（光学专业论文）单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器.pdf

摘要 单纵模光纤激光器具有输出激光光束质量好、线宽窄、频率稳定( 相对于半 导体单纵模光纤激光器) 、体积小和散热性能好等优点，在光纤传感、相干光通信、 激光雷达、非线性光学、引力波探测和高精度光谱测量等方面有广泛的应用。特 别是在光纤传感领域，它是光纤传感系统的光源。高功率单纵模光纤激光器在超 长距离光纤传感和引力波探测等领域有着广泛的应用。 可开关多波长光纤激光器在波分复用光通信系统、光谱测量、光纤传感等领 域有着广泛的应用。 本文就环形腔高功率单纵模光纤激光器和光纤光栅f - p 腔单纵模光纤激光器 的选模理论、腔型设计、滤波器设计等相关问题进行了理论分析和实验研究。此 外，本文还对可开关多波长光纤激光器进行了理论和实验研究。 论文的主要工作包括： 1 对光纤激光器基本理论进行了分析，对掺铒光纤和铒镱共掺光纤的特性进 行了分析。分析了激光器三能级、四能级模型和光谱特性；分析了铒镱共掺光纤 的结构和能量传输原理。 2 对几种光纤光学滤波器进行了理论分析，特别是均匀周期光纤光栅滤波器、 光纤光栅f p 滤波器、m z 环形震荡滤波器，为之后的应用提供了理论基础。另外， 对环形腔震荡滤波器中震荡激光的线宽和精细度与光路的损耗之间的关系进行了 分析。 3 分析了几种类型的单纵模光纤激光器，制作了长环形腔单纵模光纤激光器。 分析了d b r 单纵模光纤激光器，对d b r 光纤激光器中的空间烧孔效应、偏振模色 散、超窄线宽f b g 选频、磷酸盐光纤和硅酸盐光纤的熔接、如何制作线性腔单频 光纤激光器这几个问题进行了详细的分析和讨论；制作了一个高功率环形腔结构 单纵模光纤激光器，实现了6 3 0 r o w 的单纵模光纤激光输出。 4 制作了一个可开关多波长光纤激光器。这一章首先介绍了几种实现可开关 多波长光纤激光器的方法；分析了l y o t - s a g n a c 滤波器的滤波和开关原理；实现 了三波长可开关光纤激光输出。 关键词：单纵模；光纤激光器；线性腔；可开关；光纤光栅f - p 滤波器 a b s t r a c t s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ef i b e rl a s e rh a v et h eb e n e f i t so fe x c e l l e n tq u a l i t yb e a mo f l i g h t ，n a l t o ww i d t h ，f r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o ns p e c i a l l yt os e m i c o n d u c t o rl a s e r , s m a l lb u 【 g o o dh e a te l i m i n a t i o n , s o ，i th a v ew i d e l ya p p l i c a t i o n ss u c ha sf i b e rs e n s o r , c o h e r e n t c o m m u n i c a t i o n s ，l i d a r , n o n l i n e a ro p t i c s ，g r a v i t yw a v ed e t e c t i o n ，h i g hp r e c i s i o no p t i c s p e c t r u mm e a s u r e m e n ta n de t c s p e c i f i c a l l yi nf i b e rs e n s o r , i ti st h eo p t i cs o u r c eo ff i b e r s e n s o r s y s t e m h i g l lp o w e rs i n g l el o n g i t u d i n a l m o d ef i b e rl a s e rh a v e w i d e l y a p p l i c a t i o n si ns u p e rl o n gd i s t a n c ef i b e rs e n s o ra n dg r a v i t yw a v ed e t e c t i o n s w i t c h a b l em u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e rh a v ew i d t ha p p l i c a t i o n si nw a v e l e n g t h d i v i s i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，o p t i cs p e c t r u mm e a s u r e m e n t ，f i b e rs a a s o ra n de t c i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s s e ds i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ef i b e rl a s e rw i t hr i n gs t r u c t u r e a n df i b e rb r a g gg r a t i n gf - pc a v i t ys t r u c t u r e w ea l s od i s c u s s e di t sm o d es e l e c t i o n ， c a v i t yd e s i g na n df i l t e rd e s i g nt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y b e s i d e s ，w ed i s c u s s e d s w i t c h a b l em u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y s e st h eb a s i ct h e o r yo ff i b e rl a s e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe r b i u md o p e d f i b e ra n de r y bc o - d o p e df i b e r a n a l y s e st h r e e ，f o u re n e r g yl e v e lm o d e la n ds p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i co ff i b e rl a s e r a tl a s t ，ia n a l y s i st h ee n e r g yt r a n s f e rt h e o r yo ft h ee r y b c o - d o p e df i b e r 2 a n a l y s e ss e v e r a lt y p e so ff i b e ro p t i cf i l t e r si nt h e o r y , p a r t i c u l a r l yu n i f o r mp e r i o d f i b e rb r a g gg r a t i n gf i l t e r , f i b e rb r a g g g r a t i n gf - pf i l t e ra n dm zr i n gr e s o n a t o rf i l t e ra n d p r o v i d e sb a s i ct h e o r yf o rt h ea p p l i c a t i o ni nf u t u r e b e s i d e s ，a n a l y s e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl i n e w i d t h , f i n e s s e sa n dt h eo p t i cc i r c u i tl o s si nt h er i n gr e s o n a t o rf i l t e r 3 a n a l y s e ss e v e r a lt y p e so fs i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ef i b e rl a s e ra n dm a k eal o n g r i n gc a v i t ys i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ef i b e rl a s e r a n a l y s e sd b rs i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e f i b e rl a s e ra n dd i s c u s s e dt h es p a t i a lh o l eb u r n i n g ，p o l a r i z a t i o nd i s p e r s i o n ，u l t r - l i n e w i d t h f o rc h o s ef r e q u e n c y , f u s i o ns p l i c eb e t w e e np h o s p h a t ef i b e ra n ds i l i c a t ef i b e ra n dh o wt o f a b r i c a t el i n e a rc a v i t ys i n g l ef r e q u e n c yf i b e rl a s e r if a b r i c a t eah i g hp o w e rr i n gc a v i t y s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ef i b e rl a s e ra n dr e a l i z e d6 3 0 r o ws i n g l el o n g i t u d i n a lm o d ef i b e r l a s e ro u t p u t 4 f a b r i c a t e das w i t c h a b l em u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r i nt h i sc h a p t e r , w ei n t r o d u c e s e v e r a lw a y so fr e a l i z es w i t c h a b l em u l t i - w a v e l e n g t hf i b e rl a s e r , a n dt h e na n a l y s e sf i l t e r a n ds w i t c hp r i n c i p l eo ft h el y o t - s a g n a cf i l t e r f i n a l l y , w er e a l i z e dt h r e ew a v e l e n g t h l l s w i t c h a b l ef i b e rl a s e ro u t p u t k e yw o r d s ： s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d e ；f i b e rl a s e r ；l i n e a rc a v i t y ；s w i t c h a b l e ；f i b e rb r a g gg r a t i n g f - pf i l t e r h i 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：纷柏i ! i 辛 签字日期：砷年e 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生院有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生院 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：绍婚t 晦 签字日期：列年6 月1 日 导师签名：弓h 签字日期：内p 年6 月f 日 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 1 绪论 光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最前沿的研究课题之一。光纤激光 器的研究始于2 0 世纪6 0 年代n 删。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。1 9 6 6 年，华裔科学家高馄在他的著名论文中解决了石英光纤损耗的理论 问题，提出了研制低损耗光纤的可能性。1 9 7 0 年，美国康宁公司研制成功了第一 根低损耗光纤。而8 0 年代英国s o u t 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 了低损耗的掺饵光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。近二十年来随着各种 光纤，特别是掺杂的制作工艺不断提高，光纤激光器得到了飞速发展。 光纤激光器可以分为很多种，按输出激光特性分。光纤激光器可以分为：单 频光纤激光器、多波长光纤激光器、多波长可开关光纤激光器、飞秒光纤激光器、 锁模光纤激光器、超连续光纤激光器、布里渊光纤激光器和拉曼光纤激光器等。 其中，各种光纤激光器按输出激光特性和激光器结构又可以分为很多种。例如： 单频光纤激光器又可分为短线性腔单模光纤激光器、环形腔结构光纤激光器、布 里渊单频光纤激光器和波长可调单频光纤激光器等。 相对于半导体激光器，光纤激光器增益介质长；具有很大的表面积体积比， 易于散热；高亮度；体积小：具有很宽的光谱范围，能产生光纤低损耗传输窗口 的激光；性能稳定；能产生更好光束质量的激光，很容易和单模光纤连接。所以， 它在光纤通信、激光加工、激光医疗、激光雷达、光纤传感等方面得到日益广泛 的应用。 目前，光纤激光器的研究热点问题是窄线宽高功率单频光纤激光器、高功率 光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等。从双包层光纤激光器出现到现在，它的输 出功率不断提高。从1 9 9 3 年的0 7 5 w 口1 ，到1 9 9 7 年的3 5 w h l ，再到1 9 9 9 年的l l o w 哺1 ， 到2 0 0 4 年，单根光纤的单模连续激光输出功率达到了8 1 0 w 1 、1 3 0 0 w 口1 ，2 0 0 5 年 达到了2 k w 陋3 。i p g 公司的多模连续输出功率在2 0 0 2 年就达到l o k w 。高功率光纤 激光纤激光器由于其很高的能量转换效率、良好的光束质量已经广泛应用于工业 加工领域。例如激光切割，激光打标，金属表表面处理，激光雕刻，激光金属和 半导体焊接等方面。国内有几家企业已经能生产出工业用高功率激光器产品，例 如武汉锐科激光器技术有限责任公司、i p g 公司和恩耐激光。超短脉冲光纤激光器 在工业和科研领域有着广泛的应用，例如在第四代自由电子激光器同步光源系统 里面做为时间同步光源m 。窄线宽高功率光纤激光器在2 0 0 0 之后发展很快，输出 硕士学位论文 功率不断提高。目前，采用m o p a 结构，这能够产生数百瓦的单频光纤激光输出。 1 1 单纵模光纤激光器的应用 单纵模光纤激光器从结构上来分，可分为线性腔结构和环形腔结构。线性腔结 构又可分为d f b 结构、d b r 结构和光纤光栅短线性腔结构、长线性腔结构。长线性 腔结构单纵模光纤激光器需要采用扭模技术来克服空间烧孔效应，腔长越长，受 温度和震动影响就越较大，输出激光频率就会变得越来越不稳定。短线性腔结构 单频光纤激光器腔长很短，能有效实现单频激光输出，输出激光受温度和震动影 响较小，是实现单频光纤激光器的理想腔型。近年来，随着高掺杂铒镱共掺光纤 的研制成功、超窄带光纤光栅制作工艺的不断提高和短腔光纤熔接技术的提高， 人们已经能制作出高功率短线性腔单频光纤激光器。目前，世界上已经有三家公 司开发出了商用的c 波段单频光纤激光器，商用的单频光纤激光器均采用短线性 腔结构。美国n pp h o t o n i c s 公司基于亚历桑纳大学的科研实力，于2 0 0 4 年开发 出了一款d b r 短线性腔单频光纤激光器：法国k e o p s y s 公司；丹麦k o h e r a s 公司 开发的为d f b 结构单频光纤激光器。 环形腔结构能有效消除空间烧孔效应，通过增加掺杂光纤长度和泵浦功率、 提高耦合器输出分光比能有效提高输出激光功率。但是，由于长腔结构单频光纤 激光器的腔长受温度和震动影响较大，无法解决波长稳定性问题，目前还无长腔 结构单频光纤激光器商品。当然，采用受激布里渊散射压缩线宽，实现超窄线宽 单频光纤激光器除外。 单频光纤激光器在光纤传感、c a t v 通信系统、高分辨率光谱测量、微波光子 系统、引力波探测、激光雷达等领域得到广泛的应用。它是最近发展很快的光纤 分布式传感系统和光纤电流传感器的种子光源。 1 1 1 光纤传感系统的光源 单频光纤激光器在光纤传感系统中的应用主要是在以下几个方面。光纤布里 渊传感器、光纤干涉型传感、水听器、光纤电流传感器等。本文只对它在光纤布 里渊传感n 和光纤电流传感n 1 1 方面的应用做一个简单的介绍。 1 1 1 1 分布式光纤传感器 单频光纤激光器在光纤布里渊传感器n 们和光纤干涉型传感器n 2 1 里面都是作为 传感光源。将单频激光经过一个电光或者声光调制器调制后注入到传感光纤中， 经过线性和非线性作用、外部扰动作用，入射光不断被反射，反射光包含了光纤 2 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 各个传感点的扰动信息，通过测量入射端反射回来的反射光信号的强度和频率信 息，并对这些信息进行分析处理就能够知道整根光纤探测范围内的所有外部扰动 信息。 1 1 1 2 光纤电流传感器 光纤电流传感器是为了测量高强度传输电流而设计，在高压电力传输和工业领 域有着广泛的应用n 。在光纤电流传感器中，单频光纤激光器产生的激光经过调 制之后注入到传感光纤中。入射光经过法拉第效应后经光纤法拉第旋转镜反射， 再次经法拉第效应作用，使两个椭圆偏振光产生不同的相位延迟，之后返回到入 射端。通过对反射光信号进行分析就能够精确的探测到传输的电流大小n 1 i 。 1 2 本论文内容安排 第一章简单的介绍了下单纵模光纤激光器以及它在工业中的应用。 第二章介绍了光纤激光器的基本理论，三能级速率方程组和四能级速率方程 组。之后，介绍了铒离子的能级结构和光谱特性，以及铒镱共掺光纤能量转换过 程。 第三章介绍了几种光纤光学滤波器。首先从耦合模理论出发介绍了光纤光栅 滤波器、均匀周期光纤光栅模型。详细分析了光纤光栅f - p 滤波器的滤波特性， 腔长和光栅反射率之间的关系，为后来制作d b r 光纤激光器提供了理论依据。最 后，重点介绍了一种复合腔光纤环形震荡滤波器。分析了m - z 环形震荡滤波器取 得最佳滤波效果的条件。 第四章介绍了单纵模光纤激光器。这一章是整篇论文的核心。分别介绍了d f b 光纤激光器、d b r 光纤激光器、光纤光栅光纤激光器，分析了制作这类激光器的方 法和要克服的技术问题。之后，提出了短线性腔d b r 光纤激光器的制作方案。最 后，介绍了长环形腔结构单纵模光纤激光器的实验。 第五章介绍了多波长可开关光纤激光器的制作方法。详细介绍了多波长可开 关光纤激光器的实验。 3 硕士学位论文 2 光纤激光器的基本理论和掺杂光纤 利用掺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。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，适当加 入正反馈回路( 构成谐振腔) 便可形成激光振荡。另外由于稀土掺杂光纤具有很宽 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。 与半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：可容强泵浦，具有高增 益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高、散 热性好等特性。另外，光纤激光器易于实现和光纤的耦合。 2 1 光纤激光器的速率方程组 2 1 1 三能级系统的速率方程 图2 1 为三能级系统的、馓光工作物质原于能级及主要跃迁过程不慈图。参与 相互作用过程的能级被简化为三个能级：巨为基态能级；最是激光工作的上能级， 为亚稳态能级；马为泵浦高能级。4 t 和4 为自发辐射速率，墨- 、s 3 ：和岛为非 辐射跃迁几率，弼，为泵浦几率，表示基态能级置上的粒子数吸收泵浦能量而跃迁 到能岛级上的几率。，和嘎：分别为受激辐射和吸收跃迁速率。对于三能级系统 有墨z 岛一、4 t 、，4 - 最- 。 所以三能级系统的速率方程可表示为： 百d n 3 = ( m 一3 ) ，一3 岛z ( 2 1 ) 警= 1 ：一2 - 一2 ( 4 + 岛- ) + 3 s z ( 2 2 ) ； 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 m + 2 + 3 = n ( 2 - 3 ) m 、2 和3 为相应能级的粒子数，为总粒子数。粒子在激发态上的寿命 很短，通过无辐射跃迁的过程到亚稳态( 粒子在亚稳态上的寿命为i l l s 量级) ，此 时在易和局上形成粒子数反转。对于三能级系统3 o ，d ；v 3 # t o ，方程( 2 1 ) 、 ( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 可简化为 警= m 彬z 一2 呒t 一2 4 。+ 川 ( 2 4 ) m + 2 n ( 2 - 5 ) a n = 2 一鱼1 相当于将三能级系统简化为二能级系统考虑。利用 g l ，其中g 为 能级简并度，可以将方程( 2 - 4 ) 改写为激光介质中粒子数反转的速率方程： 等_ ( 训阡憎g lk j 一、, g l 圳 如 协6 ) jl jl 34 1墨。 & 。4 。1联： 1r 1r1r 1r1r 图2 - 1 为三能级系统示意图 2 1 2 四能级系统的速率方程 图2 - 2 表示具有四能级系统的激光工作物质的能级简图。参与产生激光的有 四个能级：基态能级毛、抽运高能级历、激光上能级最( 亚稳能级) 和激光下能 级蜀。它的主要特点是，激光下能级墨不在是基态能级，因而在热平衡状态下处置 的粒子数很少，有利于最和置之间形成聚居数反转状态。 5 硕士学位论文 j l j 厶 墨。 s 1 气w 州 墨。 1 1r 图2 2 为三能级系统示意图 四能级系统粒子数的主要跃迁过程如图2 - 2 所示，各个符号代表的物理意义 与三能级系统相同。四能级系统有如下特点，对于实际的工作物质，仍有 4 。，s o 墨：，4 。，巨一岛恕丁，这样就能保证在热平衡情况下置能级 上阴税于数口j 以忽略。并为简化起见，征速翠万程中略去邑。的影响。 四能级系统的速率方程可以写为 百d n 3 = ( n o n 4 ) w o ，一3 墨： ( 2 - 7 ) 警= l 形：一2 。一2 4 。+ 3 岛： ( 2 8 ) 百d n o = 1 墨。一n o r + 3 ( 2 9 ) o + l + 2 + 3 = n ( 2 - 1 0 ) 考虑到四能级系统的特点，m o ，3 o ，警o ，2 厶，可将上述方 程组简化为： 1 d a r n = n o r 一2 。一2 4 。 ( 2 1 1 ) nn+n，=n(2-12) v 利用a n 2 ，可以将方程( 2 - 1 1 ) 改写为激光介质中粒子数反转的速率方程： i d z x n = ( 一n ) w - , , n w 2 。一m ， ( 2 1 3 ) 将( 2 - 6 ) 式和( 2 1 1 ) 式比较，可以看出，在关于a 的速率方程中，三能级系统 受激跃迁项相比较四能级系统增加一个系数( 1 + g ：) ，这表示光场与三能级激光 物质相互作用发生受激跃迁时，若要发射一个光子，即激光上能级集居数减少1 ， 下能级增加1 时，粒子数反转a 减少( 1 + 岛9 2 ) ：对四能级系统a n 只会减少1 ， 6 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 这是因为在四能级系统中，由于激光下能级互至厶的快速驰豫，当受激发射一个光子 一 使上能级集居数减少l 时，m 可以近似保持不变( m o ) 所致。 因此，要实现激光上下能级的粒子数反转，三能级系统较四能级系统需要更 多的泵浦光子，或者说三能级系统较之四能级系统有更高的阈值，进而可以推断 出以下结果：在不计光纤损耗的情况下，作为光纤激光器来说，四能级系统的激 光阈值应与光纤长度成正比；而对于三能级系统来说，考虑到光纤对激光光子的 再吸收，存在一个最佳长度，在这个长度上方可实现最低的激光阈值。 2 2 掺杂光纤 2 2 1 铒的能级结构和光谱特性 掺稀土离子的光谱特性是指稀土离子的吸收和荧光特性，是分析和了解掺杂 光纤激光器和放大器特性的重要基础，激光器与光放大器的增益谱特性、抽运功 率、抽运波长、输出功率、功率转换效率及噪声系数等，都与这一特性有关。 稀土离子的吸收和荧光特性由能级结构决定。由下能级至上能级的电子跃迁 对应于光的吸收过程，由上能级至下能级的电子跃迁则对应于光的发射过程，即 荧光过程。图2 - 3 中示出了甄q 一q 一罡d s 玻璃基质中西3 + 的能级结构和发生 的一些典型跃迁相应的光波长。 ji jl jl o o 岣 - _ _ - - o o oa 乙，l ooo o 乙o 这 嚣o o 蔓 专这 帕 冬 时 r 4r 9 2 4r l v 2 4r 1 3 2 4 ， t 5 2 图2 - 3 铒离子能级跃迁示意图 掺西“光纤激光器在9 8 0 h m 泵浦下是以三能级系统方式工作。由于在玻璃或 晶受体中，毋3 + 能级受到周围电场或一个动态扰动的影响，能级产生斯塔克分裂， 7 硕士学位论文 导致能级展宽。每个能级均由多个子能级构成。由西3 + 能级可知，9 8 0 n m 泵浦时， 处于基态4 5 ：的电子吸收泵浦光子，跃迁到4 厶l ：，然后很快从4 厶l ：能级无辐射跃 迁到激发态4 五；彪能级。通过自发发射或受激发射过程，电子从激发态跃迁到基态， 发射一个光子。由于从能级4 厶v 2 到能级4 厶3 ：的驰豫时间( 几个n s ) 远小于能级4 五3 ： 到基态能级4 厶5 ：的驰豫时n ( 1 0 一1 2 m s ) ，因此能级4 厶3 ：上的粒子数可以近似为零， 从而可以将9 8 0 n m 泵浦的掺铒光纤激光器当作两能级来处理。图2 4 为掺铒光纤 的吸收谱和激射谱。 w a v d m g t h 【n m 】 图2 - 4 掺铒光纤的吸收谱和荧光谱 2 2 2 铒镱共掺光纤 如图2 - 3 所示，为了激射1 5 5 0 n m 激光，掺铒光纤可能的吸收波长为8 0 0 n m 、 9 8 0 h m 和1 5 5 0 n m 。因为9 8 0 h m 激光没有激发态吸收，而且商用的9 8 0 h m 半导体泵 浦激光器又很容易获得，所以9 8 0 n m 半导体激光器在光纤激光器中得到广泛应用。 为了提高掺铒光纤的吸收系数和光纤激光器的转换效率，通常在光纤里面共掺镱 离子，镱离子有较大的吸收截面，对9 8 0 h m 泵浦光有很强的吸收特性。磷酸盐玻 璃对铒离子和镱离子有很好的溶解性，能实现高掺杂浓度，同时又不会导致浓度 猝灭现象的发生，所以高掺杂光纤通常都是采用磷酸盐玻璃做主介质，掺杂高浓 度的铒离子和镱离子。如图2 - 5 所示，镱离子吸收泵浦光能量之后再将能量传输 给铒原子，最终实现铒离子粒子数反转。 8 【l基q嚣-o=_孑翟39釜u 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 2 3 小结 运弘t 9 7 2 f v 2 yb3+el， 图2 5 铒镱共掺光纤能量转换图 本章介绍了光纤激光器的基本理论。首先推导了三能级速率方程组和四能级 速率方程组，之后，分析了铒离子的能级结构和光谱特性，以及铒镱共掺光纤能 量转换过程。 9 硕士学位论文 3 光纤光学滤波器 光纤光学滤波器是制作单纵模光纤激光器的关键器件。掺铒光纤是均匀展宽 材料，铒的增益谱宽很宽，在没有光学滤波器的光纤谐振腔内会有无数纵模同时 形成激光震荡，出现多纵模光纤激光输出。实现单纵模光纤激光输出，就要在光 纤谐振腔内加入光学滤波器增大主模和边模之间损耗。制作单纵模光纤激光器时， 通常会采用光纤光栅滤波器n 3 。1 引、可调光纤f - p 滤波器n 5 。1 7 1 、光纤光栅f - p 滤波器 n 引、光纤环形震荡滤波器n 7 1 、m z 滤波器n 叼、半导体光学放大器啪1 、l y o t s a g n a c 梳状滤波器砼、未泵浦的掺铒光纤作饱和吸收体n 纠氐2 。 光纤光学滤波器的理论基本上已经很成熟了。并且，光纤光栅滤波器和光纤 f - p 滤波器都已经有了性能优良的工业产品。本章我详细介绍光纤光栅滤波器、光 纤光栅f _ p 滤波器和复合腔滤波器。 3 1 光纤光栅滤波器 3 1 1 光纤光栅发展过程 1 9 7 8 年，加拿大渥太华通信研究中心的k 0 h i n 等人首次在掺锗石英光纤中 发现了光纤的光敏效应乜铂，他们观察到用4 8 8 n m ，和5 1 4 n m 的氢离子激光器可以在 掺锗石英光纤中生成光栅。这种光栅是由正向传输光和光纤另一端面发射回来的 光在光光纤内形成驻波而生成的。由于当时光纤光栅的写入效率低，而且反射波 长完全取决于入射光波长，难以直接应用于通信等领域，因此未引起广泛关注。 1 9 8 9 年，美国东哈特福德联合技术研究中心的g m e l t z 等人用双光束全息曝光法 实现了光纤光栅的横向侧面写入啪1 ，使光纤光栅的制作技术取得了突破性的进展。 此技术是用两束光产生的干涉条纹，从光纤侧面把折射率变化光栅写入到光纤纤 芯中，由于通过改变两束干涉光的角度可以改变干涉条纹周期的大小，从而用 2 4 4 n m 和2 5 7 n m 的紫外光源得到了能够用在光纤的第一个通信窗口，即8 2 0 n t o 波段 的光纤布拉格光栅，并且在5 0 0 的高温下没有明显的退化。随后研制出了1 3 9 m 和1 5 聊通信窗口的光纤光栅，这些光栅可以在5 0 0 c 以下的环境中数年保持光 栅性质不变，能可靠的用于光纤通信、光纤传感以及光纤激光器中。 l o 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 1 9 9 3 年h i n 与l e m a i r e 分别提出了低温高压载氢技术嘲1 和相位掩模成栅技术 瞄1 ，这两项技术的相结合极大的降低了光纤光栅的制作成本与制作难度。高压载氢 处理就是把光纤放在高压氢气的环境中，温度一般控制在室温或稍加温，如2 0 7 5 ，氢气的气压一般从2 0 a t m 到7 5 0 a t m 渊。经过足够长的时间后，氢气渗透进 入光纤内部并达到溶解平衡。实验证明，载氢后的光纤在紫外光的辐照下，可以 将光致折射率变化量提高两个数量级。采用载氢技术后，就能够用掺锗量很小的 商用通信光纤来制备光纤光栅，可以在大大降低生产成本的同时使光纤光栅器件 与通信系统的传输光纤匹配，可降低连接损耗且易于实现标准化。相位掩模技术 不仅能制作出高性能的光栅，而且在制作特殊光谱响应特性的光栅方面表现出了 极大的灵活性。结合光束扫描技术一1 ，可以用相位掩模板制作出复杂的光栅结构， 如惆啾光纤光栅、长周期光纤光栅、取样光纤光栅、相移光纤光栅等。 2 0 0 6 年，j a l b e r t 等人用波长为1 9 3 n m 的准分子激光器产生的高强度脉冲激 光，通过掩膜版在磷酸盐单模光纤上直接刻写出了反射率大于9 9 光栅啪1 ，这种光 栅在1 7 0 下加热一千小时仍能保持良好的光栅强度。 3 1 2 光纤光栅中的耦合模理论 自从1 9 7 3 年亚里夫眦1 引入了平板中的耦合模理论以来，耦合模理论已经成熟 的应用于周期性光波导分析中口糊1 。在理想的介质光波导中，一般都可以得到一组 本征模式解，各自满足边界条件，组成完整的正交函数系，使得各个模式相互独 立的传输。但是由于光纤本身总是存在如折射率分布不均匀、纤芯宽度的细微变 化等缺陷，而且光纤受到外界微扰( 如波导形状的畸变，外加电场、磁场等) ，使 得波导边界或折射率出现畸变，从而各模式不再独立，它们之间将产生能量交换， 这时称模式间发生了祸合。当在光纤内写入光栅后，就破坏了光纤波导结构的均 匀性，产生了折射率变化，这种周期性的介质扰动使光纤光栅中的模式发生祸合， 结果使各个模式之间发生了能量的转移。对于光纤光栅，可以认为折射率的调制 作用基本被束缚在纤芯之中，因此相对于基模与基模的耦合或者基模与各阶次包 层模式的藕合，包层模之间的耦合可以忽略不计。而且横向模场比纵向模场大约 两个数量级，所以可以进一步忽略纵向模场之间的耦合作用。因此光纤光栅中的 模式耦合主要由模式的横向电磁场分布决定。 在理想单模光纤波导中，总的电场可以表示为各分立的理想电场模式的叠加 蚓，即： 与“y ，z ，f ) = 4 ( z ) e x p ( 一谚z ) + b i ( z ) e x p ( i i z ) ( x ，y ) e x p ( 一f 耐) ( 3 - 1 ) j 式中，下标f 表示模场的横向分量，e j , ( x ，少) 表示理想光纤的第，个不连续本征 硕士学位论文 模的模场分布，4 和b 分别为沿+ z 和一z 方向传输的第，个模的慢变化振幅，岛为 第，个模的传播常数，下标j = 0 时表示导模，歹1 时表示不同的包层模式。 当光纤受到外部应力或内部折射率扰动时，介电常数发生变化，可以表示为： o ，y ，z ) = + 占( x ，y ，z ) ( 3 - 2 ) 其中，s 为理想光纤的介电常数，a e ( x ，y ，z ) 是介电常数的扰动。假设介电常数 的扰动很弱，不改变模式分布，只使模式之间产生耦合，发生能量的转移。将式 ( 3 - 1 ) ，( 3 2 ) 代入微扰光纤中的波动方程，可以得出不同模式之间的相互影响可 以表示为： 警一 - 。 a k k qe x p e 鹇一舭卜e 。b k k 蔚e x p _ f ( 岛+ 肚 ( 3 - 3 ) 警州e 。a k k 蔚e x p 鹏+ 舭卜z 七b k k 。 e x p 似乃一耻 ( 3 4 ) 在( 3 3 ) 和( 3 4 ) 式中，( z ) 是第j f 和第k 阶模式之间的横向藕合系数，可以 表示为： 峨( z ) = 詈出咖占( 工，y ，z ) ( x ，y ) ( 石，y ) ( 3 - 5 ) 在只考虑有效折射率扰动的情况下，写入光栅后光纤的折射率分布可表示为： 比h + 瓦卜。s 等州 ) c 3 石， 其中，为成栅前光纤的有效折射率，8 n 盯为光栅周期内平均折射率的变化，l ， 为折射率变化条纹的可见度，人为栅格周期，( z ) 表示光栅变化时产生的相移。 对于大多数光纤光栅，8 n 万在纤芯中近似均匀，而在纤芯外不存在。因此可以用 类似( 3 6 ) 式的形式来描述纤芯折射率，只是需用艿，( z ) 代替万一万( z ) 。( 3 5 ) 式 形式复杂，为明确物理含义及方便分析，定义两个新参数为： ( z ) = 争瓦( z ) i i e 缸 因为 何e t 西= 竽 根据弱导条件有 兰刀谚 将( 3 - 2 2 ) 、( 3 - 2 3 ) 两式代入( 3 - 2 1 ) ，求得 k = 等瓦 1 + v c o s ( - 等z ) 比较( 3 - 9 ) 和( 3 - 2 4 ) 两式得 2 z ：- 一 仃。百6 七= 三y 瓦 3 1 3 均匀周期光栅模型 ( 3 1 8 ) 一1 _ d e 描述 2 比 ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) 对于折射率具有均匀周期变化的的光纤光栅结构，通过求解耦合模方程可以 得到精确的解析解，快捷、直观的分析光纤光栅的光谱特征。在均匀周期光纤光 栅中，沿z 方向，表示啁啾的参数华：0 ，从而后、盯、；都为与z 无关的常数， 宓 式( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) 就成为一阶常系数线性微分方程。 七与光纤光栅的折射率调制深度成正比，可以表示为k = 2 万厶肛，忽略平均 ，_ 。? 折射率的变化瓦，则苫= 万，并令厂= 七2 一苫2 ，利用边界条件r ( 一2 ) = 1 和 s ( 叫2 ) = 0 ，光栅长度为l ，解方程组( 3 1 9 ) 、( 3 2 0 ) 式得 1 4 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 黝：7 c o s h i y 丽( - l 丽+ z 而) l - 丽j ss 五i n h 砑i y ( - 广l + 一z ) 1 。3 乏7 ) 倒血k l 细zj i s ( z ) 2 而面瓦i 两丽丽 由以上二式可得反射系数名和反射率分别为 r ：s ( - l 2 ) ： 二墨! 些! 塑 酬2 2五sinh霹2(lt)cosh 。i l ，l 一彳 透射系数名和透射率分别为： r ：墨型垄： 兰 名 j j c ( 一l 2 ) yc o s h ( l 7 ) + j 8s i n h ( l 7 ) t = 蕊币1 - 8 丽2 k 2 k = t a n h 2 ( 地) k = 如氏砒。如 如= 砧 ( 3 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 由上式可知，光纤光栅反射谱带宽随折射率调制幅度的增大而增加，随光栅长 度增加而减小。 1 5 硕士学位论文 3 2 光纤光栅f - p 滤波器 3 2 1 光纤光栅f - p 标准具基本理论 光纤光栅中后向传播和前向传播的光波分别表示为a ( z ) = a ( z ) e x p ( i f l z ) 和 6 ( z ) = b ( z ) e x p ( 一p z ) ，= 2 n 万a 为传播常数。如果给定边界条件b ( o ) = 玩入射时， 反射波和透射波可以分别表示为【2 4 】： 口( 。) = i 面面ksin再h(s丽l) 6 ( o ) ( 3 3 6 ) 一一s i i l l l ( 乩) + 心c o s h ( 观) 一 6 ( 。) = ：= = i 否i 五i 矗s i e j x i p 巧( f - i i i f l ；o i l 乏) 丽6 ( 。) ( 3 - 3 7 ) 一s i i l l l ( 脱) + 谣c o s h ( 肛) 6 ( o ) 6 ( 厶+ 厶+ 厶) 口c 矿中厶叫口。五厶蝴 图3 - 1 光纤光栅f p 标准具 令光纤光栅反射系数名= h c x p ( 识) ，透射系数名= k i e x p ( 磁) ，由( 3 - 2 9 ) 、 ( 3 3 1 ) 两式有 丽蒜券急丽 谚一篇 ( 3 3 8 ) ( 3 3 9 ) ( 3 4 0 ) 谚一争属三+ 眦t 趾高 c 3 如图3 - 1 所示。在同一根光纤上刻写两个反射中心波长相同的光栅便构成一个 光纤光栅f - p 标准具。设左边光栅反射中心波长处反射系数和透射系数分别为白、 1 6 单纵模光纤激光器和可开关多波长光纤激光器 名。，光栅长度为厶；右边光栅反射中心波长处反射系数和透射系数分别为名：、名：， 光栅长度为厶；两个光栅间的距离为厶。如果给定边界条件曰( 0 ) = b o 和 彳( 厶+ l o + 厶) = o ，则f - p 标准具内z = 厶处前向波6 ( 厶) 应满足下式 b ( _ q ) = t g l 6 ( 0 ) + 白r s 2e x p ( - i 2 f l l o ) 6 ( 厶) 由上式有 6 ( 厶) = i 乏z l t g , 而b ( 0 f ) 万历5 6 ( 厶+ 厶+ 厶) = f g ：e x p ( 一帆) = 而t g , t 9 2e x p ( - ( 一i f l f 2 l o 丽) , 6 ( 0 ) ( 3 铂) 3 2 1 1 两个全同光栅 可令名。= r g ：= 吲e x p ( 识) ，名。= t g ：= h e x p ( 磁) ，则有 6(厶+厶+厶)=巧itgz两expi丽(2谚,-fllo)6(。) c 3 4 5 ， l 1 名le x p 【2 f ( 办一厶) 】 光纤光栅f - p 标准具透射光强为= 6 ( 厶+ l o + l 2 ) b ( 厶+ l o + 厶) ，由上式可以求出 光纤光栅f - p 标准具光强透射率： 5 雨面赢( 3 - 4 6 ) 光强反