埃处得到脉冲激光作用。 红宝石激光器的工作物质是一根淡红色的红宝石晶体棒，晶体的 基质是a f 2d 3 ，掺入重量百分比为0 0 5 的c r “离- 3 - ( 又称为激活离子) ， 晶体申形成激光的是c r “( 即一个c ，原子失去三个外层电子而形成正 离子) 。在脉冲氙灯的闪光照射( 激励) 下，红宝石晶体中o “离子形 戍受激辐射形成激光。下图是红宝石晶体中c r “的三能级系统。 图2 - 6c r “的三能级系统 2 3 2 气体放电激光器 e i 气体激光器比其它的激光器具有许多的优点，主要是因为激活介 质( 气体) 非常的均匀，即使是在强的放电电流下也是如此，某些气体 激光器还可以用简单的放电来进行激励，并且他们的吸收效率比较高。 由于介质均匀，大多数气体激光器都能产生近乎理想的高斯光束。一些 气体激光器还可以工作于大体积、高功率的状态。 下图是典型的气体激光器( 外腔式) 的示意图。 飞1么膨 图2 7 气体激光器 激光器的两块反射镜通常是球面反射镜，镀了多层介质膜。其中 一块是全反射镜，另一块是输出反射镜。放电管的两端窗口倾斜成布儒 斯特角，则电场矢量在纸面内的辐射经过布儒斯特窗口时没有反射损 耗，所以输出的是线偏振光。 在红宝石激光器问世后不久，1 9 6 1 年由贝尔电话实验室的贾范等 人研制成第一个连续工作的h e - n e 气体激光器。 虽然h e n e 激光器是一种小功率器件，但是实际上它垄断了对光准 直、精密测量和其它小功率应用的市场。 属于气体放电激励的常用激光器还有氩离子( a r “) 激光器、二氧 化碳( c o ：) 分子激光器、金属( c d 、c u 、a u ) 蒸汽激光器和准分子激 光器等。 2 3 3 半导体激光器 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一种激光器。类似气 体和固体激光器，其基本结构原则上仍由工作物质、谐振腔和激励能源 构成。主要的工作物质有g a h s 、g a a l a s 等。一般采周半导体晶体的解 理面作为反射镜构成谐振腔，其它的结构形式有波纹周期结构等。常用 的激励能源有电注入，光激励和碰撞电离激励等装置。 象任何其他的激光器一样，为了得到增益，必须建立起高度的非平 衡状态，在导带底部和价带顶部之间形成粒子数反转，即导带底部电子 数，就能对能量约为禁带宽度的光予实现受激辐射放大。然而，形成粒 子数反转最实际的方法是把载流子注入到p - n 结中去，当然也可以使用 上面所说的其他的一些方法，来产生大量的过剩电子：空穴对，这对于 受激发射占主导地位作用是必不可少的。 由于半导体激光器有超小型、高效率和高速率y - 作的优异特点， 必然有着广泛的用途。特别是在当前光通讯的领域中，半导体激光器是 最为重要的激光光纤通讯的光源。预期在光信息处理和光存储、光计算 机外部设备的光耦合和全息照相以及测距、雷达等方面都将得到重要的 应用。 2 4 激光的特性 激光器是强相干光源，它所辐射的光源是一种受漱辐射相干光，是 在一定条件下光频电磁场和激光工作物质相互作用，以及光学谐振腔的 选模作用的结果。激光束与普通光相比最突出的特性是它具有高度的方 向性、单色性、相干性和高亮度。实际上，这四个特性本质上可以归结 为一个特性，即激光有很高的光子简并度，也就是说，激光可以在很大 的相干体积内有很高的相干光强。以下我们来分别讨论激光束的这四个 特性，说明这些特性的物理意义并分析激光束具有这些特性的原因。 2 4 1 激光的方向性 激光器输出的激光束具有很高的方向性，一般激光器只向着数量级 约为1 0 。6 j r ( 球面度) 的立体角范围内发射激光束，它比普通光源4 刀弧 度的立体角范围里发光要小几百万倍。由此可见，激光束的方向性比普 通光源发出的光要好得多。激光束好的方向性主要是由于激光器受激辐 射的机理和光学谐振腔对光束的方向限制所决定。然而，激光所能达到 的最小光束发散角还要受到衍射极限的限制，它不能小于激光通过输出 孔径的衍射角巳，以被称为衍射极限。设输出孔径为d ，则： 小吾 式中0 ，的量纲为弧度( r a d ) ；五为激光的波长。由此可以得到激光束的 立体发射角： 1 4 q 。= 帆) 2 “( 考) 2 式中q 。的量纲为s r 。 例如，h e n e 气体激光器，五= 0 63 2 8 微米，取d = 3 毫米，则衍射 极限臼，z2 1 0 - 4 弧度，即为0 2 毫弧度( m r a d ) 。实际h e n e 激光器已 经达到3 1 0 4 弧度，这个数值已经十分接近衍射极限臼。固体激光器 的方向性较差，一般在1 0 。弧度，半导体激光器发散角更大，大约在 ( 5 1 0 ) 1 0 。弧度。 2 4 2 激光的发散性 普通光源发出的光，其光谱成分有连续的或准连续的，它由各种颜 色的光组成，莱一种颜色的光都有一个比较宽的波长范围，所以不能称 为单色光。即使同一原子从高能级e 跃迁到另一个低能级e 。而发射某 一频率v 的光谱线，也总是有一定频率宽度v 的，这是因为原子的激 发态总有一定的能级宽度，以及其它种种原因引起的频率宽度a v 。激 光的谱线成分也不是绝对纯净的，所谓单色性是指中心波长为a 。线宽 为a v 范围的光，y 叫谱线宽度。单色性常用比值坐：掣来表征， y 同样也可以用频率范围为a v 表示单色性。由于矿= o a ，所以上述比例 式可以写成： y ：c 耸 由此可见，对于一条光谱线如果已知a v ，则可以由上式求出五 反之亦可。一般说来，线宽v 和 越窄，光的单色性越好。 在普通的光源中，即使是单色性最好的同位素廿8 6 灯发出的波长 2 = 0 6 0 5 7 微米的光谱线，在低温的条件下，其宽度旯= o 4 7 1 0 。微 米。与此相比，一台单模稳频h e - n e 激光器发出的波长丑= o 6 3 2 8 的激 光，其宽度可以窄到五 1 0 _ 1 1 微米。由此可见，采用单模稳频技术后 的激光其单色性非常好，这是普通的光源所不能达到的。 2 4 3 激光的高亮度 光源的亮度是表征光源定向发光能力强弱的一个重要参量。对于 在发光表面垂直的方向上，光源亮度： b - 生 s q 这样定义的亮度，通常也称为定向亮度，其量纲为w ( c m2 5 ，) 。 上式中，p 为光源在面积为a s 的发光表面上和q 立体角范围内发出 的光功率；对于激光来说，a p 相当于输出激光功率，s 为激光束截面 积，q 为光束立体发散角。 普通光源，由于定向性很差，因此亮度极低。例如太阳的亮度值为 b 2 x 1 0 3 w ( c t # 1 2 5 ，) 。 对于激光器来说，由于谐振腔对光束的方向限制作用，输出光束的 发散角很小，因此相应的亮度值很高，按照目前的发展水平，一般常见 的各类激光器输出激光的亮度值范围为： 气体激光器b = 1 0 4 1 0 8 w ( c m 2 s t ) 固体激光器b = 1 0 7 1 0 ”w ( c m 2 盯) 调q 固体激光器b = l o ”1 0 1 7 w ( 硎2w ) 由上述数值我们可以看出，激光输出定向亮度值远远大于普通光源 的亮度值。目前利用锁模技术，已经能够使钕玻璃激光器发出 a t 3 x 1 0 。1 2 s 的超短脉冲，峰值功率已经超过17 x 1 0 1 2 w ，其亮度就更 高了。 总之，正是由于激光能量在空间上和时间上的高度集中，才使得激 光具有普通光所达不到的亮度。 1 6 2 4 4 激光的相干性 光的相干性是指在不同时刻、不同空间点上两个光波场的相关程 度。这种相关程度在两个光波传播到空间同一点叠加时，则表现为形 成干涉条纹的能力。 光频电磁场的相干特性，完全由辐射场本身的空间方向分布特性 和频率分布特性所决定。相干性又可以分为空间( 横向) 相干性和时 间( 纵向) 相干性。空间相干性用来描述垂直于光束传播方向上各个 点之间的相位关系，而时间相干性则用来描述光束传播方向上各个点 的位相关系。 1 空间相干性 空间相干性是指光源在同一时刻、在不同空间、各个点发出的光波 相位关联程度。光束的空问相干性和它的方向 生是紧密联系的。对于普 通的光源，可以用杨氏双缝千涉实验( 如图2 - 8 ) 来说明光辐射场的空 间相干 生。 d 上 、( ) 不 s 6 s 0 瑞 p z 图2 - 8 杨氏双缝干涉 ，、2 从沁) 2s 【孟j 可以看出，只有当光束发散角小于某一限度，即 a os 竺时，光束才具有明显的空间相干性。由平行平面腔t e m 。单横 x 模激光器可知，工作物质内所有激发态原子在同一t e m 。模光波场激发 下受激辐射，并且受激辐射光与激发光波场同相位、同频率、同偏振和 同方向，即所有原子的受激辐射都在t e m 。模内，因而该激光器发出的 t e m o o 模激光束接近于沿腔轴传播的平面波，即接近完全相干的光，并具 有很小的光束发散角。为了提高激光器的空间相干性，首先应限制激光 器工作在t e m 。单横模，其次是选择合理的腔结构以提高激光束的方向 性。 2 时间相干性 时间相干性是指光源上同一点在不同的时刻t ，和t ：发出的光波的 相位关联程度。同样，光束的时间相干性和它的单色性亦是紧密联系的。 对于普通光源，可以用迈克尔逊干涉仪实验来说明光波辐射场的时问相 1 干性。相干时阃与光源带宽的关系式f ，= f = 上说明光波的相干 y 时问f 和单色 生v 之间的关系。 由于激光辐射的单色性很高，频宽y 很小，其相干时间i c 很长， 即时间相干性很好。例如正弦波在同一点任意两个时刻的光有固定相位 差，能产生干涉，所以是相干的。光谱线越窄越接近于正弦波，时间相 干性就越好。时间相干 生还可以用相干长度l 。= c ( a v ) 来表示，其物 理意义是沿光束传播方向上小于或等于l 。距离内，空间任意两点的光场 都是完全相干的，激光的单色性好( y 小) 决定了它具有很长的相干 长度。例如h e - n o 稳频激光器的频宽a v 可以窄到1 0 k h z ，相干长度达 到3 0 k m 。 综上所述，激光器的单模( t e m 。) 和稳频( 单纵模) 对提高相干性 十分重要，一个稳频的t e m 。单纵模h e - n o 激光器发出的激光十分接近 于理想的单色平面波，即完全相干光。 第三章光纤激光器 3 1 光纤激光器的发展简史 光纤激光器并不是什么新的器件，尽管到目前才引起广泛的研究 和重视。可以毫不夸张地说光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎 一样长。第一个光纤激光器的荣誉应归于s n i t z e r 和k o e s t e r ，他们在 1 9 6 3 年和1 9 6 4 年分别发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果，当时他 们正在为美国光学公司工作( a m e r i c a no p t i c a lc o r p o r a t i o n ) 。不 久以后，光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作。在光纤放大器方 面的早期工作还有前苏联的l e t o k h o v 和p a y l i k 。令人感兴趣的一篇非 常重要的文章是属于高锟和h o c k h a m 的，他们在1 9 6 6 年首先讨论了利 用光纤作为通信介质的可能性。在光纤激光器发展的最初阶段就考虑了 用半导体光源进行泵浦的可能性。在7 0 年代，b e l l 实验室( 现在的a t & t ) 的一个小组也开展了这方面的研究工作。 在1 9 7 5 19 8 5 这十年中有关这个领域的文章比较少，不过在这十 年中许多发展光纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟。低损耗的硅单模 光纤弄口半导体激光器都已商品化并得到了广泛的应用，而且还进行了氟 化锆光纤的制作和完善了基于硅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，尤其是高功率输出的半导 体激光器作为泵浦源在光纤激光器中极为重要。而熔硅型定向耦合器对 光纤激光器的设计起着举足轻重的作用。 在8 0 年代中后期的几年中，英国南安普顿大学的电子工程系和物 理系也卷入了这个领域的研究，他们在其中扮演了非常重要的角色，是 他们演示了用m c v d 方法制造的单模光纤所构成的激光器的运行，从而 再度唤起了人们对这个研究领域的兴趣。此后该校的两个研究小组先后 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。英国通讯研究实验室( b t r l ) 于1 9 8 7 年首此报道了其研究成 果。b t r l 的研究人员展示了用各种定向耦合器制作的精巧的光纤激光 器装置，他们在增益和激发态吸收等研究领域中也作了大量的基础研究 工作，在用氟化锆光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面作了开 拓性的工作，最重要得是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。其它在这个领域内发表过研究成果的研究机构还有德国 汗堡的技术大学，n t t ，h o y a ，日本的三菱，美国的p o l a r o i d c o r p o r a t i o n ，斯坦福大学和g t e 等。 国内从80 年代末扣9 0 年代初开始这个领域的研究工作，并已经 取得了一些阶段性的成果。例如清华大学，中国科技大学，上海科技大 学以及邮电部和电子部所属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_ t - 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。 3 2 光纤激光器的基本结构和原理 下图所示是典型的光纤激光器的基本构形。增益介质为掺有稀土离 子的光纤芯，掺杂光纤夹在两个仔细选择的反射镜之间，从而构成了 f a b r y - p e r o t 谐振腔。泵浦光束从反射镜1 入射到稀土掺杂光纤之中， 激射输出光从反射镜2 输出来。从某种意义上讲，光纤激光器实质上是 一个波长转换器，即通过它将泵浦波长光转换为所需要的激射波长光。 蔫土离子掺杂的光纤 反射幢l 矗射惋2 图3 1 光纤激光器的基本结构 2 0 光纤激光器的基本工作原理是这样的：当泵浦激光束通过光纤中的 稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激射 能级，从而实现通常所说的粒子数反转。反转后的粒子以辐射形式或非 辐射形式从高能级转移到基态，前者就是通常所说的受激辐射，后者为 自发辐射。 由于激射是一种放大的过程，要维持受激发射的增益，首先必须保 证有足够的反转的粒子数，泵浦是实现粒子数反转的必要的条件。泵浦 源由外部的较高能量的光源提供。如果是两个能级参与激射，要维持受 激发射增益还要要求泵浦的能量高于较高能级的能量。由于泵浦能量高 于激射能级，所以激射的光子波长应比泵浦光子的波长长，光纤激光器 的这一特点为它的实用化提供了十分有利的条件，即可以用廉价的、成 熟的g a a s 激光器作为泵浦光源，从光纤激光器获得1 3 删、1 55 脚、 和2 3u r n 的激射输出。 光纤激光器的工作状态( c w 或脉冲输出) 取决于激活的介质。对 c w 工作来说，较高激射能级的自发寿命必须大于较低激射能级的自发 寿命。光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能 级激射。两者的差别在于较低能级所处的位置。在三能级激光器中，较 低的能级基本上处于基态的位置，而在四能级激光器中有较低向基态跃 迁的可能性。通常的情况下，三能级激射的阁值功率高于四能级激射的 闽值功率，因此，总是希望选取四能级激射结构。此外，激射的能级数 直接影响激光器的闽值功率和掺杂光纤的长度。在四能级激射激光器 中，阈值功率随光纤长度的增加而下降，想获得低的阁值功率，应当增 加光纤的长度。而在三能级激射的激光器中，在最低阁值功率时有一个 最佳的光纤长度。 3 3 光纤激光器的谐振腔 图3 - 1 中所示的f a b r y p er o t 腔是展示给定介质激光作用的一个基 本结构，很容易由光学元件构成。不过这种结构也受到了一定的限制。 首先，泵浦光必须能透过光纤一端的腔镜而进入光纤，高的泵浦功率将 对腔镜的膜层产生损害，从而限制了泵浦功率。当泵浦功率很低时，激 发效率将下降。3 3 2 节将讨论三种光学谐振腔的设计，在这三种设计 中都不需要在光纤的端面放置腔镜。 第二个问题是由腔镜带来的输出线宽的问题。大多数稀土元素在玻 璃体基质中的增益线宽达50 n m 。不过对腔镜介质膜进行特别的设计， 可以使输出谱线的半宽度达到5 10 n m 。但是这种特性不能在整个增益 线宽内获得。因此仅能作为宽带光源使用。另一方面，5 1 0 n m 的线宽 在某些对单色性要求较高的应用中还显得太宽，例如在相干通信，干涉 仪和计量的应用中。我们希望能在整个增益曲线内进行调节输出，并获 得较窄的输出谱线。为了实现上述的功能要求，图3 1 所示的腔结构必 须加以改进。3 3 3 节将讨论两种包含调节元件的激光器结构，而3 3 4 节讨论两种压缩线宽的结构。 为了实现上述对输出激光的要求，应该了解一种熔硅型的锥型耦合 器。两根光纤紧密接触，接触的长度大约为几个毫米，然后加热，将两 者的包层熔融在一起。两根光纤沿其轴线方向再拉伸形成一个锥型区， 使两者的纤芯非常接近。在拉伸的过程中，利用机械包紧的方法进行保 护，这样制成的耦合器具有两个输入端和两个输出端。当光束由一端进 入到光纤后，通过耦合可以使一部分光从另一根光纤的尾端输出。耦合 的比例由耦合比例的系数k 所决定。k 的取值范围从0 到l 。耦合比例 取决于两根光纤纤芯靠近的程度、两根光纤接触的长度并口入射光的波 长。这种耦合器也称之为定向耦合器。它的一个重要的特性是，只要在 工作波长下是单模运行，在两个输出和输入之间存在着固定的位相差。 交叉耦合的光波比输入光波滞后位相z 2 。定向耦合器在光纤干涉仪中 得到日益广泛的应用，是相干光学中常用的器件。 3 3 1f a b r y p e r o t 腔 现在我们详细讨论图3 1 所示的光纤激光器的结构。这是一个具有 增益介质的光纤f a b r y p er o t 谐振腔。f a b r y p e r o t 谐振腔实际上就是 两面相互平行并且具有一定透射率的镜子。当一束光通过该装置激发 时，透射和反射频率响应具有周期性。当谐振条件满足时，透射输出强 度较高，反之则较低；而反射输出则相反，在满足谐振条件时低，反之 则较高。当腔长是波长的半整数倍时则发生谐振。在谐振频率间的间隔 称为自由光谱范围( f s r ) 。实际上，自由光谱范围是光子在腔内往返一 次所用时间的倒数，可以由真空中的光速c ，介质的折射率n 和腔长l 导出，即 f s r ；生 2 n l 举例来说，如果l = l m 和n = 1 5 ，则f s r 为1 0 0 m h z 。 f a b r y p e r o t 谐振腔的一个重要的特性是其在谐振时存储了能量。 在一个激光器中，工作介质放置于两个腔镜之间，这样有机会实现粒子 数反转和增益。可以认为激光光子在其输出前已经在腔内往返了很多 次，并诱发了更多的受激光子。激光将优先发生于那些满足谐振条件的 频率处，与光纤激光器有关的增益介质是掺稀土元素的玻璃，具有较宽 的增益曲线，因此输出的激光将会有多条谱线，谱线的间距是由 f s r = 所决定的自由光谱范围。净增益的光谱区域将扩展到放大超过 z n l 损耗的频率范围之内。 图3 1 示意了光纤激