（电磁场与微波技术专业论文）掺铥光纤激光器及相干合束方案研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要中文摘要摘要：石英基掺铥光纤激光器发射谱覆盖1 5 2 2 微米波段，其中含有两个大气窗口和一个强水吸收峰，由于其波段位于眼安全区，因此，在激光医疗、遥感探测、激光雷达、军事等方面具有广泛的应用前景，目前输出功率正从百瓦级向千瓦级迈进，成为近来激光领域里的一个研究热点。目前关于掺铥光纤激光器的研究大都采用实验研究的方法，而建立数学模型对深入研究掺铥光纤激光器的性能优化激光器设计具有重要的意义。本论文主要围绕掺铥双包层光纤激光器及相干合束进行深入的理论研究工作。一方面从激光器理论建模入手研究激光器的相应参数对激光器性能的影响，得到的结论对掺铥激光器的设计奠定了基础。另一方面从理论上研究了相干合束的有效方案，利用多芯双包层光纤、全光纤迈克尔干涉腔实现相干合束方案进行了深入研究，得到了一系列的结果，为构建高功率、高光束质量输出的掺铥激光器提供参考。本论文的研究内容及创新点主要包括以下几个方面：1 研究了掺铥离子的能级结构，对掺铥光纤激光器的三种泵浦方案进行了论述，在研究每种泵浦方案的速率方程的基础之上对常用泵浦方案3 h 6 3 出进行理论推导得出了激光器中处于激发态与基态上铥离子数满足的方程。2 在研究泵浦方案基础之上对7 9 0 r i m 前向泵浦3 h 6 3 h 4 方案进行了编程仿真，得到了泵浦功率、光纤长度、掺杂浓度、损耗等因素对激光器性能的影响规律。3 利用衍射理论得到了多芯双包层光纤激光器的远场相干光光强理论模型，在此基础之上进行了计算机仿真模拟，分析了纤芯数目、相邻纤芯轴间距离、纤芯直径、波长对合束的影响，提出了优化的解决方案。4 研究了全光纤迈克尔干涉腔实现相干合束的实验原理，论述了干涉腔的光谱响应函数，并进行了模拟仿真，对影响光谱响应函数的因素支臂数目、相邻支臂之间的长度差值、公共腔的反射率等因素进行了详细的分析。关键词：掺铥光纤、光纤激光器、速率方程、相干合成、多芯双包层光纤、迈克尔干涉腔。分类号：t n2 4 8北京交通大学硕士学位论文a bs t r a c ta b s t r a c t ：e m i s s i o ns p e c t r ao ft m 3 + - d o p e df i b e r l a s e rw h i c hc o n t a i n st w oa t m o s p h e r i cw i n d o w sa n das t r o n gw a t e ra b s o r p t i o np e a kc o v e r sf r o m l 5 p mt 0 2 2 1 a m b e c a u s et h ew a v e l e n g t hi ss a f et om a l l se y e s ，i ti sb e i n ga p p l i e di nm a n ya r e a ss u c ha sl a s e rm e d i c i n e ，l o n g - d i s t a n c ed e t e c t i v es y s t e m s ，l a s e rr a d a r , a n dm i l i t a r y l a s e rp o w e ri si n c r e a s i n gf r o mh u n d r e d so fw a t t st ot h o u s a n d so fw a r sa n dn o wt m ，- d o p e df i b e rl a s e ri sb e c o m i n gt h er e s e a r c hf o c u so ff i b e rl a s e r s r e c e n t l y , m u c hw o r ka b o u tt m 3 + _ d o p e dd o u b l ec l a df i b e rl a s e rf o c u s e so ne x p e r i m e n tr e s e a r c h i ti su r g e n tt om a k ead e e pr e s e a r c ho nm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt oc a r l yo u taf u r t h e rs t u d ya b o u tt m 3 + _ d o p e dd o u b l ec l a df i b e rl a s e r t h i sp a p e rg e t sas e r i e so fu s e f u lc o n c l u s i o n sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o nt h eo t h e rh a n dt h i sp a p e ri n c l u d e st h ew o r kr e l a t e dt oc o h e r e n tb e a mc o m b i n a t i o n c o h e r e n tb e a mc o m b i n a t i o ni sam e t h o df o ra c h i e v i n gah i g h p o w e r ，h i g h - b r i g h t n e s ss o u r c e t h i sp a p e rm a k e sar e s e a r c ha b o u tm u l t i c o r ed o i l b l e c l a df i b e rl a s e ra n dm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rr e s o n a t o r t h er e s u l t so ft h i sp a p e rc a l lg a v es o m es u g g e s t i o n si nd e s i g no fh i g hp o w e ra n db r i g h t n e s st m 3 + d o p e df i b e rl a s e r t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：1 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee n e r g yl e v e ls t r u c t u r eo ft h u l i u ma n dt h ea b s o r p t i o ns p e c t r u ma r ei n v e s t i g a t e d t h r o ek i n d so fp u m ps c h e m eo ft h et m d o p e df i b e rl a s e ra l ed i s c u s s e di nd e t a i l r e s 伽c ho nt h ec o m m o np u m ps c h e m e3 h 6 3 8 , a r ec a r r i e do u t w eo b t a i nt h ee q u a t i o na b o u tt h en u m b e ro ft h u l i u mi o n si ng r o u n ds t a t ea n de x c i t e ds t a t e si nf i b e rl a s e r 2 a b o u tf o r w a r dp u m ps c h e m e3 h 6 3 h 4u s i n g7 9 0 n ml a s e rr c s o u r c e , w ed e s i g ns i m u l a t i o np r o g r a mw h i c hd r a ws o m ec o n c l u s i o n sa b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a s e rp r o p e r t i e sa n dp u m pp o w e r ,f i b e rl e n g t h , d o p e dc o n c e n t r a t i o no ft h u l i u mi o i l sa n dl o s s 3 w ed e r i v et h ec o h e r e n tb e a mi n t e n s i t yo ft h ef a r - f i e l da b o u tm u l t i c o r ed o u b l e - c l a df i b e rl a s e rb ya p p l y i n gd i f f r a c t i o nt h e o r y s i m u l a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e da n dw eo b t a i ns o m ec o n c l u s i o n sa b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n t e n s i t yo ft h ef a r - f i e l da n dm u l t i c o r en u m b e r , d i s t a n c eo fa d j a c e n tc o r ea x e s ，d i a m e t e ro fc o r ea n dw a v el e n g t h 4 t h r o u g ht h es t u d yo ft h ec o h e r e n tb e a mc o m b i n a t i o np r i n c i p l eb ya p p l y i n ga l l f i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m o t o rr e s o n a t o r , w ed i s c u s st h es p e c t r a lr e s p o n s ef u n b y北京交通大学硕士学位论文d e s i g n i n gs i m u l a t i o np r o g r a m ，w ea n a l y z et h ee f f e c t so fd i f f e r e n tb r a n c h a n t i sn u m b e r ,a d j a c e n tl e n g t hd i f f e r e n c e ，a n dr e f l e c t i v i t yo fp u b l i cr e s o n a t o r , a n dg e ts o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：t m 3 + d o p e df i b e r ；, f i b e rl a s e r , r a t ee q u a t i o n ，c o h e r e n tb e a mc o m b i n a t i o n ，m u l t i - c o r ed o u b l e c l a df i b e r ，m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rr e s o n a t o r c i s s n ：t n北京交通大学硕士学位论文学位论文数据集独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名睇牛签字魄枷乡年f 月日5 3学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位做作者虢弘刚争签字日期：洲7 年易月i ch致谢本论文的工作是在我的导师娄淑琴教授的悉心指导下完成的，娄淑琴教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来娄淑琴老师对我的关心和指导。娄淑琴教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向娄淑琴老师表示衷心的谢意。宁提纲教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间，卓安生、刘俊杰、王文杰等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。北京交通大学硕士学位论文绪论1 绪论1 1 本课题的研究背景和意义自从1 9 6 0 年第一台激光器问世以来，激光技术得到了飞速的发展，也极大的促进了现代科学技术的发展进程，同时也产生了许多新兴的学科，如全息光学、瞬态光学、激光光谱学、激光生命科学、激光医学、激光空间信息技术等，如今激光技术已经普遍应用于通信、生物工程、图像显示、军事、医学、工业等社会发展的各个领域，极大的改变了人们的生活与工作。光纤激光器的出现和技术突破更是将激光技术推向一个新的阶段，对掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但是早期由于光纤的制作工艺、稀土的掺杂工艺以及泵浦技术的制约光纤激光器在长达2 0 年的时间里进展缓慢，直到2 0 世纪8 0 年代，稀土掺杂光纤的制作工艺的完善有效增加光纤的增益降低了背景损耗，为研制高效率的光纤激光器提供保证；半导体工艺的突飞猛进，解决高效泵浦源问题，使激光器的泵浦效率得以大幅度提高：光纤光栅谐振腔的出现，简化了激光器的结构。技术的进步，大大推动了光纤激光器的迅猛发展。尤其是2 0 世纪8 0 年代后期由于包层泵浦技术的出现彻底解决了由于纤芯尺寸较小而泵浦效率难以提高的技术难题，光纤激光器得到高速发展，在激光领域里占据重要的地位i l 捌。光纤激光器的增益介质采用的是纤芯掺有稀土元素的光纤，泵浦光在光纤内传播，对掺杂稀土离子进行泵浦，光纤与两端的腔镜共同构成光纤激光器的谐振腔，由于光纤光栅技术的进步，目前腔镜多采用特定结构的光纤光栅，结合包层泵浦技术，使得光纤激光器的输出功率达到很高的水平。与半导体激光器相比，光纤激光器较大的优越性，主要体现在：光纤激光器是波导结构，可容强泵浦，具有高增益、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构紧凑可靠性高、易形成高功率密度、散热效果好、无需庞大的制冷系统等特点。正是由于光纤激光器的突出优点，使得它正在各个领域显示出广泛的的应用前景。石英基掺铥光纤激光器发射谱覆盖1 5 2 2 微米波段，其中含有两个大气窗口和一个强水吸收峰，由于其波段位于眼安全区，因此，在遥感探测、激光雷达、军事、激光医疗【3 4 】等方面具有广泛的应用前景，目前输出功率正从百瓦级向千瓦级迈进，成为近来激光领域里的一个研究热点。本文将针对高功率掺铥光纤激光器的发展需求，从理论上研究掺铥光纤激光器的激光特性和多束激光器的合束方北京交通大学硕士学位论文绪论案，以进一步优化激光器的设计，同时探索多光束的有效合束方案，为研制高功率光纤激光器提供参考。1 2 掺铥光纤激光器的研究动态光纤激光器是以掺稀土元素的光纤为增益介质的，1 5 种稀土元素中比较常用的有源光纤掺杂离子有n d 3 + 、h 0 3 + 、e r “、t m “、y b 等，其中掺d n 光纤激光器的输出波长对应光通信主要窗口1 5 l z m ，是目前应用最广泛和技术最成熟的光纤激光器；掺场3 + 光纤激光器的输出波长1 0 6 朋，其泵浦转换效率高，输出功率已达千瓦级，广泛地应用于工业加工及军事领域；而掺砌3 + 和h 0 3 + 的光纤激光器输出波长主要集中在2 0 , u m ，该波段的激光对生物组织具有穿透腐蚀功能，可以作为性能良好的微创激光手术刀进行精确切割和凝结止血，用来治疗如脑、肝脏等许多类型的肿瘤。另外2 0 z m 激光是人眼的安全激光，在激光测距、激光雷达、遥感方面有广泛的应用。目前国内外在2 0 , u r n 光纤激光器掺杂方面主要采用三种方式：一是单掺砌3 + 的2 0 , u m 光纤激光器，输出波长在1 7 8 0 m 2 0 5 0 9 m ，二是单掺h 0 3 + 的2 0 l z m 光纤激光器，产生的激光比单掺砌3 +的波长要长，三是砌3 + 、h 0 3 + 共掺的2 0 , u m 光纤激光器。国外对掺铥光纤激光器的研究已经较多。早在1 9 8 8 年美国l e s t e r o w i z e 等人【5 】已经实现了室温下泵浦铥的光纤激光器，工作波长在2 3 m 。1 9 9 0 年英国j n c a r t e d 6 j 等人用7 9 5n m 的激光二极管泵浦7 4 0 p p m 掺铥氟化物光纤实现1 9 7 , u m 连续运转，纤芯直径4 0 z m ，斜率效率0 6 。1 9 9 2 年r m p e r c i v a l 等人 7 1 用7 9 0 9 m 钛宝石激光器泵浦掺铥1 0 0 0 p p m ，芯径7 5 比m 的氟化物光纤实现1 8 2 z m 和2 3 1g m 同时振荡，斜率效率分别达到3 7 和2 0 。1 9 9 4 年m l d e n n i s 等人【8 】用1 0 6 4 n mn d ：y a g 激光器泵浦掺铥1 ( m 0 1 ) 、芯径1 2 n m 的z b l a n 光纤得到1 2 w 的8 1 0 r i m 激光，斜率效率3 7 ，并实现8 0 3 8 1 6 n m 可调谐。同年，日本电报电话公司光纤通信实验室的t y a m a m o t o 等人【9 】利用波长为1 5 7 0 n m 的掺铒光纤激光器对掺铥石英光纤激光器进行抽运，抽运功率为1 2 7 m w ，获得了2 1 m w 的激光输出，激光斜率高达7 1 。1 9 9 8 年英国j a c k s o nsd 和k i n gta t l 0 】用掺杂浓度1 8 5 w t 的双包层掺铥硅基光纤，纤芯直径1 7 历，在输出波长7 9 0 h m 二极管激光阵列作为泵浦源的情况下，获得了波长2g m 连续波5 w 的激光输出，斜率效率达到3 l 。在1 9 9 9 年s d j a c k s o n 等人【】对单掺铥光纤激光器进行了理论分析，并对7 9 0n m 、ll2 0n m 、1 5 6 0 n m 的斜效率等进行了数值模拟，并通过试验验证了这些结果的正确性。随后s d j a c k s o n 在2 0 0 1 年和2 0 0 3 年利用8 0 0n m 的半导体激光源泵浦t m 3 + ：舶，+2北京交通大学硕士学位论文绪论共掺双包层氟化物和石英光纤，分别获得了8 8 w 和5 2 w 的激光输出【1 2 l 引。2 0 0 0年英国的h a y w a r ds d ，c l a r k s o nw a 等 1 4 , 1 5 l 用掺杂浓度为2 2 w t 的双包层硅基光纤和双端抽运方式实现了斜率效率4 6 的1 4 w 连续波输出，同时又用光栅选波长技术实现了激光波长1 8 7 0 - - - 2 0 4 0 n m 的可调谐激光输出，调谐范围内连续波功率大于5 w ，采用的光纤内包层为d 型，直径2 0 0 t m ，纤芯直径为2 0 a m 。2 0 0 5年，gf r i t h 1 6 1 用7 9 3 n m 的高功率掺场3 + 光纤激光源双端抽运砌3 + 掺杂为2 2 w t 双包层石英光纤产生了2 0 4 t m 波长激光器，输出功率高达8 5 w 斜率效率提高到5 6 ，并在实验基础上提出如果交叉弛豫作用得到进一步加强，能量上转换能减弱，控制好温度，以后输出的功率最大可达千瓦量级。2 0 0 6 年，j k s a h u 和d y s h e n r 7 】用15 6 5 n m 激光源集中抽运双包层掺t m 3 + 石英光纤，抽运功率3 8 2 w ，最大输出功率1 9 2 w ，斜效率达到7 2 。在国内方面，掺铥光纤激光器的研究起步相对较晚，1 9 9 9 年，中科院西安光机所瞬态光学技术国家重点实验室杜戈国，刘东峰等【1 8 】报道了实验研究连续1 0 5 3 n m n d 3 + y l f 激光泵浦国产掺1 m ”石英光纤，产生紫外光( 3 8 7 4n m ) 、蓝光( 4 7 7 4 n m ) 、红光( 6 5 1 4 n m ) 、近红外光( 8 0 2 9 n m )的频率上转换荧光结果，测量了荧光发射光谱以及发光强度随泵浦功率的变换，并给出了实验结果的初步机理解释。2 0 0 3 年戴世勋等人【1 9 1 对7 9 3 n m 激光抽运下的掺砌3 + 碲酸盐玻璃的发光特性进行了研究a2 0 0 4 年董淑福【2 0 】等采用砌3 + 一舶3 +共掺石英单模光纤，在波长7 9 6 n m 的钛宝石激光泵浦下，获得了波长为1 8 7 0 n m的高性能单模激光输出，斜率效率接近3 1 ，并研究了输出激光功率、输出光谱随泵浦功率、激活光纤长度的变化关系，并对相应结果进行了分析。1 3 相干合束的研究动态现代科技的发展以及工业、军事等方面的需要要求人们制造出输出能量更高、质量更好、相干性更强的激光，所以人们在这方面进行了深入研究，也提出了很多方法，主要集中在提高单个激光器的输出能量和质量或者将多个激光器组合起来形成合束两方面。但是由于随着激光器的输出能量的提高，散热问题大大影响了激光器的性能，成为提高单个激光器输出能量的制约瓶颈。随着光纤激光器性能的不断提升，并且由于光纤激光器优越的散热性能，使用光纤激光器进行相干合束成为研制高功率光纤激光器的条有效的途径。近年来这一领域成为一个富有挑战性的领域，众多研究人员在这一领域里进行了大量的工作，探索出很多相干合束的方法，下面我们就这一领域的发展历程进行一下综述。3北京交通大学硕士学位论文绪论1 9 9 3 年，j a c q u e sm o r e l 等【2 l 】采用二元相位光栅合束和共用腔镜的结构分别实现了3 个光纤激光器的相干合成，合成效率为7 0 ，这是首次报道的使用光纤激光器实现的相干合成。1 9 9 9 年，v a k o z l o v 掣2 2 】将2 2 熔融拉锥光纤耦合器从中间切开并以此切面为共用输出腔镜实现两路激光器的相干合成，当两路激光峰值波长差小于0 1 5 n m 时可实现注入锁定。2 0 0 2 年，s t e v e nj a u g s t 等【2 3 】提出使用干涉仪结构来实现两个光纤激光器的相干合成。次年，他们又报道了采用m a c h z e h n d e 汗涉仪结构实现相干合成，光纤激光器的输出光谱可在1 5 2 0 n m 1 5 8 0 n m 的波长范围内调谐。后来他们又采用这种干涉仪结构进行两路激光相干合成来提高主动调q 激光器的峰值输出功率，是单个激光器峰值输出功率的1 7 倍。2 0 0 3 年，美国的n g s t ( n o r t h r o pg r u m m a ns p a c et e c h n o l o g y ) 研究人员提出了m o p a 方案，并且通过实验表明，7 路光束相干组束抽运的耦合效率高达8 6 ，光光转换效率达到8 2 ，当每一路光纤放大器的输出功率为1 5 5 w 时，系统的总功率达到l k w 2 4 j 。2 0 0 1 年和2 0 0 3 年，c h e o 等人【2 5 】采用一段中间一根外围六根的多芯光纤，纤芯直径6 t i m ，中心纤芯到外围纤芯轴线的距离为1 0 5 t i m ，输出总功率的斜率效率6 5 ，远场输出光场的中心光斑功率超过总功率的8 0 ，输出总功率超过5 w 。2 0 0 5 年，南开大学s h e n g - p i n gc h e r t 等人【2 6 】在m a t h z e h n d e r 型腔实现相干合成的支臂上插入带通滤波器，实现了输出波长1 5 3 0 1 5 7 0n l n 范围内连续可调。总的说来，通过光纤激光器相干合束技术实现激光高能量高质量的输出，是一条很有前景的方法，虽然在相干组束技术上大部分研究尚处于初级阶段，但是也出现了不少有用的方法，输出光束质量在一步步的提高。如何在实现高能输出的基础之上保证光束的质量是高功率激光器合束中急需解决的主要问题，也是人们今后在研究过程当中的要攻克的主要难题。1 4 论文的主要工作本论文根据掺铥光纤激光器的发展现状和所面临的问题，主要在以下两个方面开展研究工作，一方面是关于掺铥光纤激光器的特性研究，另一方面是关于光纤激光器的相干合束研究。建立了相应的理论模型，通过模拟仿真，得出了一些有益的结论，现对各章内容介绍如下：第一章绪论部分首先介绍了关于光纤激光器的历史发展过程，并指出了光纤激光器相对于其他激光器的优点所在和在各个领域的应用，接着介绍了掺铥光纤激光器的研究动态，对近年来人们在掺铥光纤激光器研究进展进行了概述，最后介绍了相干合束方面的研究动态，对该技术方面的研究工作进行了阐述。4北京交通大学硕士学位论文绪论第二章首先介绍了关于双包层光纤和光纤激光器的基本知识，接着介绍了掺铥光纤激光器的基本理论，其中包括铥元素的基本特性和能级结构，阐述了其吸收光谱特点，在三种泵浦方式的理论模型进行了分析，指出了影响激光器性能的因素，为下面得数值计算仿真进行了理论铺垫。第三章利用m a t l a b 软件、打靶法和龙格库塔法对理论模型进行了仿真，对影响激光器性能的因素：掺杂浓度、光纤长度、损耗、泵浦功率进行了讨论，并得出了一些有意义的结论，给出了改善激光器性能的有效途径。第四章主要论述相干合束方面的内容。首先对常用几种相干合束方案进行简介指出了这些方案的优缺点，接着给出多芯双包层光纤的理论合束模型，该模型是建立于夫琅和费衍射基础之上，并结合信息光学相关内容，给出了合束的远场分布公式。在基于上述的理论分析基础上进行了计算机编程仿真，对影响远场分布的因素如纤芯数目、芯轴间的距离、纤芯直径、波长进行了讨论，给出了相关结论。最后对全光纤相干合束技术进行了论述，给出了相关理论，并进行了理论仿真。第五章，对本文所做工作进行了总结，指出了其中的不足之处，并对后续研究内容进行了展望。5北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器2 双包层光纤及掺铥光纤激光器2 1 双包层光纤结构及其优越性早期的光纤激光器所用的光纤只有纤芯与包层，但是这样的结构对于激光耦合和泵浦来讲有很大的缺陷，耦合光入纤比例小，纤芯的掺杂原子得不到有效的泵浦，激光转换效率低，所以激光输出能量低。在2 0 世纪8 0 年代后期，美国的宝丽来( p o l a r o i d ) 公司首先提出了包层泵浦技术【2 7 1 ，使得光纤激光器的性能得到了大大改观，引起了世界上一些著名的研究机构的广泛关注，得到了快速发展。1 9 9 3 年，宝丽来公司在原有的基础之上研制出掺n d ”矩形双包层光纤激光器获得了5 w 的单模输出【2 引，1 9 9 8 年在c l e o 会议上l u c e n t 技术公司的s k o s i n i k i 和d i i m i s s 报道了一种内包层截面为星形的掺y b 3 + 双包层光纤激光器，得到了2 0 w 的激光输出【z 引。理论方面，a l i u k ，u e d a 和p a t r i c ke v e n 等对光纤内包层截面的几何形状和纤芯对抽运光的吸收效率做了研究【3 0 ，3 1 ，3 2 1 。a b e r t o n l 和n s k i m 针对双包层光纤激光器给出了优化模型并进行了数值计掣”芦】。双包层顾名思义就是光纤有两个包层：内包层与外包层，再加上纤芯与保护层共有四层，其中外包层的折射率小于内包层，内包层的折射率小于纤芯，内包层的横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多，这对多模泵浦光的耦合非常有利，所以内包层是抽运光的通道，这样当抽运光进入尺寸较大的内包层中后，在内包层中反射前进，这样就多次穿过纤芯，抽运光被掺杂离子充分吸收，形成粒子数反转，从而产生激光。由于纤芯折射率大于内包层可以保证激光振荡在单模的纤芯中传输，激光的模式简单光束质量较高，双包层结构示意图( 保护层省略) 如图2 1 ：图2 1 双包层光纤结构示意图f i g2 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h ed o u b l e - c l a df i b e r l a s e r6出北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器最初的双包层光纤的内包层采用的传统的圆形结构，但是这样存在大量的螺旋光在光纤中传播，不经过掺杂的纤芯，从而大大地降低了泵浦光的利用率。为了解决这一问题，近年来人们不断改进传统工艺，在原有的基础之上开发出来内包层为多种形状的双包层光纤，大大提高了泵浦光的利用率，其中较为典型的有d形、方形、梅花形等，双包层的截面图如图2 2 所示：图2 2 双包层的截面图f i g2 2s e c t i o n a lv i e wo f d o u b l e - c l a df i b e r l a s e r其中d 形内包层对泵浦光的吸收率可达到8 0 以上，矩形内包层理论上可达到1 0 0 的吸收，实际吸收率也高达9 0 以上【3 5 ，3 6 1 。2 2 光纤激光器的常用结构掺杂光纤反射镜1反射镜2图2 3 光纤激光器的构成示意图f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ef i b e rl a s e rc o n f i g u r a t i o n光纤激光器的基本结构如图2 3 所示，由泵浦源、掺杂光纤和反射镜组成的f a b r y p e r o t 谐振腔构成。掺杂光纤是增益介质，谐振腔是光纤激光器的重要组成部分，对辐射光进行反馈和选频。泵浦光从反射镜l 进入光纤中，在光纤中实现振荡放大过程，经由反射镜2 输出。光纤激光器和普通的固体、气体激光器一样需要考7北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器虑其输出激光质量、阈值、斜率效率等参数，所不同的是谐振腔不同，光纤激光器中所用到得反射镜可选用镀膜的腔片，但应用较多的是光纤b r a g g 光栅，b r a g g光栅对腔内激光相当于高反射镜，实际中将f b g 直接刻在腔内的光纤上或将刻好的f b g 熔结在腔内光纤上，构成全光纤激光器，同时消除了腔镜与光纤的耦合损耗，这种激光器也称为光纤d b r 激光器。一般来讲，反射镜1 对泵浦光具有高透低反性，而对信号激光则要求高反射性，反射镜2 则根据激光输出确定。掺杂光纤中的离子被泵浦光从基态激发到高能态，高能态离子的寿命较短，很快弛豫到寿命较长的亚稳态上，实现粒子数反转，并在诱发光子的作用下跃迁到基态实现受激发射，谐振腔的作用就是实现反馈谐振，使激光在传播过程中获得增益，当腔内损耗小于增益时，就可以获得激光输出。除了线性腔常用的还有环形腔，环形腔的结构由波分复用器( w d m ) 、掺杂光纤、隔离器( i s o ) 、耦合器( c o u p l e r ) 以及与耦合器相连的光纤光栅构成如图2 4 3 7 3 s 所示：图2 4 环形腔结构不恿图f i g 2 4s t u r c t u r a ld i a g r a mo fs y a t o n i cc a v i t yo ft h ef i b e rl o o p泵浦光经过波分复用器( w d m ) 耦合进环路，在掺杂光纤中实现激光放大，激光通过隔离器传输到耦合器( c o u p l e r ) ，一部分耦合至输出端，另一部分耦合到光纤光栅( f b g ) ，经过f b g 滤波后经过耦合器被反射回环路，由于隔离器的作用，反射光只能在环路中沿顺时针方向传播，再次经过掺杂光纤时获得适当增益，重复上述过程，实现环路振荡当获得增益大于激光损耗时，就可以获得激光输出，与f p 腔相比，环形腔能更加充分的利用泵浦光，增加光纤激光器的输出功率【3 7 ，3 舯。本文着重于讨论光纤参数等因素对激光输出的影响，故采用较为简单的线性腔作为研究对象。2 3 铥离子的能级结构及光谱特性1 8 9 7 年，瑞典化学家克利夫( c l e v ep e ，1 8 0 4 - - 1 9 0 5 ) 从不纯的氧化铒中分离出两个新元素的氧化物一氧化钬和氧化铥【3 9 1 。他把它们命名为“t o l m i u m ”和s北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器“t h u l i u m ”。“t o l m i u m 是为了纪念克利夫的出生地一瑞典的首都斯德哥尔摩，古人称它为“t o l m i a 中文音译为“钬”，元素符号为h o 。“t h u l i u m ”是纪念克利夫的祖国所在地一斯堪的纳维亚半岛，古人称这一地方为“t h u l c ”，中文译名为“铥 ，元素符号为t m 。铥元素属于过渡元素中的镧系元素，原子序数为6 9 。其原子外电子层的结构为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 5 2 3 矿3 d 1 0 4 s 2 4 矿4 d 1 0 4 厂1 3 5 s 2 5 矿6 s 2 。镧系元素原子最外两个电子结构相似，而在蚋层上不同，最外两个电子层对妒轨道有较强的屏蔽作用，尽管4 成级中电子数不同，但它们的化学性质受钞电子数的影响很小，所以镧系元素表现的化学性质非常相似，例如它们的氧化态一般为正3 价等。近年来，人们对铥元素的研究越来越多，关于铥的应用也越来越多。1 d 2卫h 伫8 4 9 )n , i ( 1 2 8 1 )图2 5 铥离子能级简图f i g2 5s i m p l i f i e de n e r g yl e v e ld i a g r a mo f t m n铥离子是一个多能级系统【1 1 1 如图2 5 所示，在不同的泵浦光作用下离子产生不同的跃迁，所以会产生不同的激光放大。目前采用较多的波长为7 9 0 n m 、1 2 1 0 n m 、1 6 3 0 n m 来进行有效地泵浦，可以获得1 6 9 i n 2 1 9 m 左右的激光波长输出。在铥离9北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器子的能级中3 f 2 和3 f 3 能级较近，在计算中可以看做个能级来处理，0 、l 、飓、3 、m 、人r 5 、6 、7 是各个能级上的粒子数密度，用来表示粒子密度总数在2 0 0 5 年s t e p h a ng u y , a m j u r d y c 等a t 删详细论述了砌3 + 在z b l a n( z r f 4 b a f 2 l a f 3 a 1 f 3 n a f ) 玻璃中的吸收光谱，在低温下铥离子的吸收光谱如图2 6 所示，在7 9 0 n m ，1 2 0 0 n m 、1 6 3 0 n m 附近有三个吸收峰，分别对应3 矾、3 皿、3 e 三个能级，这是掺铥光纤激光器常用的泵浦波长。所以通常掺砌3 + 光纤激光器的泵浦方案，主要有三种：3 瓯一3 只、3 风一3 也、3 风一3 矾。1 21 08；6粤墨420- 2岛3生i3 r i3 7。2|电kl_一一卜|t一a1 f i 科蜘一tf”14 0 0 联d o1 0 1 约o1 4 e d o1 8 a ow 肭h g m ”m )图2 6 低温下1 m p 的吸收光谱图f i g 2 6a b s o r p t i o ns p e c t r u mo f t n ，i nl o wt e m p e r a t u r e在石英光纤中的吸收谱和发射谱【4 1 , 4 2 1 如下图2 7 所示：图2 7 石英光纤中t m 3 + 的吸收谱和发射谱f i g 2 7a b s o r p t i o ns p e e m l ma n de m i s s i o ns p e c t r u mo f t i n 3 + i ns i l i c af i b e r1 0北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器2 4 掺铥光纤激光器理论模型 1 1 , 4 3 , 4 4 4 s 4 6 1铥离子多个能级，其中激光器泵浦实现波长转换基本基于处于最低的四个能级，相应的激光器泵浦方案理论模型有三种：3 风一3 亿、3 风一3 e 、3 吼一3 也。三种泵浦方案中较为常用的是3 风一3 凰、3 风一3 风泵浦方式，下面我们对三种泵浦理论模型进行分析。2 4 1 瑰一溉泵浦方案当用泵浦波长为7 9 0 啪激光泵浦砌3 + 时，3 h 4 能级被激发，3 h r , 能级高于砌3 +上激光能级的3 只态，它通过光子自淬灭过程衰变成3 e 态，同时放出一个光子，把3 仇态的一个砌3 + 激发到上激光能级3 只态，3 只态砌3 + 向基态衰变，产生2 岬左右的激光输出。跃迁过程示意图如图2 8 所示p u m p 岛l o l 气0 1 313l图2 83 h 6 3 啦泵浦方案能级跃迁示意图f i g 2 8e x c i t a t e da n dt r a n s i t i o n a lp r o c e s so ft h eh r l 6 3 i - 1 4p u m p i n gs c h e m e则光纤中任意点的速率方程为：警= 喜4 f 。m + 乃m 一o c r c r + 彤。l 一。o( 2 4 1 )警= 喜4 。m + 兄2 一( 4 。+ 乃) t + 2 c r + 2 c r 一彬。i + 。o( 2 4 2 )5，肌既砺33北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器警咆3 + 乃3 ( 赛”枞一c a ,( 2 4 3 )警氓o ( 嘉 挑一c r ,( 2 4 4 )其中a 矿代表自发跃迁几率，以非辐射跃迁几率，记为泵浦吸收几率，c a ,是交叉弛豫项。若能级l 、3 的能级寿命分别为f 。、乃，则4 。= 1 l 、a 如= 1 f 加、a ，。= l c ，在计算中光纤长度上的前向或后向传输的泵浦光功率记为b ，( z ) ，前向或后向传输的激光光功率记为s r ( z ) ，厂和，分别代表前向和后向。, r= 告( 乃) 弓( z ) + e ( z ) 】( 2 4 5 )w i o 告吒( 伽_ ( z ) + 母( z ) 】( 2 4 6 )- 2 告吒( 以) 一( z ) + 墨( z ) 】( 2 4 7 )乃、五分别是泵浦波长和产生的激光波长，r p 、r ，分别为泵浦光和激光的功率填充因子，j l i 是普朗克常数，c 是光速，彳是纤芯截面积，( 五。) 和( 以) 分别为泵浦光波长为五p 和激光光波长为以时的3 h 6 3 h 4 跃迁吸收截面，伊。( 以) 代表输出激光波长为屯时的受激发射截面，交叉弛豫项如下：c 蜀= 毛i 们3 o 一毛3 i o 1 2 ( 交叉弛豫：3 h 4 ，3 h 6 _ 3 f 4 ，3 f 4 )( 2 4 8 )c r 2 = k 2 m ! 2 “一k n o l 2 n ? ( 交叉弛豫：3 h 5 ，3 h 6 3 f 4 ，3 f 4 )( 2 4 9 )其中毛、毛，柏、屯。、毛。：是交叉弛豫系数。泵浦光在光纤中的传输方程为：掣= 刚z ) ( 以) o ( z m 】( 2 4 1 0 )产生的激光在光纤中的传输方程为：塑乏堕= 墨，( 硝吒( 五) l ( z ) 一( 以) “( z ) 一t 】( 2 4 1 1 )其中、疋分别是泵浦光和激光的本征吸收系数，传输方程中的“+ 表示沿光纤正向传输，。一一表示沿光纤反向传输。要求解上述方程就必须要边界条件。1 2北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器双包层光纤激光器线性腔的边界条件为：弓( o ) = 圪。幽甜+ 墨p ( o )8 ( l ) = r p ( l )( o ) = r s ( o )s a l ) = r 一( 己)( 2 4 1 2b )( 2 4 1 2d )其中：圪。蒯是耦合进光纤的泵浦光功率，墨、r 分别是泵浦光在前后腔镜处的反射率，r 、r 分别是激光在前后腔处的反射率，为双包层激光器光纤长度。为了求解泵浦光与激光的传输方程，需要求出稳态下各个能级上的离子数表达式再代入传输方程，利用龙格库塔法，在边界条件的限制下利用打靶法就可以求出方程的数值解，求解过程如下。由于3 h 5 能级上离子的衰减时间为0 0 0 7 # s 远远小于3 h 4 、3 f 4 上的衰减时间，故2 的数目可以忽略不计，冬华：0 ，华：o ，华：o 可得：d td td t4 。l + 如3 + 乃l 一，o c r , + 彤。m 一n o = 0( 2 4 1 3 )4 。3 一( 4 。+ 乃) l + 2 c 墨一o i + w o 。“= 0( 2 4 1 4 )3 o 一( 4 0 + 4 + 乃) 3 一c 弓= 0( 2 4 1 5 )n o + l + 3( 2 4 1 6 )以上三个速率方程是一个齐次线性方程组，其中式子( 2 4 1 5 ) 可以由式( 2 4 1 3 ) 和( 2 4 1 4 ) 推导出来，要求解d ，的值，要利用到粒子总数为恒定值这一关系式，式( 2 4 1 3 ) 2 + ( 2 4 1 4 ) 得：( 一i 一2 w o ，) 0 + ( 4 0 + 乃+ 彤o ) v , + ( 2 4 0 + 4 ) ( 一矾一m ) = 0( 2 4 1 7 )整理得到：n ：鱼塑塑必l + 型盎红一(24on1 8 )o + 2 w o ，+ 2 厶+ 4 l1彬o + 2 + 2 4 0 + 4 l钒= 筹舒尝骨则上式可写为：，q 2 瓦历2 磊a 3 0 + 丽a 3 ,1 3北京交通大学硕士学位论文双包层光纤及掺铥光纤激光器o = 昂。i + 级( 2 4 1 9 )将o 代入式子( 2 4 1 4 ) 得到：- ( b n i + q ) 一( 4 。+ 一+ 彤。) i + 4 - ( i 一