（通信与信息系统专业论文）光纤激光器在检测中的研究和应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 捅曼 现今，光纤作为信息传输的载体得到了广泛地应用，各种类型的光纤系统 及光纤器件共同构筑了和改善着我们这个社会信息交流的平台，显示了不可替 代的重要性。其中，光纤激光器以其无比卓越的性能和低廉的价格具有其他激 光器无法比拟的优点，在光通信、军事、医疗、工业加工和光纤传感等领域具 有广阔的应用前景。利用光纤激光器实现单模运转，方案有：一是用环形激光器， 二是用直腔，利用光纤光栅作选频元件，即分布布拉格反射光纤激光器，这种 方案简单且可得到稳定性较好的单频输出；而相移分布反馈激光器只要一个光 栅即可实现光反馈和波长选择，并且避免了有源光纤和无源光纤光栅的熔接损 耗。使用一般输出功率较低的宽带光源作为光源，所检测到的反射的光强非常 弱，信噪比也较低，在实际应用中受到一定的局限。光纤激光器是一种信噪比 很高的优质光源，具有光束质量好、窄线宽、高功率等优异的性能，非常适用 于传感。将光纤激光器应用于传感，能弥补布拉格光栅传感的不足。可以利用 光纤激光器型传感器实现对温度、应力、应变、场强、电流等物理量的检测。 研究光纤激光器在检测中的应用，必将大大提高光纤传感器的性能，扩宽光纤 激光和光纤传感的应用领域。本文对光纤激光器在检测中的应用进行了较深入 的理论与实验研究。论文的主要工作可归纳如下； ( 1 ) 总结了光纤激光器的基本理论，为光纤激光器的制作奠定基础。 ( 2 ) 研究了可调谐掺铒光纤激光器的输出特性及其随腔内损耗、掺铒光纤长 度、和阈值泵浦功率等参数的关系，并实验获得了一种高稳定窄线宽的掺铒d b r 光纤激光器。 ( 3 ) 通过利用d b r 光纤激光器构成的光纤激光器型传感器与光纤布拉格光 栅传感器相比较，进行应力传感实验研究。实验结果得到了良好的线形关系，说 明光纤激光器型传感器具有更高强度信噪比和输出功率。 关键词：光纤激光器，光纤光栅，光纤传感，耦合模理论，传输矩阵 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t o d a 孔o p t i c a lf i b e rh a sb e e nw i d e l yu s e da st h em o s ti m p o r t a n tt r a n s m i s s i o n m e d i u mi nt l l et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s v a r i o u so p t i c a lf i b e rd e v i c e sh a v eb e e n d e v e l o p e d ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c et h ef l e x i b i l i t yo ft h en e t w o r k c o m p a r e dw i t ho t h e r l a s e r s ，o p t i c a lf i b e rl a s e rh a su n p a r a l l e l e da d v a n t a g e sf o ri t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s a n d c h e a pp r i c e s i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n 、m i l i t a r y 、 m e d i c i n e 、i n d u s t r yf a b r i c a t i o n 、o p t i c a l f i b e rs e n s i n ga n ds oo n t oe n s u r e s i n g l e f r e q u e n c yo p e r a t i o ns u c hl a s e r sm u s tn e c e s s a r i l y b es h o r to ri n c o r p o r a t e a d d i t i o n a lc o u p l e dc a v i t i e s o n ei sau n i d i r e c t i o n a ll o o pl a s e r ，t h eo t h e ri st h ed f b l a s e r t h em a i na d v a n t a g eo ft h ed f bl a s e ri st h eu s eo f j u s to n eg r a t i n gf o rf e e d b a c k a n dw a v e l e n g t hs e l e c t i o n ，w h i c hp r o v i d e sb e t t e r 仃e q u e n c ys t a b i l i t y u s i n gt h e b r o a d b a n dl i g h ts o u r c ew i t hl o w e ro u t p u tp o w e ra st h el i g h ts o u r c e ，t h er e f l e c t e dl i g h t i n t e n s i t yi sv e r yw e a ka n ds i g n a l - t o n o i s er a t i o i sl o w s oi ti sl i m i t e dt oac e r t i a n e x t e n ti nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n s t h eo p t i cf i b e rl a s e ri sah i g h - q u a l i t yl i g h ts o u r c e w i t hh i g hs i g n a l - t o - n o i s er a t i o h a v i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c es u c ha sg o o db e a mo f l i g h t ，n a r r o w b r e a d w i d t ha n dh i g hp o w e ra n ds oo n ，t h eo p t i cf i b e rl a s e ri s a p p l i c a b l et os e n s i n g a p p l y i n gf i b e rs e n s o rb a s e do nt h eo p t i cf i b e rl a s e rc a nm a k e u pt h es h o r t a g et h a tl a s e rf b gs e n s o rh a s u s i n gt h eo p t i cf i b e rl a s e rt y p e ss e n s o r c a nm e a s u r et h ep h y s i c sp a r a m e t e rs u c ha st h et e m p e r a t u r e ，s t r e s s ，s t r a i n ，f i e l d i n t e n s i t y , c u r r e n ta n do t h e r w i s e t h er e s e a r c ho no p t i cf i b e rl a s e rf o rm e a s u r i n ga n d a p p l i c a t i o n sw i l lb e t t e rt h ep e r f o r m a n c eo ff i b e rs e n s o r ，b r o a d e nt h ea p p l i c a t i o n so f o p t i cf i b e rl a s e ra n d f i b e rs e n e o r s i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho no p t i c a lf i b e rl a s e rf o r m e a s u r s i n ga n da p p l i c a t i o n s ，h a sb e e ni n v e s t i g a t e dt 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 t h em a i nc o n t e n t sa l el i s t e da sf o l l o w s ( 1 ) s u m m a r i z et h eb a s i cp r i n c i p l e so fo p t i c a lf i b e rl a s e ra n di t sa p p l i c a t i o ni n o p t i c a lf i b e rs e n s i n g ，p r o v i d i n gf o u n d a t i o no fd e s i g n i n go p t i c a lf i b e rl a s e r si nt h e f o l l o w i n g ， ( 2 ) o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fe r b i u m - d o p e df i b e rl a s e rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so ft h ei n t r a - c a v i t yl o s s ，t h ee d fl e n g t h ，t h eo u t p u tc o u p l i n gr a t i o ，a n d p u m pp o w e rh a v eb e e ns t u d i e d ae r - d o p e df i b e rl a s e rw i t hh i 【g hs t a b l eq u a l i t ya n d n a l l o wb a n d w i d t hi sr e a l i z e d ( 3 ) t h ep r o p e r t i e so fs t r e s sf o rf b g s e n s o ra n daf i b e rs e n s o rb a s e do nt h ed b r f i b e r l a s e rh a v eb e e ns t u d i e de x p e r i m e n t a l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wg o o d l i n e a r i t y t h eo p t i cf i b e rl a s e rs e n s o rs h o w sh i g h e rs i g n a l - t o n o i s er a t i oa n do u t p u t p o w e r 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rl a s e r ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，o p t i c a lf i b e rs e n s i n g ， c o u p l e dm o d et h e o r y , t r a n s m i s s i o nm a t r i x i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪言 1 。1 光纤激光器的诞生与发展 早在1 9 6 1 年，美国光学公司( a m e r i c a no p t i c a lc o m p a n y ) 的e s n i t z e r 等 人就在掺钕( n d 3 + ) 玻璃包层波导中发现激光辐射【”，从而开创了光纤激光器领域的 研究。1 9 6 3 年和1 9 6 4 年他们分别发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果，从而 提出了光纤激光器和光纤放大器的概念。1 9 6 6 年，高锟博士( k c ，k a o ) 和h o c k h a m 在详细地研究了造成玻璃中损耗的主要原因后，提出了基于光学全反射原理的光 导纤维的全新概念【”。1 9 7 0 年，由美国c o m i n g ( 康宁) 公司首先开发出损耗为 2 0 d b l o n 的石英光纤 a l ，这项重大的技术突破，不仅为光纤的研发提供了先进的 技术手段，而且为现代光纤通信及光纤传感的蓬勃发展奠定了物质基础。 随后1 9 7 5 年至1 9 8 5 年的十年中，由于相关条件的限制，对光纤激光器的研 究很少，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，为光 纤激光器的研制铺平了道路。8 0 年代中期，英国s o u t h h a m p t o n ( 南安普敦) 大 学的s b p o o l d 4 1 等人用m c v d ( 化学气相沉积) 方法制成了低损耗的掺铒单模光 纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。1 9 8 7 年，英国通信研究实验室( b t r l ) 报道了其在增益和激发态吸收等研究领域中作大量的基础工作，最重要的是制成 了利用半导体激光器作为泵清源的光纤激光器。8 0 年代后期，美国窳省宝丽来公 司( p o l a r i o dc o m p a n y ) 的h p o 和e s n i t z e r 等人提出了以双包层光纤为基础的包层 泵浦技术，改变了光纤激光器的只能作为小功率光子器件的历史，为瓦级甚至更 高功率的单模光纤激光器的实现提供了坚实的基础。9 0 年代中、后期，随着半导 体激光器和掺杂光纤制造技术的日益成熟，光纤激光器的研究也取得了重大的进 展。 国外1 9 9 9 年v d o m i n i c 等人报道了输出功率高达1 1 0 w 的掺y b 3 + 光纤激光器。 2 0 0 2 年的c l e o 会议上，n s p l a t o n o v 和j l i m p c r l 等分别报道了掺n d 3 + 双包层 光纤和y b 3 + 小d “共掺双包层光纤连续输出达1 3 5 w 和1 5 0 w 的结果。2 0 0 2 年， 美国1 p g 公司陆续研发了一系列波长为1 0 5 0 一1 1 2 0 n m 的高功率掺y b 3 + 光纤激光 器嘲：输出功率分另l j 为2 k w 、1 0 k w ，2 0 0 3 年推出2 0 k w 的高功率激光器；2 0 0 3 年2 月，英国南安普敦大学研发出在单根掺杂y b 双包层光纤获得2 7 0 w 、波 长1 0 8 0 n m 的单模激光输出，同年分别在6 月和8 月研发出在1 0 8 0 n m 输出6 0 0 w 武汉理工大学硕士学位论文 和l k w 的高功率光纤激光器。日本电子通讯大学激光研究所的k u e d a 等人借助 于双包层光纤激光器包层泵浦的思想，提出并实现了一种光纤集中抽运的所谓 “任意形状”光纤激光器，并已获得l k w 以上的连续激光输出。最近，美国正在 加紧高能光纤激光的研究，希望在2 0 0 7 年通过相干组束的方法实现1 0 0 k w 的激 光输出。 国内从8 0 年代末和9 0 年代初开始了这个领域的研究工作，并取得了一些成 果。北方交通大学光波技术研究所，采用6 形光纤光栅激光器实现了4 波长和8 波长的同时激射，输出波长间隔1 6 r i m 或0 8 n m ，单波长线宽0 0 1 n m t 6 1 。还利 用相位掩模版，直接在掺铒光纤上紫外写入n 2 相移光栅，研制出1 0 c m 长d f b 激光器，经过4 0 c m 掺铒光纤放大后，得到线宽为0 0 5 n m 、输出功率为1 0 1 3 i 胛、 斜率效率约为0 1 5 的单频激光输出 7 1 。南开大学使用悬梁臂方法调谐光纤光栅 来调谐环形腔光纤光栅掺铒激光器，实现了窄线宽可调谐激光输出，调谐范围 为5 7 r i m ，线宽小于0 1 n m ，输出功率可达2 4 m w ，斜率效率约为1 4 i s 。上海 光机所报道于2 0 0 3 年研制的掺镱双包层光纤激光器，其功率为5 0 w ，成功研制 出振荡放大方式脉冲光纤激光器，其脉冲频率在2 0 1 0 0 k h z 之间可调，在波长 为1 0 4 6 n m 时的脉冲输出达1 3 3 w 。武汉邮电科学研究院用直接写在长3 0 m m 的 e r y b 光纤上的两个布拉格光栅组成光学谐振腔，研制了一种短腔e r y b 单频 光纤光栅激光器，其斜效率1 4 ，输出光信噪比为6 1 d b ，偏振模抑制比为 3 0 d b t g j 。其它科研机构如清华大学、中科院西安光学精密研究所、中国科技大 学等以及邮电部和电子部所属的一些研究单位也开展了这方面的工作。由于工 艺条件和加工技术以及相关器件的制备方面还与国外有明显差距，所以从总体 上讲在这个领域还没有实用化的产品。 1 2 光纤激光器的特点及应用 1 2 1 光纤激光器的特点 ( 1 ) 光纤既是激光增益介质又是光的导波介质，光纤激光器能方便地延长增 益长度，以便使泵浦光充分吸收，从而使总的光一光转换效率提高并超过6 0 。 低成本、低阈值( 几十毫瓦量级) 、高效率、小型化，这是其他激光器所无法比拟 的： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 光纤激光器的圆柱形结构具有较高的表面积，体积比，散热效果快，环境 温度允许在2 0 + 7 0 。c ，它的工作物质的热负荷相当小，无需庞大的制冷系统， 能产生高亮度和高峰值功率，己达1 4 0 m w c m 2 ： ( 3 ) 容易实现单模、单频运转和超短脉冲( f s ) ； ( 4 ) 光纤谐振腔的腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤耦合器方式构成 谐振腔。加之光纤激光器的体积小且结构简单，工作物质为柔性介质，易于系 统集成，性价比高； ( 习掺杂稀土离子光谱具有较宽的线宽和调谐范围，因此掺杂稀土光纤激光 器有相当多的可调谐参数和选择性，可在很宽光谱范围内( 4 5 5 3 5 0 0 h m ) 设计运 行，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纡激光器，调谐范围己达8 0 n m ， 在d w d m 通信方面有重要意义； ( 6 ) 光纤激光器具有极窄的谱线线宽，良好的光纤兼容性、单色性和输出稳 定性。可在如高冲击、高震动、高温度等恶劣的环境条件下工作。泵浦寿命长， 平均无故障工作时间在l o k h 甚至1 0 0 k h 以上。 与传统单模激光器相比，同样的输出功率，光纤激光器在效率、光束质量 光传递特性、可靠性和体积大小等方面一些明显的优势。此外由于光纤成本 的降低和易于实现流水化及大批量生产等特点，更引入关注。 1 。2 。2 光纤激光器的应用 光纤激光器以其以其无比卓越的性能和低廉的价格，在光通信、军事、医 疗、工业加工和光纤传感等领域具有广阔的应用前景。 在光通信领域，采用光纤布拉格光栅( f b g ) 作为腔反馈和模式选择的掺铒光 纤激光器比较容易实现单模、单频和低噪声运转，可被应用于光弧子通信和空 间光通信领域，使通信系统有更高的传输速度，更远的传输距离。光纤激光器 不仅能产生连续激光输出，而且能实现p s f s 超短光脉冲的产生，在密集波分复 用( d w d m ) 系统有巨大的潜在应用。 在军事领域，高功率光纤激光器以其高亮度，小照射面积，体积小等优点 而备受重视。目前美国、日本等国的科学家们都在致力于千瓦级的激光武器。 另外在定位、测距、遥感、跟踪制导、模拟打靶中也是理想的选择【1 0 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 在医疗领域，光纤激光器因其体积小、光束质量好，无需庞大的水冷系统， 大大缩短手术时间，已经得到了广泛的应用。业已成功应用在治疗眼科疾病( 角 膜成型、近远视) 、心血管手术、整型美容、皮肤病等方面。功率超过几瓦的 光纤激光器在显微外科手术中扮演了重要的角色，能为外科手术提供较大的高 辐射能源【1 1 】。 在工业加工领域，由于光纤激光器具有高的光束质量和定位进度，使其不 仅在微米量级对半导体及包装打标效率极高，而且也常被用于在金属和非金属 材料的加工与处理、激光雕刻、激光焊接、焊缝清理、精密打孔和激光图形艺 术成像等方面【1 2 】。 在光纤传感领域，光纤激光器用于相位型、波长型、光强型和偏振态型光 纤传感中。在石油或天然气井中可测量温度f 1 3 】和压力【1 4 l ；在道路、桥梁【1 5 l 和船 壳中可测量应变；在飞机机翼中进行飞行健康监控：还能应用于光纤水昕器【1 6 l 和电流传感中f ”。 1 3 光纤激光器的分类 光纤激光器有很多种，现按不同分类方法汇总于表1 1 所示 表1 - 1 光纤激光器分类表 按谐振腔结构分类f - p 腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8 ”字形腔、d b r 光纤 激光器、d f b 光纤激光器、 按光纤结构分类单包层光纤激光器、双包层光纤激光器 按增益介质分类稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑 料光纤激光器 按工作机制分类上转换光纤激光器、下转换光纤激光器 按掺杂元素分类掺铒( e 1 3 + ) 、钕何矿+ ) 、错( p r 3 + ) 、销i m 3 ) 、镱( y b 3 + ) 、钬m 0 3 + ) 等1 5 种 按输出波长分类 s 波段( 1 2 8 0 1 3 5 0 n m ) 、c 波段( 1 5 2 8 1 5 6 5 n m ) 、l 波段( 1 5 6 1 1 6 2 0 n m ) 按输出激光分类脉冲激光器、连续激光器 1 3 1 稀土类掺杂光纤激光器 4 武汉理工大学硕士学位论文 稀土元素包括1 5 种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有 源光纤中掺入的稀土离子有e r 3 + 、n d “、t m 3 十、h 0 3 + 、y b “、p r 。掺铒( e p + ) 光纤在1 5 5 p r n 波长具有很高的增益，正对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在 的应用价值，掺铒( e r ) 光纤激光器发展十分迅速。掺镱( y b 3 + ) 光纤激光器是波长 1 0 1 2g r a 的通用源，y b 3 + 具有相当宽的吸收带( 8 0 0 1 0 6 4n m ) 以及相当宽的激 发带( 9 7 0 1 2 0 0 h m ) ，故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。 e r 3 + y b “共掺，可以使1 5 5 0 n m 波段的光纤激光器性能得以提高。掺铥( 1 m 3 + ) 光纤激光器的波长也位于光纤通信低损耗窗口1 4 5 0 a m 1 5 0 0 n m 之中，也是重要 的光纤通信光源。t k o n w k a i 等人获得了输出功率1 0 0 m w 、斜率效率5 9 的 1 4 7 i _ t m 掺t i n “光纤激光器。2 1 岬的掺钬( l o “) 光纤激光器，在医疗和生物学 研究上有广阔的应用前景。3 9 p m 的掺钬f 1 1 0 3 + ) 氧化物光纤激光器主要用于大气 通信上( 3 凹l - 5 斗m 为大气通信窗口) 。其它如p r 3 + 或p r 3 b 3 + 掺杂光纤激光器，人 们己实现了蓝、绿、桔红和红光等可见光激光振荡。 1 3 2 光纤非线性效应激光器 这类光纤激光器与掺稀土光纤激光器相比具有的更高饱和功率和没有泵浦 源限制等优点，发展较为迅速，在光纤陀螺、光纤传感、波分复用器 d m ) 以 及相干光通信系统中的重要应用。其主要分为两类：( 1 ) 光纤受激拉曼散射激光 器； 1 ( 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 即上能级的粒子数密度大于下能级的粒子数密度( 粒子数反转) 。为此必须 依靠外界能量对原子体系进行选择性激发。 在受激辐射几率，一色。p ( v ) 中，辐射能量密度p ( v ) 在受激辐射过程中是 一个变量，因此w 2 l 与自发辐射几率a 2 。不同。当一个原子体系实现了粒子数反 转之后，入射的光信号因受激辐射而获得增强，w 2 l 又相应的增大，进一步引发 大量的受激辐射，这是一个正反馈过程。在实际激光器中，引发大量原子产生 受激辐射的初始信号不是外界注入的，而来源于激光器的自发辐射。由于自发 辐射是随机的，在各个方向上原则上都可以引起受激辐射，因此为了实现某些 特定方向、特定频率的光信号诱导的受激辐射占优势，必须对光的方向和频率 有所限制，即使光子集中在选定的一个或几个状态中。在该状态中，由于受激 辐射的放大作用，辐射能量密度p ( v ) 大大增强，而其他状态的p ( p ) 很小。在实 际激光器中，这种限制作用或者说限模作用是通过谐振腔实现的。 2 2 3 光纤中的激光过程 当光通过光纤介质时其部分光子将被介质吸收，这些光子的能量促使介质 的电子跃迁到激发态。辐射过程有自发辐射和受激辐射两类。后者是一种同步 辐射，可以形成相干性极好的激光。若要形成激光振荡，则需满足以下条件： ( 1 ) 激光发射是一种在比例上受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了 使这一过程连续发生，必须形成粒子数反转，因此要求：第一参与激光工作的 能级超过两个，第二应有泵浦光源提供能量，而且在数值上要超过激光上能级 的能量，即首先必须通过泵浦将电子激发到高于激光工作上能级的某个能级上。 换言之，激光光子的波长较之泵浦光予的波长长。由于激光的产生必须满足这 些条件，所以激光过程有明显的阙值。激光的特点实际上也是展示不同阈值的 一个过程。当在阚值功率以下进行泵浦时，输出的是非相干的自发辐射，当在 高于阈值功率条件下进行泵浦时，则产生频谱较窄的激光输出，且输出的功率 基本上正比于输入的泵浦功率。 ( 2 ) 应有适宜的光学正反馈回路以保证形成激光振荡，或者说需要提供合 适的光纤谐振腔。 2 3 掺稀土光纤激光器的特性分析 武汉理工火学硕士学位论文 2 3 1 光纤的基质材料 玻璃是形成稀土掺杂光纤的基质材料。由大量共价结合的分子组成，形成 无规则的网状矩阵，稀土离子作为网状系统的调节剂存在或者填隙式的存在于 玻璃网状物中。光纤激光器的光学特性由稀土离子控制，但玻璃基质对光学特 性也有着重要影响。玻璃基质对稀土离子的影响主要表现在两个方面：第一是 引起s t a r k 分裂。由于基质材料中电场的非均匀性分布的影响，消除了原来存 在的能级简并度。这是由于基质原子之间的共价键所致。因此对于给定的电子 跃迁，光谱上将第二个影响是是使能级加宽。由于基质作用而使离子能级加宽 的机制比较复杂，有多种因素可对其产生影响。主要有：( 1 ) 声子加宽。当两个 能级之间发生跃迁时将发生某种形式的能量交换，这种能量交换包含有声子的 产生和湮灭。在给定的温度下，将存在一个声子的能量分布，从而引起能级的 扩展；( 2 ) 基质电场对能级的微扰。这种微扰对于不同离子使不同的，取决于周 围环境，因此是一种非均匀加宽。 2 3 2 掺杂稀土离子 掺杂稀土离子在掺稀土光纤激光器中占核心，它决定着对光泵浦的吸收和 激射光谱。稀土元素，即元素周期表中的镧系元素。目前总共有1 5 种，在周期 表中占据倒数第二行的位置。这类稀土元素都有相同的外电子壳层结构，即 5 s 2 5 p 6 6 s 2 形式，属于满壳层结构，彼此区别仅仅在于4 f 壳层的电子占有数，也 可以说，其光学性质仅取决于4 f 壳层内电子占有数的多少。稀土元素的电离通 常以形成三价状态的形式出现，例如铒离子e 一，钕离子n d 3 + ，镱离子y b 3 + 等 等，他们溢出2 个6 s 和1 个4 f 电子而成为三价的正离子，而5 s 和5 p 层的电子 却保持不变。由于剩余的4 f 电子受到外电子壳层的屏蔽作用，因此他们的荧光 特性与吸收波长等光学特性不易受外场的影响，具有很好的稳定性【2 7 l 。其它元素 离子不具有这个电子屏蔽作用，跃迁就不同。稀土元素的能级十分丰富，其4 f - 4 f 和4 f - 5 d 能级跃迁覆盖了从紫外u v ( - - o 1 8 p m ) 至红外m ( - 5 斗m ) 波长，最短的激光 发射波长( o 1 7 2 眦- n ) 是室温激光泵浦n d ”离子的4 f - 5 d 能级跃迁，最长的激光发射 波长是5 1 5 1 t i n ，是n d 3 + 离子的阶梯跃迂所产生的。发射波长最多的离子是h o ， 具有1 2 个激光通道，e ，具有1 1 个通道而p r 3 + 具有8 个通道。 2 。3 3 掺e r “离子的光谱特性 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 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 对应光的吸收过程，由上能级至下能级的电子跃迁对应光的荧光过程。铒离子 e r “，其基态为4 i l 班，第一、二激发态分别为4 1 1 3 ：和4 1 1 1 ，2 。第二态的受命很短， 仅有7 s 左右，第一激发态是一个亚稳态，寿命长达1 0 m s 。因此，4 i 】s ，4 i 】3 n 和4 i l l 2 构成了一个很好的三能级系统。e r 3 + 离子能级图如图2 2 ，e r 3 + 离子吸收 与荧光谱图如图2 - 3 所示。 4 1 图2 2e r 3 + 离子能级结构图 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 01 1 0 01 6 0 0 图2 3e 一离子吸收和荧光谱 ( 实线表示吸收谱，虚线表示荧光谱) e r 3 + 离子的吸收和荧光发射分别发生在下列能级之间： 广4 1 ：成飞鼢 吸收过娌：从基态41 1 5 2 十4 i l v 2 对应于9 8 。n m 波欧 j l 4 1 1 3 ，2 ( 对戚干1 4 8 。n m 波长) 荧光过穰；从激发态4 1 1 3 2 - 4 i j 5 ，2 ( 对应 ：1 5 3 6 n m 波长) e r j + 离子在8 0 0 n m 、9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 处有吸收带存在。8 0 0 n m 处存在激发态 吸收( e s a ) ，为减小e s a 的影响，泵浦波长选在8 0 0 n m 附近，但是泵浦效率还比 较低。9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 泵浦带都有e s a 效应，而9 8 0 n m 泵浦系统为三能级系统， 泵浦效率高，增益系数最高，比1 4 8 0 r i m 高约2 3 d b 。另外1 4 8 0 n m 处吸收带基 本与荧光带( 1 5 5 0 n m ) 交迭。1 5 5 0 n m 可以诱发e r “离子产生受激辐射。从亚稳态 4 1 1 3 ，2 跃迁到基态4 1 1 s c 2 ，同时发射出与信号光波长一样的光子，实现1 5 5 0 n m 光放 大。在信号放大过程中，e r “从上能级到下能级的自发辐射总是存在的。当泵浦 光达到一定强度时，这种放大的自发辐射将大大加强，形成“超荧光”。超荧光 缈和咖协 武汉理工大学硕士学位论文 是介于激光与荧光之间的一种过渡状态，是放大的自发辐射( a s e ) 。若泵清光功 率很强，掺e r 3 + 光纤中的辐射放大增益将完全抵消系统的损耗，从而形成自激振 荡产生激光口”。 2 3 4 掺y 旷离子的光谱特性 掺y b 3 + 光纤包含两个多重态，如图2 - 4 所示。基态2 f 班( 含4 个s t a r k 能级) 和激发态2 f s n ( 含3 个s t a r k 能级，在基态以上1 0 0 0 0 c m 1 的位置) ，抽 运光波长处和信号光波长处都不存在激发态吸收，大的能级间隔( 2 f 7 2 和2 f 跎) 也阻碍了多光子非辐射弛豫及浓度淬灭现象的发生。上述几个因素引起的抽运 转换效率的降低也会引起激光介质热效应增加的闻题。 如图2 - 5 所示，掺y b 3 + 离子的吸收谱线在8 5 0 n m 1 0 5 0 n m 之间存在着两个吸 收峰，分别对应于9 1 5 n m 和9 7 6 n m 。9 7 6 n m 的吸收峰较高而且很窄，f w h m ( 半高 全宽) 约为8 r i m 。而9 1 5 n m 的峰则比较低和平缓，高度大约为9 7 6 n m 峰值的三分 之一，f i 忏i m 约为5 0 n m ，非常有利于镱离子作为中间介质吸收能量并传输给其它 掺杂离子。荧光( 辐射) 光谱是从9 0 0 n m 1 2 0 0 n m 的连续谱，其中同样存在着 两个峰，9 7 6 n m 的峰比较陡，对应着d 到a 的三能级跃迁，f w h m 约为l o n m ) 而 1 0 3 0 n m 的峰较为平缓，对应于d 到b 和c 的准四能级的跃迁，f w h m 5 0 n m