（凝聚态物理专业论文）紧凑光子源研究.pdf

一 -. .沁砚，.哪即尹 侧 南开大学博士学位论文 紧凑光子源酬究 abs tract t h e d e v e l o p m e n t o f l a s e r s i s t r e n d i n g t o th e d e m a n d s o f a p p l i c a t i o n s . mu c h r e s e a r c h w o r k o n c o m p a c t p h o t o n s o u r c e s w it h s m a l l s i z e , l i g h t w e i g h t , h i g h e f f i c i e n c y a n d h i g h q u a l i t y i s b e i n g c a r r i e d o u t . t h i s t h e s i s d e s c r i b e s s o m e w o r k o n i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o f l a s e r s , w h i c h i h a v e c a r r i e d o u t d u r i n g t h e p a s t t h r e e y e a r s . f o l l o w s a r e t h e m a i n p o i n t s : 1 . b o t h l i t t r o w a n d l i t t m a n s e t - u p o f 8 0 0 n m - b a n d e x t e r n a l - c a v i t y d i o d e l a s e r s y s t e m s a r e s t u d i e d . 1 0 m n t u n i n g r a n g e i s a c h i e v e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 2 . t h e i n fl u e n c e o f t h e p o s i t i o n i n g e r r o r s o n t u n i n g r a n g e i n e x t e r n a l - c a v i t y d i o d e l a s e r s y s t e m i s a n a l y z e d i n d e t a i l f o r t h e f i r s t t i m e a s m y k n o w l e d g e . a n e x p e r i m e n t a l s y s t e m o f 1 . 5 5 1 t m - b a n d e x t e rn a l - c a v i t y d i o d e l a s e r s y s t e m w i t h m o r e t h a n 5 0 n m m o d e - h o p fr e e t u n a b l e r a n g e i s r e p o r t e d . 3 . f o r t h e f i r s t t i m e , t h r e e t y p e s o f s i n e s t r u c t u r e s f o r w a v e l e n g t h l in e a r s c a l e i n g r a t i n g s p e c t ru m i n s t r u m e n t s a r e d e s c r i b e d s y s t e m a t ic a l l y . t h e t u n i n g s t r u c t u r e s f o r w a v e le n g t h l i n e a r s c a l e i n b o t h l i t t r o w a n d l i t t m a n s e t - u p e x t e r n a l - c a v i t y la s e r d i o d e s a r e d e s i g n e d . 4 . t h e t u n a b l e 1 . 5 5 p m e x t e rn a l c a v i t y l a s e r d i o d e b y u s i n g f i b e r b r a g g g r a t i n g i s r e p o r t e d . u t i l i z i n g c a n t i l e v e r b e a m t u n i n g m e t h o d , a t u n i n g r a n g e 7 n m i s a c h i e v e d . t h e s i d e m o d e s u p p r e s s i o n r a t i o a b o u t 3 9 d b i s r e a l i z e d . 5 . a t u n a b l e c l a d d in g - p u m p e d y b 3 - d o p e d f i b e r l a s e r s y s t e m i s r e p o r t e d . t h e l i tt r o w g r a t i n g t u n i n g m e t h o d i s e m p l o y e d f o r t h e f i r s t t i m e i n d o u b l e c l a d d i n g f i b e r l a s e r s . b y t u n i n g t h e a n g l e o f t h e g r a t i n g , w e h a v e a c h i e v e d a t u n i n g r a n g e o f m o r e t h a n 4 0 n m. 6 . t h e d e s i g n i n g t h e o r y o f o p t i c a l r e s o n a t o r f o r s o l i d - s t a t e l a s e r i s d e v e l o p e d b a s e d o n p r o p a g a t i o n - c i r c l e 一 t r a n s f o r m - c i r c l e g r a p h i c a n a l y t i c me t h o d . a n o v e l r e s o n a t o r , a d a p t i v e t h e r m o d y n a m i c s t a b l e r e s o n a t o r , i s d e s c r i b e d . t h e d e s i g n p r i n c i p l e o f p a r a m e t e r o f t h e r e s o n a t o r i s i n t r o d u c e d . a c o m p a c t a n d fl e x i b l e a d a p t i v e r e s o n a t o r i s p r e s e n t e d . 7 . a n e w c o n c e p t i o n o p t i c a l b a l l a s t i s i n t r o d u c e d f o r t h e f i r s t t i m e a s o u r k n o w l e d g e . o p t i c a l b a l l a s t c a n b e u s e d t o d e c r e a s e t h e v a r i a t i o n o f b e a m p r o p a g a t io n c h a r a c t e r i s t i c d u e t o t h e d i s t u r b a n c e o f r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e m e d i u m . t w o t y p e s o f o p t i c a l b a l l a s t a r e d e s c r ib e d . k e y w o r d s : c o m p a c t p h o t o n s o u r c e s , t u n in g , e x t e r n a l - c a v i t y l a s e r d i o d e , s i n e s t r u c t u r e , d o u b l e - c l a d d i n g f i b e r , f i b e r l a s e r , s o l i d - s t a t e l a s e r , a d a p t i v e o p t i c a l r e s o n a t o r , o p t i c a l b a l l a s t 二 二二 二 孟 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 石 二 牛 i t - 11、 南开大学博士学位论文 紧凑光子源研究 第一章导论紧凑光子源研究进展 激光器是二十世纪重大的科技发明之一。四十多年来，激光科学技术表现 出强大的生命力，激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领 域，远远超出了四十年前人们的预想。特别是近十年来，光电子技术的发展可 以用 “ 突飞猛进”来形容。作为光电子技术核心之一的各类激光器不仅大量生 产，广泛应用，而且在技术上不断地更新换代，发生了质的突变。 自1 9 6 0 年第一台红宝石激光器诞生起，具有不同 学科和技术背景的科学家 陆续发明了 各种不同类型的激光器和激光控制技术。 例如气体原子 ( h e - n e 等) 激光器、气体离子 ( a r 十 等) 激光器、气体分子 ( c 0 2 等) 激光器、气体准分子 ( x e c l , k r f等)激光器、金属蒸汽 ( c u )激光器、可调谐染料激光器、自由 电子激光器、极紫外及 x射线激光器、掺钦宝石激光器、半导体 ( g a a s , i n p 等)激光器、固体 ( n d :y a g等)激光器、光纤激光器等等。气体激光器体积 大、效率低 ( 一般为1 0 4 一1 0 -1 ) 、寿命短。在2 0 世纪8 0 年代，不少学者预舀 - 激光器的发展趋势将象电子器件一样走向小型化、固态化。当代激光器的发展川 证实了这一预言的正确性:现在，半导体激光器及二极管泵浦的固体激光器、 光纤激光器已成为激光器的发展主流;半导体激光器由 近红外向可见光的全波 段迅速扩展，固体激光器从灯泵浦发展到二极管泵浦，光纤激光器由纤芯泵浦 方式发展到包层泵浦方式。激光器大大减少了体积，提高了效率，增长了寿命: 同时，也降低了价格，更多的为人们所采用。这些新型紧凑光子源的快速发展 使得以激光为基础的光电子技术的应用渗透到人类社会生活的各个方面。 芍 1 . 1 外腔半导体激光器的研究进展 半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器，其发展史几乎和激光 器本身的发展史一样长。早期的半导体激光器难于在室温下连续工作。7 0年代 初期，采用异质结结构的可在室温下连续工作的半导体激光器的出现，开创了 半导体激光器的新时期。到 1 9 9 9年，激光二极管销售额己占各种激光器销售总 额的6 5 % , 2 0 0 0年已 达到 7 5 % 12 1 。 若按激光器数量来统计， 激光二极管占 总数 的 9 9 %!与其它激光器相比，半导体激光器具有小型化、电注入、高效率、低 功耗、寿命长和可直接调制等优点，尤其是电注入泵浦方式使得它可以与电子 器件直接接轨，从而使发展光子、光电子和微电子器件的集成成为可能。但由 fg 3 f k i + 垫 . ir z 一 一 一 一=一 一 一 一* a )e t r w k 于 半导 体 激 光 器 带 一 带 激 发 的 特 性， 使 普 通 的 半 导 体 激 光 器 存 在 一 些 固 有 的 缺 陷 ， 如 谱 线 宽 、 频 率 稳 定 性 差 等 。 这 些 缺 陷 使 得 普 通 半 导 体 激 光 器 难以 在 某 些 领 域 中 置 接 应 用 。 如 何 克 服 这 些 缺 陷 ， 改 善 半 导 体 激 光 器 的 输 出 特 性 ， 获 得 线 宽 窄 、可 调 谐 、 输出 稳 定 的 光 源， 一 直是 人 们努 力 的 方 向 1 9 8 0年， r . l a n g 和k . k o b a y a s h首 次 将曾 用 于 染 料 激光 器的 外 腔 反 馈 技术 应 用 到 半 导 体 激 光 器 上，实 现了 线宽压窄和波长调谐x3 1 。从 此， 外腔反馈半导体激光 器以 其优良 的 光谱特性吸引了大量的研究人员，理论、实验及应用方面的报道不断涌现。虽 然采用的装置不尽相同， 但使用的方法都是 在普通的半导体激光器的发光 面之 外用光反 馈元件形成外腔，将部分输出光反馈回有源区， 通过反馈光和有源区 光场之间的有效相互作用，可以降低激光器的噪声， 选取单纵模，压窄激光器 线宽，增大波长调谐范围。 与其它可调谐激光器相比，外腔半导体激光器有许多突出的优点 ，如结 构紧凑、效率高、寿命长，并且光谱特性优良，如线宽窄、波长调谐范围宽、 容易产生超短脉冲输出和实现高频幅度和频率调制等。作为新一代的紧凑可调 谐光子源之一，可取代染料、钦宝石激光器等传统的可调谐激光器。它可用作 光纤通信、光交换、光存储、光陀螺、光频标、计量检测、高分辨率光谱分析 等领域的必要紧凑光子源;同时，在激光打印、激光测距、光雷达、工业现场 工艺监控、大气环境污染监测、水质土壤检测、医学诊断和其它高分辨率光谱 分析测量等领域有着广泛应用。 外腔半导体激光器的研究从 8 0年代初开始活跃起来，当时的半导体激光器 还不能单频工作，一些著名的大学及研究所如美国麻省理工学院、华盛顿海军 实验室、英国国家电信研究所、日本东京工学院等单位采用外腔对多模半导体 激光器进行选模和压窄线宽;同时，通过外腔对半导体激光器内部工作机理和 特性进行研究。 国内清华大学最早开始这方面的研究工作。 到了8 0 年代中后期， 随着半导体工艺技术水平的提高，分布反馈式动态单模半导体激光器件 d f b ( d i s t r i b u t i o n f e e d b a c k )逐渐走向实用，但其波长稳定性及线宽指标无法和外腔 半导体激光器相媲美，因此，外腔半导体激光器的研究不仅没有减弱，反而有 更多的国家和单位加入这一行列。其中除少数大学外，多数是从事通信研究及 半导体激光器制作的大公司、大研究所，如日 本的 n e c , n t t 、富士通和美国 的 a t 进 2- 塑 里 塑 当 鳖 些 兹 一.一一一遭 夔 鉴 翌 坚 入9 0 年代， 这项研究又有新的发 展， 能 在较大范围内 实 现 连续调谐， 在1 . 5 4 lx m 波 段 连 续调 谐范 围 可 达8 2 =16 1 ， 在 8 2 5 n m波 段的 可 达4 0 n m 7 1 ， 相应 的 线宽 都 可压窄至 i o o k h z以下。 下面着重介绍一下与本论文有关的几个重要应用。 ( 1 )用作拉曼光谱仪的光源1a . v i-8 0 0 n m波段可调谐半导体激光器 1 9 2 8 年， c .v . r a m a n 发现了拉曼效应， 在此基础上， 发展了拉曼光谱技术。 与其他光谱技术相比，拉曼光谱具有几个很重要的优点，例如，可以提供一些 独特的生物化学分子结构信息，这些信息对预测癌症及其它危害生命的疾病很 有帮助;并可用紫外光、可见光或近红外光来激发样品。这种灵活性允许使用 传统的光学系统，如光纤探头、共焦显微镜来进行采样。大多数现代拉曼谱仪 不要求专门的样品制备，就可以对诸如活细胞、炼油厂液流等样品进行现场测 量。此外，与红外光谱不同，拉曼谱由尖锐谱线组成( 代表基频振荡) ，因而样 品浓度可由尖锐谱线的面积得出。 但是拉曼散射是一种低概率事件，信号功率很低。尤其是当探测低浓度化 学成分时，拉曼散射可能相当弱。如何提高拉曼散射信号的信噪比，从而提高 拉曼光谱的灵敏度，是制约拉曼技术发展和应用的关键环节。在环境控制和过 程控制的应用中，样品中往往含有某些物质，在可见光的激发下会发射荧光。 这种荧光常常比拉曼散射强1 护 - i 0 4 倍，即使是样品荧光的残留量也会形成显著 的背景光，降低系统的信噪比，使拉曼谱仪不能作精确的定量分析;严重时， 拉曼信号甚至会完全被背景荧光所淹没。为解决这一问题， 可使用近红外激光 源以减少样品荧光，因为长波长光不会激发太多分子到能发射荧光的高能态。 若用输出波长为1 0 6 4 n m的n d : y a g激光器作光源，其激发的r a m a n 信号偏离 c c d探测器的灵敏检测范围;掺钦蓝宝石激光器可以提供 7 5 0 - 8 0 0 n m的波长， 但结构复杂，体积庞大，不利于集成化和现场应用。相比之下，该波段的半导 体激光器具有较大优势， 其结构紧凑，也易于集成到拉曼分光计中。因为拉曼 散射的峰值并不出现在固定的波长上，而是相对激发光源波长有一定的偏移， 所以拉曼谱仪对激光的线宽、波长稳定性及可调谐性有较为严格的要求。使用 适当输出功率的光栅外腔半导体激光器可以实现窄线宽输出，而且能够满足定 量拉曼测量所需的波长稳定性和横模特性，是拉曼谱仪的理想光源之一。 ( 2 )光纤通信的光源及波长标准。 。 ， ” 目前的光纤通信技术中，波分复用 ( wd m)技术以其优良的性能受到广泛 关注，将成为未来通信的主流。wd m 技术充分利用了光纤的通信带宽，采用 多信道方式，实现宽带大容量传输，即在不改变原有光缆和信道带宽的基础上， 一 3- 里 里 鳖 型_ig 墓 一 一 一一一一一一一 : i? 里 j .)l 用 多 路 信号 覆 盖 光 纤的 通 信 带 宽 ， 使 光 纤 的 宽 带 特 性 得 到 充 分 的 利 用， 提高 单 根光纤的总传输容量。 在w d m系 统中 ， 以 不 同 波 长 工 作 的 激 光 同 时 沿 一 根 光 纤 发 送 彼 此分 开 的 数 据， 在 接收 端用光 学 解复 用方 法将不同 波长 分开， 分别检 测。 要 保证系 统正 常、 稳定、高 效率地工作，光源起 着核心 作用。 w d m 系 统要求光源线宽窄、 频率稳定。光 纤放大器存在一定的 增益带宽，要 在这一带宽中 尽可能多的容纳 信道， 并保持一定的间隔， 这就要求各信道载波的 线宽要窄。国际 通信联合会 制定了3 2 路wd m的标准， 规定信道间隔为1 0 0 g h z ( 0 .8 n m ) 1 0 i 。而且，在远距 离高 速传输系统中，如果激光器输出光的光谱较宽，光纤色散会使光脉冲进一 步 展宽，引 起码间串 扰。 窄线宽可调谐半导 体激光器可 获得波长稳定的激光输 出， 而且波长在一定范围内可调谐，这样在多路光通信系统中就可将得到的各 个波长的输出分别分配给每一信道。 据文献报道， 这种激光器很容易将线宽压 窄到i g h z ，用于上述0 . 8 m 信道间隔的系统中，可在 1 5 3 0 -1 5 6 0 n m掺饵光纤 放大 器 ( e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) ) 增益带宽内 实现多 于3 2 路的 信 道传输。随着外腔半导体激光器的波长控制进一步提高，wd m 系统的信道间 隔向更窄的方向发展，即可实现光纤通信密集波分复用 ( d wd m)技术。 在波分复用系统中，为了 保证信道质量，有较高的传输信噪比，必须有效 地抑制不同波长信道间的串扰。这就要求系统中的所有有源和无源器件都工作 于指定的光谱范围内，无过分频移。因此在制造、安装和服务、维修阶段，都 需要检测激光器、滤波器和光纤光栅等关键元件的波长特性。为保证激光器输 出波长的稳定性，需要将激光输出锁定在一个已知的标准波长上。提供绝对波 长标准的一个有效方法是将激光波长锁定在原子或分子的吸收谱线上。事实上， 在其他许多波段， 用原子或分子的谱线作为波长标准己经获得广泛的应用。在 中红外区， 高精度( 1 0 - z ) 的频率标准已 经建立 起来了， 比如c h , 稳频的3 .3 9 p m 氦 氖 激 光器， o s 0 ; 稳 频的 1 0 tm二 氧化 碳激 光 器 p 2 , 13 1 。 在 可见区， 卜 分 子 兰 姆 凹陷稳频激光器在几个光频段的精度可达到1 0 .1 0 _ 1 0 - 11 p 4 1 。然而，在近红外区， 除了 1 . 1 5 p m兰姆凹陷 稳频的 氦 氖激 光器 p 5 1外， 几乎 还 没 有其它的 频标。 随 着 d w d m技术在光纤通信系统的快速发展， 人们迫切需要 1 . 5 5 m波段的光频标 准。直至 1 9 %年，日 本东京工学院的k . n a k a g a w a 首先测量了乙炔在 1 . 5 5 1 3 m 波段振转谱线的绝对频率，提供了 此波段的 波长标准” 1 1 。目前各国的计量部门 都在研究乙 炔饱和吸收稳频外腔半导体激光器， 抓紧建立1 .5 5 i m波段的波长标 准。为 使外腔半导体激光器的输出 波长覆盖乙 炔在1 .5 5 p m波段的所有吸收线， 要求激光器具有连续无跳模的可调谐波长输出。同时，无跳模的波长输出也是 高精度原子、分子光谱学的需要。因此，研究无跳模调谐激光器具有非常重要 意义。 二二奋二二二二二舀曰二二二二二二曰盆目二 一 a 南开大学博士学位论文 紧凑光子源研究 1 . 2 光纤激光器的 研究进展 早在 1 9 6 1 年e l i a s s n i t z e : 就发现了掺钱玻璃包层波导中的激光现象! 16 1 。不 久，他又报导了饵、镜等掺杂光纤的激光输出1 1 . 1 9 7 8年 h i l l 成功地研制出光 纤光栅1 1 8 1 ，使激光器的全光纤化成为可能。八十年代开始，由于高功率输出的 半导体激光器的问世和掺稀上离子单模光纤生产技术的成熟，有源光纤器件开 始快速发展。英国南安普敦大学的电子工程系和物理系、英国通信研究实验室、 德国汉堡的技术大学、日本的三菱公司、美国的宝丽来公司和斯坦福大学等单 位，都在此领域进行了大量研究工作，并制成了光纤激光器和放大器! 19 1 。光纤 激光器的特点决定了它的优势。但是，常规的光纤激光器都是将泵浦光直接 7 合进直径少于 1 o p m的单模光纤芯，祸合效率低，导致光纤激光器的输出 功率 较低，限制了其应用。因此，光纤激光器通常被认为是一种低功率的光子源。 双包层光纤的研制成功为提高光纤激光器的泵浦功率提供了 解决途径。原先全 部的石英玻璃包层变为围绕掺稀土纤芯的第二个波导，这样可使泵浦光能够有 较大的可入射面积而不是以前较细的单模纤芯。由于泵光与纤芯有一定程度的 重叠，随着泵光在光纤中传播，纤芯不断地被泵浦。纤芯能够产生比泵浦光高 出近千倍的输出亮度。亮度的提高使双包层光纤激光器具有了比半导体激光器 和其它类型光纤激光器更显著的优势。例如，用半导体激光器进行泵浦，可以 将超过1 0 0 瓦的功率有效地藕合进双包层光纤的直径为2 0 0 1x m的内 包层中。 这 比单模波导提高了两个数量级四。 包层泵浦技术是在二十世纪8 0 年代后期，由美国麻省宝丽来公司最早提出 的。1 9 9 3年， h . p 。等报道了 他们研制的高功率掺n d 3 双包层光纤激光器，在 1 0 6 4 。 波长获得了近 5 w 的单模连续激光输出， 斜率效率达到 5 1 % 12 。 在 9 7 激光电光学会议 ( c l e o)上，宝丽来公司的研究者们报道了输出功率为 1 6 - 3 5 w、波长为 1 0 6 5 1 4 7 2 n m 的包层泵浦掺 e r a / y b 3 + 光纤激光器12 2 1 . z .j . c h e n 等报道了 包层泵浦掺n d 3 调q光纤激光器， 获得了 峰值功率3 .7 k w、 脉宽2 n m 的脉冲激光输出12 3 1高功率光纤激光器的实现，使纤芯内的光功率密度达到每 平方厘米百兆瓦量级，光纤中因此出现多种非线性现象，这些非线性效应提供 了拓宽光纤激光器输出波长范围的有效途径。d .i n n i s s 研制成功包层泵浦串级 r a m a n 光纤激光器， u w e b r i n k m a n n 介绍了 包层泵浦频率上转换光纤激光器12 + 1 在， 9 8 激光电光学会议 ( c l e o )上，朗讯技术公司的s .k o s in k i 和d .i n n i s s 又报 导，用一种内包层为星形的掺y b 3 双包层单模光纤激光器得到2 0 w 的激光输出 12 5 i . v . d o m i n i 。等人在 1 9 9 9 年己实 现将掺y b 3 双包层光纤激光器的输出功率 提高到 1 1 0 瓦，泵浦转换效率达 5 8 % 12 6 1 0 二石二二二盖二二二二 二二二二品二 一 5 1 3f 望t 4i i坚一一一一一一一一一一 我国 在 近 几年也 开 展了 双包 层 光 纤 激 光 器 的 研 究。 电 子 部四 十 六 所 和 武 汉 邮 电 科 学 院 等 单 位 进行了 双 包 层 光 纤 的 试 制 ; 南 开 大 学、 中 科院 上 海 光 机 所 中 国 科 技 大 学 和 武汉 邮电 科 学院 等 单 位 对 各 种 双 包 层 光 纤 激 光 器 进行了 一 系 列 理 论 和实 验研究， 并 取得了 可 喜的 进 展。 最 近， 上 海 光 机 所陈 柏等 人报导了“ l d 抽 运的 掺y b 十 双包 层光 纤 激光 器” 实 验结 果 123 1 ， 他们 用9 8 1 .5 n m国 产半 导 体 激 光器做泵浦源，在多个波长获得激光输出， 其中 输出 1 0 3 7 n m波长的激光 3 .8 4 m w,阂 值功率为 3 .5 8 m w，斜效率5 5 % 。南开大学也 用国产半导体激光器 分别泵浦国内电子部4 6 所研制的和俄罗斯普通物理研究所研制的双包层光纤， 实现了大于3 0 0 m w的较高功率的激光输出。 近几年，高功率双包层光纤激光器获得突飞猛进地发展，高功率、高亮度 多模半导体激光器的改进和包层泵浦光纤技术的发展，使得高功率光纤激光器 出现一片光明的前景。 由于光纤的散热特性以及高效率，使高功率光纤激光器受到广泛的欢迎。 目前，在高功率激光器应用方面它己成为人们的首选产品，因而引起人们浓厚 的商业兴趣。 现在，己 有包括美国s d l和俄罗 斯i r e p o lu s 在内的几家公司， 能提供高功率系列光纤激光器产品。另外，一些传统的激光和通信公司，以及 诸如 英国的s o u t h a n p t i o n p h o t o n i c s 公司 也正 准 备 进入这 个市场。 高功率双包层光纤光源在工业加工、印刷、打标、军事、医疗和通信商业 上有着广泛的应用。 在印刷工业中，利用双包层光纤激光器扫描与调制，可以在一块千衬底表 面上 形成图片， 坐标单位仅为l 0 lm 。 它还被用做激光烧蚀转换， 在施主 板上的 颜料或感光物经激光烧蚀，沉积在受主板或模上。为了在几分钟内对标准尺寸 图片曝光，连续激光器要求功率大于 l o w，双包层激光器能满足这一要求。现 在，双包层光纤激光器已被国外大多数印刷厂家用来校样和制模。激光波长在 1 0 8 0 n m附近的掺镜光纤激光器有非常高的效率和功率，在材料加工、打标应用 方面也向传统的激光器发起了挑战。 在光纤通信方面，飞 速发展的 w d m技术使得光纤传输能力达到 1 0 b id s 以上。在日新月异的因特网技术发展的驱动下，高功率光纤放大器对通信方面 的发展起着举足轻重的作用。然而，现在的掺饵光纤放大器依赖于单模泵浦激 光二极管， 输出功率仅在 1 w 以 下。 相对而言， 包层泵浦光纤可以 把廉价的多 模泵浦激光二极管的激光能量集中起来，使之变为可用的单模的高能信号光束。 掺饵 ( 或掺镜)光纤在 1 5 5 0 n m 光通信窗口可直接放大信号。另一方面，掺镜 光纤激光器也可以作为泵浦 e d f a的中间源。最近，此种激光器也被用于泵浦 拉曼光纤放大器，这种拉曼光纤放大器可以工作在硅光纤透明窗口波长的任意 奋石二二二二 二二奋奋二二二二二二 6- 里里塑竺里 望 兹 -一 一 一一 一 婆 遭 聋 望 翌 垒 位置， 使 饵提 供的s 0 n m带宽 可以 全 部开 发 利 用。 双包层光纤激光器由 于结构紧凑、价格相对较低廉和无气体、 染料、 溶剂 等而 特别 适用 于医 学 应 用。 小 型 光 纤 激光 器可用 于 光学 相 干 层 析 与x射线 照 相 法， 数瓦量级的窄带 掺镜 光纤放大器可以 通过自 旋偏振笼气， 对像 肺那样的 低 密度生物组织进行医学成像。医学应用的多样性需要不同 波长的激光。高功率 2 n m波 长的 光 纤 激 光 器 可以 用 于 显 微 外 科 手 术 。 最 近， 功 率 超 过 几 瓦 的 惬 光 纤 激光器己 被应用于这个领域内。 另外，在治疗皮肤癌和去文身方面需要可见光， 这种光可以通过用倍频晶体将光纤激光器输出光倍频的方法得到。利用倍频晶 体和通过拉曼频移及参量波长变换技术，可以由 双包层光纤激光器得到从紫外 到中红外任意波长的激光，满足不同医学应用的要求。 以上所述表明，高功率双包层光纤激光器有着广泛的应用，未来它们会有 更巨大的开发潜力。 1 .3 固体激光器的研究进展 固体激光器通常是指以 绝缘晶体或玻璃作为工作物质的 激光器。少量的过 渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵浦激励后产生受激辐射作用。 参与受激辐射的离子密度一般为1 0 2 5 _ 1 0 2 s m a ， 较气体工作物质高3 个量级以 上， 激光上能级寿命也较长 ( 1 0 1 0 3 s ) ，因此固体激光器的 优点是易于获得大能量 输出， 适于进行调q以 获得大功率脉冲输出。 激光器的 泵浦方式有多 种，而其 中的光泵浦激励方式最初采用气体放电灯为激励光源。放电 灯的发射光谱由 连 续谱和线状谱组成， 其中只有与激光工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有 效地用于光激励. 再加上能量转换环节多，因此激光器的效率较低。最常用的 n d : y a g激光器的效率约为 1 - 3 % 2 s ) 。 采用波长与激光工作物质相匹 配的 激光作 泵浦光源无疑将大大提高激光器的效率。 在二十世纪九十年代，由于大功率激光二极管阵列的快速产品化，半导体 激光二极管泵浦的固体激光器 ( d p s s l )以其结构紧凑、全固化、可靠性高、 高效率、高光束质量、高峰值功率、寿命长、工作物质热效应小等优良 特性而 得到迅速的发展2 9 . 3 0 1 ， 它的总体效率要比 灯泵浦高1 0 倍， 冷却系统的体积大大 减小，而固体激光器本身固有的特点都被保留下来，并且由于单位输出的热负 荷降低，可望获取更高的功率。随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、具有 大非线性系常数的晶体的发展，出现了结构更加紧凑、体积更小、输出功率更 高、 光束质量更好、 波长范围覆盖从紫外到红外的各种小型/ 微型d p s s l . d p s s l 的出现和发展是固体激光器的一次革命性进展，并且在某些应用 ( 如激光器军 7 南 开大学博士 学位论文 二 . 二 二 ， 二 二 二 巴 二 二 巴 二 二 = 二 事 应 用) 中己 居于 主导 地位 3 11 紧凑光子源研究 各种 d p s s l的商品化发展很快 1 0 2 0 0 0年德国西门子公司推出平均功率 4 .4 k w、光束质量 m2 = 3 6 的 d p s s l ;美国t r w 公司研制了4 - 6 k w 的d p s s l , 并称其效率比灯泵提高 3 - 4倍，光束质量提高了 一个量级以上;日 本在研制核 聚变用的高平均功率高光束质量的d p s s l ， 近期目 标是i o j x i o h z ， 已 得到8 . 5 j x o .5 h z , 2 倍衍射极限; 美国l l n l近八年来一直致力于研制聚变用高平均功 率高 光束质量的d p s s l , 9 7 年报道达到 1 0 0 j x l o h z ， 平均功率 1 k w; 2 0 0 0 年 报道实现了m 2 = 1 3 的 1 0 8 0 w连续输出和m 2 = 2 .2 的5 3 2 w的调q ( i o k h z ) 输 出 2 9 1 在大功率、 模式稳定、高光束质量的固体激光器中， 激光谐振腔的设计是 其中最关键的技术之一。从文献调研中作者发现，一般的， 谐振腔的参数是基 于谐振腔的a b c d矩阵理论3 2 。 这个理论很成熟，它的主要思想是:在大量数 值计算的基础上从众多的数据中优选出来合适的谐振腔参数。这种方法的缺点 是，计算采用的初始参数主要靠经验来确定，并且无法说明谐振腔的设计是最 优化的。我校张光寅教授在p . l a r u e s 1 9 6 7 年提出的传播圆概念3 3 ) 的基础上，发 展了激光谐振腔的传播圆图解方法，并提出了变换圆图解分析方法3 4 1 。运用传 播圆、变换圆图解方法分析设计激光谐振腔，可以直观地显示出各处光模的光 束参量以及输出模式的稳定性，并且易于对激光谐振腔进行优化设计。在传播 圆和变换圆图解分析方法中，图解中的各参量与谐振腔内各处的基模光束参数 有着直接而简单的联系，因此各参量的物理意义十分直观。发展和推广这一方 法是十分必要的。 肠 1 . 4 本论文的主要研究内 容 本论文本着追踪发展、面向应用、有所创新的原则，在外腔半导体激光器、 包层泵浦光纤激光器和二极管泵浦的固体激光器方面做了 一些工作，主要包括: ( 1 ) 对8 0 0 n m波段l i tt r o w和l itt m a n 结构的弱藕合可调谐外腔半导体激 光器进行了实验研究。实现了 边模抑制比 大于3 0 d b 、 可调谐范围为 l o n m激光 输出。 ( 2 )首次对外腔半导体激光器无跳模调谐结构的定位误差对无跳模调谐范 围的影响 进行了 系统地分析，并据此设计了 一套1 .5 5 1 x m大范围 无跳模调谐外腔 半导体激光器实验系统， 实现了 大于5 0 n m的无跳模调谐输出。 ( 3 )首次系统地分析了光栅光谱仪器中的三类正弦机构，分别设计了可实 a- 里 廷 叁 鳖 掣 丝 墓 一 一一一 一 聋 a -t * w n 现 波长 线 性 标 度的l itt m a n 和l itt r o w 外 腔 半导 体 激 光 器调 谐 机构。 ( 4 ) 采 用光 纤b r a g g 光 栅作 为 外 腔反 馈元 件， 首 次 将光 纤光 栅的 悬 臂 梁调 谐方法用于外腔调 谐技术中， 完成了 1 . 5 5 tm可调谐光纤 光栅外腔半导体 激光 器， 得到调谐范围为7 n m 、 边模抑制比 达3 9 d b以 上的激光输出。 ( 5 ) 首次将l i tt r o w光栅调谐技术应用到掺y b 双包层光纤激光器中， 实 现了可调谐包层泵浦光纤激光器， 波长可调谐范围 达4 0 n m o ( 6 )采用激光谐振腔传播圆一 变换圆图解分析方法，发展了激光谐振腔的 设计理论;提出了 适应式热动力学稳定腔的设计思想， 给出了谐振腔各参数的 设计原则;设计出一种紧凑小巧、结构灵活的适应式谐振腔。 ( 7 ) 首次提出了“ 光学镇定器” 的概念， 并描述了两种类型的光学镇定器， 它可用于减弱介质折射率的扰变对光束传播特性的影响。 一 9- 南开大学博士学位论文 紧凑光子源研究 第二章可调谐外腔半导体激光器的研究 2 . 1 半导体激光器简介p 5 1 半导体材料通过 p n结实现激光的产生。如图 2 - 1 所示，p n结形成以后， 在结区形成一个由带正电的n区指向带负电p区的内建电 场。由于内建电 场的 作 用 使 得p 区 电子 的 电 位 能 相 对 于n区 提 高了 ， 热 平 衡 状 态 时 ， 费 米 能 级乓 处 于p区的价带和n区的导带中。当向p n结外加正向偏压 v 后， p区的空穴和 n区的电子不断地注入 p n结，破坏了 原来的热平衡状态。这时需要引入导 带 准费 米 能 级e j 和 价 带 准费 米 能 级e f , 准费 米 能 级e f . e f . 之 间 距 离 为q v ( q 为 电 子电量) 。因为p - n 结是重掺杂的， 平衡时的势垒很高，即使正向偏压加大到 q v _ e g 。 也 还 不 足 以 使 势 垒 消 失 这 样 结 面 附 近 就出 现了凡一 尽) e g的 区 域，成为载流子数分布反转区，该区域称为半导体激光器的有源区，又称激活 区或上作区。在有源区内，导带上的电子跃迁到价带，与价带 r_ . 的空穴复合时， 释放出的能量变成光子，这个光子会不断地激发出更多的全同光子，即产生了 受激光的放大作用。导带的电子浓度和价带的空穴浓度都很高，在靠近导带底 和紧邻价带顶的能量范围内都可能发生电子跃迁。所以半导体激光跃迁并不是 发生在两个十分确定的能级之间，而是发生在能量分布较广的导 带和价带之间， 即所谓的带带激发。这是造成半导体激光器输出光波长不稳定、谱线较宽的 根本原因。 r , 导带 价唁 梦 导偌 价带 有 源 区 p n结形成后的能带分布图 图 2 外加止向偏压后p n结能带分布图 p n结能带分布图 f i g , 2 - i t h e e n e r g y b a n d d i a g r a m o f p n j u n c t i o n 二 二二 石 奋 盆 二二二 二 二 二 二二 吕 奋 1 0 m f t * 1 f 1 塑t 一一一 一一 今 一 一 * ) -t q sf i;. 由 于 半 导 体 激 光 器 带 一 带 激发 的 特 性， 其 增 益 区 宽 度 很 大， 图2 - 2 ( a ) 为 半 导 体 激 光 器 增 益( g ) . 损 耗( a ) 和 波 长( r ) 的 关系 曲 线 其中 的 r 表 示 增 益g 0 大 于损 耗a 的 区 域， 在 此 范围内 满足 谐 振条 件的 激 射波 长如图2 - 2 ( b ) 所 示 ， 本 征 腔 纵 模 间 隔 为 : 凡 = a z l 2 n l ， 其 中n 为 激 光 介 质 折 射 率 ， l 为 本 征 腔 腔长。 但并不是 2 - 2 ( b )中所有的模式都可以 起振，实际上，由 于在半导体激 光器中 所有的 光波模式消耗共同的 提供放大的 粒子数， 模之间 存在 竞争， 某些 模强了，另一些模必然变弱。图 2 - 2 ( a ) 所示增益曲线 ( 夕) 和损耗 ( a )的 位置是激光尚未产生时的初始位置，随着激光的 产生，消耗了提供放大的粒子 数， 增益曲 线将均匀下降。 理想情况下， 激光增强达到稳定值时增益曲 线将降 至图 2 - 2 ( a ) 虚线位置， 增益中 心处 g =a ， 其他波长处 g 0 且 上 式中 取( 9 。 一 1 ( 2 - 2 5 ) 0 1 0 0 w 脉冲:峰值功率几千瓦，m j 光纤激光器是由掺杂某些稀土元素的光纤和光反馈元件构成激光谐振腔， 在泵浦光作用下，掺杂光纤介质中产生受激发射并形成激光振荡。光纤激光器 一 5 2- 13f f f 些里一一坚 型 通 型 里 具 有以 下 特点 : 激 光 介 质 本 身 就 是 导 波 介 质， 光 纤 芯 很 细， 因 而 具 有 极 好的 光 束 质量， 并且 纤内 易 形 成高 功率 密 度， 因 此 这种 激光 器 具 有 很高 的 转换 效 率， 很 低的 激光闭 值; 光 纤的 几 何尺 寸具 有 很高 的“ 表 面 积 / 体 积” 比 ， 散 热 效果 好， 这是其他任何激光器所无 法媲美的; 由 于光纤具有极好的 柔绕性，因 此 激光器可以 设计得相当 小巧灵 活; 光纤具有相当多的可调参数和选择性， 可 获得相当宽的调谐范围和相当 好的单色性和稳定性。包层泵浦技术的 成功又 解 决了传统的单模光纤激光器功率低的问题。表 3 - 1对传统光纤激光器和包层泵 浦光纤激光器做了比较。 我们课题组在长期从事光纤激光器件和光通信研究工作的基础上，较早地 注意到光纤激光器的最新进