（物理电子学专业论文）双波长激光器及光纤激光器与光纤放大器研究.pdf

摘要 摘要 全固态激光以其体积小、效率高以及全固化等特点在工业、医疗、军事和科 研等领域中发挥着越来越重要的作用，己成为应用激光器中的主流，对此方面的 研究正逐步细化与深入。同时，作为新兴激光器中重要的代表光纤激光器也 展示出了高光束质量，高转换效率以及良好的散热性和紧凑的结构等特有的优 点，对此进行研究同样具有积极的意义。本文的研究工作集中在全固态双波长激 光器、光纤激光器和放大器上，主要创新点可以归纳如下： l 、对侧面泵浦全固态双波长激光器进行了理论研究，建立了双波长运转激 光器的速率方程，并从激光工作物质的光谱和材料特性以及激光腔结构等方面分 析了影响双波长运转的因素，在分析过程中，引入了模式损耗差异因子，从原理 上解释了双波长运转中两波长激光光束质量的差异。 2 、对光纤激光器阈值和功率传输特性理论进行了分析，并对线性腔结构光 纤激光器进行了实际的数值模拟于分析，获得了对应固定泵浦功率的最佳掺杂光 纤长度。 3 、对光纤放大器的泵浦光及信号光的功率传输特性以及脉冲展宽进行了模 拟，对不同信号光注入方式的优缺点进行了比较，对优化光纤放大器实验方案具 有指导意义。 4 、利用激光二极管模块侧面面泵浦n d ：y a g 晶体实现1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 n m 双 波长同时运转，获得了两波长各4 0 w 的同时输出，据我们所知，这是目前采用 侧面泵浦方式获得的最高输出功率指标。 5 、利用k t p 晶体对单激光晶体双波长运转的激光器进行内腔、外腔和频以 及复合腔双激光晶体激光器内腔和频进行研究，通过实验结果比对获得最佳晶体 角度以及最佳和频方案。 6 、利用保偏双包层掺钕光纤获得7 3 5 w 连续1 0 6 0 n m 激光输出，光一光转 换效率达到5 8 _ 3 ，输出光偏振程度为o 5 2 。分析了不同光纤弯曲形状以及缠绕 半径对激光输出功率以及偏振程度的影响。国内尚为看到此方面的报道。 7 、研制了高增益，低噪声的掺钕光纤放大器，小信号增益达2 4 d b ，噪声系 天津大学博士学位论文 数小于8 d b 。 关键词：全固态，双波长，n d ：y a g ，和频，k t p ，黄光，光纤激光器，光 纤放大器 a b s t r a c t l a s e rd i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r sh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e f f i c i e n c y , c o m p a c t n e s s , s t e a d i n e s s ，l o n gl i f e t i m ea n da l ls o l i d - s t a t ec o n s t r u c t i o n i t h a sw i d ea p p l i c a t i o n si nm a t e r i a lp r o c e s s i n g , m i l i t a r y , m e d i c a lt h e r a p e u t i c s , b a s i c r e s e a r c h , e t e ，t h er e s e a r c ho i lt h i sa r e ah a sb e e ns u s t a i n e da n dm a n yn e wc o n t i n u a t i o n c o m ef r o mi t f i b e rl a s e rh a sb e c o m ead e v e l o p i n gf o c u so f n o v e ls o l i d - s t a t el a s e r s 勰 t oi t sm a n ya d v a n t a g e s ：p e r f e c tb e a mq u a l i t y , h i g hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , g o o dh e a t r e j e c t i o na n dc o m p a c t n e s sc t c ，i n v e s t i g a t i o n0 1 1 1f i b e rl a s e ra n df i b e ra m p l i f i e ri sa l s o m e a n i n g f u lf o rt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，m e t a lp r o c e s s i n g , m a r k i n ga n db a s i c r e s e a r c h t h i st h e s i sf o c u so na l ls o l i dd u a l - w a v e l e n g t hl a s e r , f i b e rl a s e ra n df i b e r a m p l i f i e r t h em a i nc o n t e n t a n d k e yc r e a t i o np o i n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ca sf o l l o w s ： 1 t h et h e o r yo fa l ls o l i ds i d e - p u m p e dd u a l - w a v e l e n g t hl a s i n gi s i n v e s t i g a t e d ， t h el a s e rm a t e r i a l ，s p e c t r u mc h a r a c t e ra n d c a v i t yc h a r a c t e ra r er e s e a r c h e di nd e t a i l t h em o d el o s si si n t r o d u c e di nt h ea n a l y s i sa n dt h er a t i o n a le x p l a n a t i o no ft h eb e a m q u a l i t yd i f f e r e n c eo f t h et w ow a v e l e n g t hi sg i v e n 2 t h et h r e s h o l da n dp o w e rt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e ro ff i b e rl a s e ri sg i v e n ，t h e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o no fl i n e a rc a v i t yf i b e rl a s e ri sc a r r i e do u t t h eo p t i m a lf i b e r l e n g t hf o raf i x e dp u m pp o w e ri sp r e s e n t e d 3 t h ep o w e rt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e ra n dp u l s eb r o a d e ni nf i b e ra m p l i f i e ri s p r e s s e d t h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so fd i f f e r e n ts i g n a li n j e c t i o na 陀a n a l y z e d a n di ti sag u i d ef o ro p t i m i z a t i o no f t h ee x p e r i m e n tp l a n 4 ad u a l - w a v e l e n g t hc wd i o d e s i d e p u m p e dn d ：y a gl a s e rt h a tg e n e r a t e s s i m u l t a n e o u sl a s e ra c t i o na tt h ew a v e l e n g t h s1 0 6 4 n ma n d1 3 1 9 n mi sd e m o n s t r a t e d t h ec wd u a l - w a v e l e n g t ho u t p u tp o w e rr e a c h e sa sh i g ha s8 5wa n de a c hw a v e l e n g t h s o u t p u tp o w e re x c e e d s4 0 w ：w h i c hi st h eb e s tr e c o r d 豁w ek n o w n 5 t h es u m f r e q u e n c yc r y s t a lt h a tw es e l e c t e di sk t p , w ee x p e r i m e n tt h ei n n e r c a v i t ys u m - - f r e q u e n c ya n do u t e rc a v i t ys u m f r e q u e n c yi nd i f f e r e n tc a v i t i e s 天津大学博士学位论文 i n d i v i d u a l l y f i n a l l yw eg e tt h eo p t i m a lc r y s t a la n g l ea n ds u m - f r e q u e n c ye x p e r i m e n t p l a n 6 w e e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e da h i g h - p o w e r , h i g h e f f i c i e n t c o n t i n u o u s - w a v ep o l a r i z a t i o nm a i n t a i nf i b e r l a s e ra t1 0 6 0 n mw i t hap o l a r i z a t i o n m a i n t a i nd o u b l ec l a dn dd o p e df i b e r am a x i m u mo u t p u to f7 3 5 wi so b t a i n e d ， s h o w i n gas l o p ee f f i c i e n c yo f 5 8 3 i ti st h ef i r s tr c l 0 r ti nc h i n a 7 ah i g hg a i n 1 0 wn o i s en dd o p e df i b e ra m p l i f i e ri sd e m o n s t r a t e d s m a l l - s i g n a lg a i nr e a c h2 4 d ba n dn o i s ef i g u r el e s st h a n8 d b k e yw o r d s ：a l ls o l i d ，d u a l - w a v e l e n g t h ，n d ：y a g , s u m f r e q u e n c y , k t p , y e l l o w l a s e r , f i b e rl a s e r , f i b e ra m p l i f i e r 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，也不包含为获得基鲞盘鲎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已在论文中 作了明确地说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孩菇，签字日期：护6 年 7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎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) 学位论文作者签名： 弘强 一名牛 变 签字日期：扫6 年7 月日签字日期：口年7 月7 日 第一章综述 第一章综述 激光是近代科学史上最伟大的发明之一。自1 9 5 8 年肖洛( a s c h a l o w ) 和 汤斯( c t o w n e s ) 首篇描述光频下产生激光作用条件的论文以及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，固体激光器就一直处于激光技术研 究的中心地位。它不仅对传统学科和技术的发展产生了巨大的影响，而且还开创 了许多新兴的领域。进入八十年代，半导体激光器( l d ：l a s e rd i o d e ) 及其阵 列( l d a ：l a s e r d i o d e a r r a y ) 研究工作的巨大进展极大地推动了固体激光器件、 技术及应用的发展。各类激光工作物质不断的涌现以及晶体生长技术的不断发展 促使激光产业迈向成熟，激光研究趋向于多元化。作为新兴激光器中重要的代表 光纤激光器以其高光束质量，高转换效率以及良好的散热性和紧凑的结构等 特有的优点吸引了越来越多的研究者的注意力，近期的研究结果也证实光纤激光 器在多个性能指标上与传统激光器的可比性，光纤激光器作为激光发展的重要一 环，其地位已不容否认，并且在某些方面已显现出其不可替代的作用。同时对于 传统的全固态激光器，人们也从不同的方面进行了更为深入的研究，如全固态双 波长激光器以及在此基础上的和频技术就是一个比较重要的方向，本文所记述的 研究工作包括了在光纤激光器和传统l d 泵浦固体激光器这两个方面。 1 1 全固态双波长激光器及和频技术综述 1 1 1 双波长激光器概述 以全固态激光器为基础发展而来的双波长激光器，因其在光通讯、光动力学 医疗、光计算、非线性频率变换、军事对抗、环境监测、激光遥感、激光雷达及 光谱学研究等许多重要领域的广泛应用，受到越来越高的重视，双波长激光运转 已经成为重要的研究方向，国内外多有报道，获得双波长的方法有很多种，大致 可归至以下几类中： 1 固定波长运转的激光器基频光及其频率变换光同时输出1 1 j 【2 1 1 3 1 【4 j 。 这是一种相对较为成熟的技术，通过对i 古i 定波长运转的激光器基频光的倍 频，以其作为泵浦光激发其他工作物质产生其他波段激光或拉曼频移等手段可以 相对较容易获得两个波长，其相关理论较为完备，实现起来没有太大的困难。这 种技术中所使用的的激光介质既包括窄带发射的晶体如y b h ：y a b 、n d ：y a g 、 n d ：y v 0 4 等晶体，也包括了宽带发射的激光晶体如红外色心晶体、c ，：m 9 2 s i 0 4 和t i ：s a p p h i r e 等，而在拉曼频移双波长激光器中，传统的激光晶体和光纤都有报 道。延英，罗玉等人1 2 1 利用五镜环形谐振腔结构采用低掺杂n d ：y a p 晶体和k t p 天津大学博士学位论文 内腔倍频实现稳定的1 0 2w 绿光和7 0 0 m w 红外光连续双波长激光输出。王加贤， 吕风萍等人1 3 j 在由两个平凹腔耦合而成的复合腔中，实现1 0 6 p r o 和1 4 4 p m 两个波 长的同时输出，其中c r 4 + ：y a g 晶体既作为可饱和吸收体对n d ：y a g 发射的1 0 6 p m 激光被动调q ，又作为增益介质在1 0 6 9 i n 激光脉冲作用下发射中心波长 1 4 4 p m 的激光脉冲。 拉曼频移激光器是当前获得新波段激光研究的主要手段之一，也是当前激光 器研究中一种备受重视、发展很快的激光器。在产生拉曼效应的材质选择上，包 括气体( 如c m ) 、固体如l i l 0 3 、a a o q 0 3 h 、k g d ( w 0 4 ) 2 等拉曼材料( 理论上任 何物质在足够强的光照条件下都可产生拉曼效应) 。例如2 0 0 2 年万勇，韩凯等人 4 1 利用( n d ，c e ) ：y a g 晶体和喇曼高压池，采用外腔拉曼频移的方法实现了频率 为1 5 h z 、1 5 4 p m 1 0 6 p m 混合输出脉冲能量大于2 0 m j 双波长激光输出。1 9 9 7 年 c h u a nh e 等人报道了使用调q 的n d ：y a g 倍频5 3 2 n m 脉冲激光对b a ( n 0 3 ) 2 拉曼晶 体作用产生了分别对应第一级s t o k e s5 6 3 n m 位移激光和第二级s t o k e s5 9 9 n m 激 光，分别获得2 5 m j 和3 2 m j 的输出能量 5 1 。2 0 0 4 年澳大利亚m i l d r e n 等人【6 】同样使 用5 3 2 n m 激光对不同方向的k g d ( w 0 4 ) 2 拉曼晶体抽运实现了黄色到桔黄色多条 谱线的输出，获得了最高3 9 6 m w ( 5 8 9 n m 处) 的脉冲功率。现在更多的研究趋向 于利用光纤波导结构获得拉曼光输出。图1 1 显示了这类激光器的结构。由于当 前光纤技术的发展，以这种方法实现的双波长输出将是大功率激光获得的主要手 段。 、 万? j 、 审 一二盖二。氏m m t j 立。丝：日i 鼙、m 罾 蒜熙吾“ 图l l 拉曼频移双波长激光器结构示意图 2 基于激光介质的宽带发射光谱的激光器发射的光，通过选频器件实现双波 长运转。 7 1 1 8 l 此技术要求激光介质具有较宽的发射谱线，通过选频器件实现固定或连续可 调谐的两波长运转。涉及到选频技术中两常用术语：调谐与滤波。所谓激光调谐， 是指激光在增益介质发射谱带宽范围内，实现激光频率( 波长) 连续可变的技术， 也称连续可调谐技术，简称调谐技术。可调谐激光器中的滤波技术，主要1 3 的有 二：一是滤去背景光，主要是放大自发辐射( a s e ) ，提高激光输出的信噪比， 如脉冲染料激光系统中的棱镜色散滤波和光栅衍射滤波等；二是压窄输出激光线 第一章综述 宽，提高激光分辨率、相干性，即所所谓线宽压窄技术，如可调谐激光系统中的 腔内外标准具干涉滤波及扩束棱镜色散滤波等。选频方法主要基于色散和干涉两 种原理。基于色散原理的光学元件，有棱镜、光栅等；基于干涉原理的元件，有 干涉仪和双折射滤光片等。运用选频方法实现的双波长输出带宽较窄，具有在给 定的范围内波长可调的优势，但对选频器件要求较高，且两波长不易实现高功率 输出。 3 基于激光介质的发射谱的两个发射峰实现双波长输出。 9 - 1 2 0 对应于此类的激光介质有很多种，如n d ：y a g 、n d ：y l f 、n d ：y v 0 4 、n d ：y a p ， e r ：y a g 等，具有多个分立的吸收峰和发射峰且发射峰宽度有限，大多数激光晶 体都归为此类。以n d ：y a g 为例，图l 一2 为其在近红外波段的发射谱线，我们 可以看到以1 0 6 4 n m 、1 3 1 9 r i m 和9 4 6 n m 三条谱线最为突出。我们可以利用其中 的两条谱线实现双波长同时输出，相对于传统的只利用其中一条发射谱线产生激 光，双波长输出是对此类激光介质应用的一种拓展。 图卜2 实验用n d ：y a g 激光棒的荧光光谱图 以此种方法实现双波长运转的报道并不多见，在实现双波长运转的材料特点 和双波长振荡理论方面的研究上，s h e nhy 等人较为详细地研究了双波长同时 振荡对介质材料理化性能的要求，对比了几种含n d 3 + 离子的激光材料的双波长 各自对应的截面积和其他晶体物理和激光物理参数 9 - 1 1 ，对双波长晶体激光器的 研究提供了有益的指导。中国台湾交通大学的yfc h e n 等人【1 2 】采用单个 n d ：y v 0 4 晶体和单通道直线型二镜和三镜双腔结构( 由图1 3 给出) ，实现了 连续的n d ：y v 0 4 双波长1 0 6 4 n m 和1 3 4 2 n m 激光振荡。 9 天津大学博士学位论文 o c i f j 妊i 呻4i 拍 图1 3l d 端面泵浦n d ：y v 0 4 输出1 0 6 4 姗和1 3 4 2n m 激光波长的腔结构示 意图 2 0 0 4 年底至今，长春光学精密机械与物理研究所报道了利用l d 抽运 n d ：y a g 或n d ：y v 0 4 晶体，分别采用了线性腔和复合腔结构，在不同的非线性晶 体中实现了双波长和频光的连续输出【1 3 - 1 6 ，南京大学等单位研究7 l d 抽运 n d ：y v 0 4 产生1 3 4 2 n m 和1 0 6 4 n m 的双波长输出然后通过准相位匹配的l i t a 0 3 晶体 实现了6 7 l 舢、5 9 3 n m 、5 3 2 n m 、4 7 7 n m 的四波长激光输出，但功率和效率低【8 】。 我们所在的天津大学激光与光电子研究所报道了利用n d ：y a g 晶体侧面泵浦实现 了1 0 6 4 n m 和1 3 1 9 r i m 双波长连续运转，每一波长的功率指标均超过了4 0 w ，在国 内处于领先水平【1 乒捌。 1 1 2 和频技术概述 和频技术是非线性光学频率变换技术中重要的一环，是一种扩大高功率激光 器应用范围的有效技术。它利用光学介质在强辐射场下的二阶非线性效应产生新 的频率，是一种弹性的过程。当光波在介质中传播时，电子和原子将对光波的电 磁场做出响应，使电荷的时间和空间分布发生变化。电场对带电粒子的影响主要 是使价电子从它们正常的轨道上偏移出来。由此形成了电偶极子，其宏观表现就 是极化，偶极予产生再辐射，在强光作用的非线性条件下，产生畸变的再辐射波 就具有和原始波不同的频率，从而产生了新的频率。介质与激光电场相互作用的 非线性极化强度与入射电场的关系可以采用下面的级数形式表示： p = 岛z m e + e o l ( x t 2 ) e ) e + ( ( x o e ) e l e + i = e + i k ( 1 - 1 ) 其中z l o 是第i 阶极化率或线性极化率，是i + l 阶张量；耽和p 工分别是线 性和非线性极化强度。当光电场强度很低时，可以忽略非线性项p ，只考虑线 1 0 第一章综述 性项凡，这就是通常线性光学问题；当光电场很强时，必须考虑非线性项p 舭： 产) 项表示二阶非线性极化效应，对应于二阶非线性极化效应的三种光波相互作 用过程包括光学倍频产生、光学和频产生、差频产生、光学参量放大和光学参量 产生。妒项是表示三阶非线性极化效应，三阶非线性效应包括四波混频效应、 双光子吸收效应、受激拉曼效应以及受激布里渊效应。在我们的实验中主要是利 用光学和频效应来获得高功率的二次谐波输出。 1 1 3 和频晶体概述 可用于和频的晶体有很多，这里只对最常用的钛氧磷酸钾( k t i o p 0 4 ，k t p ) 、 三硼酸锂( l i b 3 0 5 ，l b o ) 、偏硼酸钡( 1 3 - - b a b 2 0 4 , b b o ) 进行简要的介绍。 1 1 3 1 k t p k t p ( k t d p 0 4 ) 晶体是一种新型的非线性晶体材料，正双轴晶体，具有较 高的非线性系数，较宽的光学透明谱，高损伤阈值，且物化性能稳定，易于切割、 抛光及镀膜。k t p 晶体因其优良的性能，被广泛地应用于倍频、混频及参量振 荡等频率变换过程，成为固体激光器非线性实验中主要的选择材料，已经被广泛 用于发射l i x m 左右波长的n d 激光器二次谐波的产生。 表1 1k t p 的物理和化学特性 晶格结构正交 点群m m 2 晶格常数 a = 0 6 4 2 0 n m ，b = 1 0 6 0 4 n m ，c = i 2 8 0 8 n m 熔点1 1 5 0 u 时部分分解 莫氏硬度稍大于5 密度 3 o l g ，c m 比热 o 1 7 3 7 c a l g c ( 1 c a l = 4 1 8 6 8 j 1 透光波段3 5 0 - - 4 5 0 0 n m 10 6 4 - - 5 3 2 n m 倍频最佳相位0 = 9 0 。，矿= 2 3 6 。 匹配 有效- | e 线性系数1 7 5 5 l 仃8 e s u 破坏阈值3 0 0 - - 5 0 0 m w c m 2 ，10 0 - - 2 0 0 m w c m 2 电光系数见表2 ，其中：。= r 3 ，一( 以以) 3 ， 2 = 3 一( n ：) 3 r 2 3 非线性光学系数 d 3 i = 6 5 ，d 3 2 = 5 0 ，以3 = 1 3 7 ，也l = 6 5 ，d 2 4 = 7 6 ( 1 0 + 1 2 m v ) d 1 5 = 6 1 天津大学博士学位论文 表i - 2 k t p 的电光系数 kr 3 3r 5 1 r 4 2 r , wr e 2单位 i 低频9 51 5 73 6 37 39 32 8 62 2 2p m n i 高频8 81 3 83 5 06 98 82 7 o2 1 5 p m v 表1 3k t p 晶体的热光系数 波长( n m ) x y z 5 3 2a2 7 93 2 54 9 6 b1 8 5 4 1 6 4 7 0 6 6 0a2 7 13 0 14 0 7 b1 8 43 0 24 1 5 l o “ a 2 2 02 5 9 4 2 8 b1 5 82 5 o3 2 1 1 3 2 0a2 2 81 3 13 2 o b1 4 61 9 63 4 9 1 1 3 2 l b o l b o 晶体也是由中国科学院福州物质结构研究所研制成功的，l b o 晶体是 用于紫外波段的优良的非线性晶体之一。l b o 具有宽的允许角及小的走离角， 宽的i 类及i l 类非临界相位匹配范围。它已经成功应用于y a g ，j 及y a p 等 激光的二倍频及三倍频，以及钛宝石激光的倍频和由5 3 2 n m ，3 5 5 n m 及3 0 8 n m 泵浦的o p o 及o p a 。目前可提供的晶体尺寸可达1 0 r a m x1 0 r a m 1 5 m m ，通光 尺寸最长可达2 5 m m 。 表l - 4l b o 的主要特性 晶体结构 正交 空间群p n a 2 l 点群m m 2 晶格常数口= 0 8 4 4 7 3 n m , b = o 7 3 7 8 8 n m c = 0 5 1 3 9 5 v n m ，z = 2 熔点 8 3 4 莫氏硬度6 密度 2 4 7 9 c m 透光波段1 6 0 - - 2 6 0 0 n m ( 如图2 4 0 所示) 光学均匀性 f 新l o _ 6 c m 有效非线性系数( s h g )约为k d p 的j 倍 破坏闽值1 8 9 g w c m 2 ( 五= 1 0 5 4 n m , r = 1 3 n s ) 1 2 第一章综述 l 非线性系数 d 3 3 o 6 l ( 计苎值) ，o ”“o 1 ) ( 试验值 如= 2 6 9 ( 计算值) ，2 9 7 ( 1 o 0 9 ) ( 试验值) 以= - 2 2 4 ( 计算值) ，2 7 5 ( 1 o 0 8 ) ( 试验值) l l b o 晶体具有较高的破坏阈值，适合于应用在大功率泵浦情况下，它与几 种主要晶体破坏阈值的比较见表5 ，条件为五= 1 0 5 3 o n ，f = 1 3 n s 表1 5 几种主要晶体破坏阈值的比较 晶体种类能量密度功率密度 比率 ( j e m 2 ) ( g w e m 2 ) k t p 6 04 6l b b o1 2 99 92 1 5 l b 0 2 4 61 8 94 1 0 * k t p 为助溶剂法生长 l b o 晶体属于双轴晶体，其i 类及l l 类匹配时在整个波段上的最佳相位匹 配角p ( 或妒) 的值由图4 给出。由图可见，l b o 晶体的i 类匹配，基波从5 5 5 n m 到3 2 3 0 n m 可实现最佳相位匹配，得n - - 次谐波从2 7 7 5 n m 到1 6 1 5 r i m 。匹配分 为三个区域，分别处于x o y 平面( 0 = 9 0 。) ，x o z 平面( 矿= 0 。) 及x o y 平面 ( 0 = 9 0 。) 。双轴晶体的有效非线性系数的计算也很复杂，该系数在基波波长为 1 1 5 0 n m 及1 8 0 5 n m 时有最大值，此时对应匹配方向为x 轴。当基波波长为5 5 5 n m 及2 3 3 0 n m 时，匹配方向为y 轴，不过此时有效非线性系数为0 ，无实用价值。 在靠近5 5 5 n m 处有效非线性系数也极低。这是l b o 使用中的一个困难。采用和 频时，可获得很短的波长( 如接近1 8 0 n m ) 。l b o 晶体是用于宽调谐及高功率 o p o 及o p a 的优良非线性晶体，可以用n d ：y a g 二倍频、三倍频或x e c i 准分 子激光( 3 0 8 n m ) 作为泵浦源。 缀 一 裂 图i - 4 l b o 晶体i 类( a ) 及i l 类( b ) 匹配时最佳相位匹配角口( 或) 1 1 3 3 b b o 由中国科学院福州物质结构研究所首先研制成功的b b o 晶体是迄今为止可 用于紫外波段的最优良的非线性晶体之一。它己广泛应用于n d ：y a g 激光的二 天津大学博士学位论文 次、三次、四次及五次谐波产生( 分别可得5 3 2 n m ，3 5 5n m ，2 6 6 姗及z 1 3 n m 的相干辐射) ，染料激光的二次及三次谐波，t i ：a 1 2 0 3 激光及a l e x a n d r i t e 激光 的二次、三次及四次谐波，光学参量振荡器( o p o ) 及光学参量放大器( o p a ) ， 氩离子、铜激光器及红宝石激光器的倍频等方面。目前可以提供的晶体的最大长 度为2 5 m m ，尺寸可以达到1 5 m m x1 5 m m x1 5 m m 左右。 b b o 晶体具有小的允许角及大的走离角，因此为了得到高的转换效率，控 制激光束具有好的光束质量( 小的发散角及好的模式) 将是十分关键的问题，使 用b b o 晶体时不宜采用很强的聚焦。此外，b b o 有一定的潮解，解决方法是表 面镀防潮膜或在b b o 晶体的支架内设有一定的加热装置。 表! - 6 b b o 的主要特性 晶格结构三角，空间群r 3 c 晶胞参数 d = b = 1 2 5 3 2 n m , c = i 2 7 1 7 n m g = 6 熔点 1 0 9 5 5 转变温度 9 2 5 5 吸收系数 o 1 0 d c m ( 在波长1 0 6 4 r i m 处) 莫氏硬度4 密度3 8 5 e , c m 3 比热 i 9 1 j ( c m 3 k 1 潮解较低 透光波段 l8 9 3 5 0 0 n m 相位匹配波段4 0 9 6 3 5 0 0 n m 光学均匀性 新l o - 6 c m 温度带宽 5 5 非线性系数4 l = 5 8 x 丸( k d p ) d 3 l = 0 0 5 x 吐l 以i 0 0 5 x d i l 电光系数 r j l = 2 7 p m vr n ，r 3 l o i f i l 半波电压4 8 k v ( 在波长1 0 6 4 n m ) 热光系数d n o d t = 一9 3 x 1 0 。k 矾d r = 一1 6 6 x 1 0 。k 热光系数( 2 0 - - 9 0 0 c 范围) c ( 11 ) ，4 x1 0 。kc ( 3 3 ) ，3 6 x1 0 4 k 热导率c o1 ) ，0 0 8 w m kd 3 3 ) ，0 8 w m k 有效非线性系数( s h g )约为k d p 的6 倍 破坏阙值 1 0 6 4 n m ：5 g w c m 2 ( 1 0 n s ) ，1 0 g w c m 2 ( i 3 n s ) 5 3 2 n m ：i g w c m 2 ( 1 0 n s ) ，7 g w c m 2 ( 2 5 0 p s ) 1 4 第一章综述 b b o 晶体广泛用于染料激光的三倍频及和频。到目前为止，使用b b o 晶体 最短已获得深紫外( 波长1 8 8 9 一1 9 7 i n t o ) 的输出，脉冲能量为8 w ( 波长1 8 9 n m ) 及9 5 t j ( 波长1 9 3 n m ) 。b b o 晶体有轻度潮解性质，所以表面镀以保护膜十分 重要，在9 5 的湿度时膜层的寿命为4 个月，如湿度低至8 0 0 时，膜层的寿命 更长。这种晶体破坏阈值大于7 0 w e r a 2 ( 波长为1 0 6 4 r i m ，脉宽3 0 p s ) 及l g w c m 2 ( 波长为5 3 2 n m ，脉宽i o n s ，重复频率1 0 h z ) 。表面保护膜的投射波段应在2 0 0 - - 3 5 0 0 r i m 范围内。b b o 晶体可在1 0 6 4 n m 及5 3 2 n m 两个波长上镀以单带或双带 增透膜，残余反射率应该小于o 4 ，破坏阈值为7 g w e m 2 ( 3 0 p - s ) 及1 g w e r a 2 ( i o n s ) 。b b o 晶体质地较软，在表面抛光时要注意防护。 通过对比以上三种常用非线性晶体的特性，综合考虑晶体各参数影响，在实 验中我们选择了k t p 作为和频晶体。 1 2 光纤激光器综述 1 2 1 光纤激光器的发展 光纤激光器是在e d f a 技术基础上发展起来的技术。早在1 9 6 1 年美国光学公 司的e s n i t z e r 等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作但由于相关条件的限 制其实验进展相对缓慢。而8 0 年代英国s o u t h h a m p t o n 大学的s b p o o l e 等用m c v d 法制成了低损耗的掺铒光纤则为光纤激光器带来了新的前景。近期随着光纤通信 系统的广泛应用和发展，超快速光电子学非线性光学，光传感等各种领域应用的 研究日益兴盛，其中以光纤作基质的光纤激光器在降低阈值、振荡波长范围、波 长可调谐性能等方面已明显取得进步，是目前光通信领域的新兴技术。它可以用 于现有的通信系统使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和 未来相干光通信的基础。 利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命 性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器，因此光纤激 光器可在光纤放大器的基础上开发。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土 元素的光纤作为增益介质，由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下 光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级粒子数反转，因此当 适当加入正反馈回路构成谐振腔便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽 的荧光谱，因此光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于w d m 系统应用。 和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结 构，可容强泵浦，具有高增益转换效率、高阀值、输出光束质量好、线宽窄、结 构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤耦合。 天津大学博士学位论文 1 2 2 光纤激光器的种类 对于光纤激光器的分类有很多种，如可根据光纤激光器的谐振腔采用的结构 可以将其分为f a b r y - p e r o t 腔和环行腔两大类；可根据输出波长数目可将其分 为单波长和多波长等。下面我们以光纤激光器输出光类型对其进行分类并进行简 要的概述。 1 2 2 1 连续运转光纤激光器 稀土掺杂光纤激光器最旱出现在十九世纪六十年代f 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 1 。早期的光纤激 光器是用激光光源作为其泵源。激光泵浦源通常选择传统激光器如n d ：y a g 激光 器和氩离子激光器等，都非常庞大和昂贵，并且效率也很低，所以稀土掺杂光纤 装置因为这点而变得毫无优势可言。在二十世纪八十年代，这种情况随着低损耗 稀土掺杂单模硅光纤实现有了改变 2 4 1 1 2 5 1 1 2 6 1 。掺铒光纤放大器( e d f a ) 的实现以 及在光通信系统中的大量应用吲推动了稀土掺杂光纤技术的发展，同样，对结构 紧凑，廉价和高效率的激光泵浦源的追求也促进了单模激光二极管生产技术的成 熟。所有这一切为光纤激光器奠定了良好的基础。 高功率装置与高增益低功率装置( 如e d f a ) 不尽相同，低的工作阈值与高 增益效率以及细的单模纤芯对低功率装置非常重要，但对高功率装置却不是这 样。相反，对于高功率的光纤激光器，单模纤芯反而制约了高功率运转。最初的 光纤激光器结构简单，把泵浦光和运转光通过光纤的波导结构都限制在纤芯中， 所以泵浦源必须选择单模的激光二极管。单模的激光二极管的低功率把光纤激光 器输出功率限制在1 w 左右。包层泵浦技术从结构上发展了一种全新的方式来解 决了这个i 1 题2 s l ，包层泵浦光纤激光器不要求单模泵浦源，但同样能产生单模的 激光输出。泵浦光被限制在内包层，这种光纤称为双包层光纤( d c f ) 。如图l - 5 所示。 c l a d d i n g 图1 5 双包层光纤结构示意图 双光纤的几何结构也具有优势，在内包层n a 足够大以满足泵浦光进入的前 提下，泵浦结构紧凑，且工作阈值低。工作物质几何尺寸的拉长，以及对泵浦光 和信号光的波导结构造就了双包层光纤激光器优越特性并使之适用于高功率运 1 6 第一章综述 转。 光纤激光器输出功率的提高受到多方面因素的限制，如泵浦功率、转换效率、 光纤的结构尺寸、光纤的材质特性等。主要可从输入的泵浦功率、耦合方式和光 纤所能承受的功率三方面讨论。 a 泵浦功率 假设光纤激光器是简单的端面泵浦结构，在可能的情况下，为保证高功率输 出，我们希望泵浦功率越大越好。当泵浦能量为k w 量级时，光纤才能达到自 身承受的极限，二极管阵列对这一能量水平的激光器是非常合适的。以英国南安 普顿为例，他们的激光二极管阵列可实现约0 4 k w 输出功率输出，输出光可汇 聚到0 4 m m 直径的光纤内包层中，光纤数值孔径n a 为o 3 。如果内包层的尺寸 和n a 更大，则可使更多的泵浦光汇聚到光纤内。内包层直径达到l m m 是实际 可行的，但更大就会遇到制造中的困难。如果光纤内包层直径达到原来的2 5 倍， 在泵浦光亮度足够的情况下，可把2 5 k w 的泵光耦合到光纤中去。但通常泵源 功率越大，亮度越差，抵消掉了大数值孔径所带来的耦合优势，所以可以把2 5 k w 看作是现今端面泵浦双包层光纤结构能实现的泵浦功率的上限。 b 耦合方式 不同耦合方式对应的耦合效率是有差别的。端面泵浦结构最为简单虽然双包 层光纤的端面尺寸较普通光纤增大很多，但实际可实现的内包层尺寸仍不够大， 不能满足对高功率泵浦源耦合输入的要求，最终也限制了激光器输出功率的提 升。利用侧面泵浦耦合结构( 对应大尺寸单包层光纤) 可避免这个问题，对泵浦 光的功率没有限制，但泵浦光进入到掺杂稀土离子纤芯的比率低，对应整体耦合 效率也相应降低，同时带来了负面效应如热累积，易产生对光纤本身的损害，附 加的冷却系统又使激光器复杂化，增加了系统成本，降低整体稳定性。 c 光纤特性 光纤特性包括三个方面：光纤自身结构尺寸、光纤掺杂物质以及掺杂离子浓 度、光纤的机械与热特性。 对于端面泵浦，光纤内包层越大，n a 越大越利于输入，这在前面已经提 到，同时光纤纤芯也要求尺寸很大，一方面保证由内包层进入到纤芯的泵浦光比 率高，另一方面也使得单位长度上的激光内激活离子数量增大，同时也利于承受 高的激光功率。但对于激光器整体性能来说，不仅要求输出光的功率高，还要求 输出光束的质量好，即要求m 2 值越小越好。纤芯的增大必然带来光束质量的下 降，可以从两个方面解决这一问题，一是降低纤芯的数值孔径n a ，光子晶体光 纤就是从这个方面着手，利用包层内周期性的空气孔调节包层平均折射率，最终 降低纤芯的数值孔径。另一方面就是利用光纤弯曲时不同传输模式的损耗差异来 天津大学博士学位论文 抑制掉高阶模，从而实现激光单模运转【2 9 1 一旦泵浦能量进入到光纤中，光纤就会将泵浦光转换成信号光输出，钕离子 和镱离子是最常见的光纤掺杂物质，他们转换效率高，高功率的阵列激光二极管 泵浦源也易于获得。n d 离子是四能级系统，它的阈值低，在泵浦源的选择上功 率可相对较低，因而可用在光纤嵌入式激光器中。最近有报道n d 离子掺杂的光 纤嵌入式激光器实现l k w 的功率输出【3 “。然而，由于泵浦腔非常大，所以掺杂 浓度须相当高以充分吸收泵浦能量，而浓度过高造成的浓度淬灭效应又抑制了输 出能量的提高。y b 离子的掺杂浓度可做得很高，并且不受浓度淬灭效应的影响， 因而掺杂浓度可高于n d ，转换效率也高于n d ，适宜用在高功率光纤激光器上。 掺y b 双包层光纤激光器的转换效率最高可达8 0 。 到目前为止，还没有验证光纤是否能承受如此高的功率密度。虽然已有k w 光纤激