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光纤激光器问题的研究许可(天津工业大学，天津 300387 )光纤激光器综述摘要：光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。关键词：光纤激光器 应用扩展 发展前景 abstract: Fiber laseras a light sourceinthe field ofoptical communicationhas been widely used, and as thedual-protectionlayer ofhigh-powerfiber lasersappear, its applicationistoward to thelaser processing, laser ranging, laserradar, laserart ofimaging,securityand bio-medicallaserrapid expansion ofa wider area.The followingarticleoutlinesthe principles offiber lasers, characteristics, applications andprospects for development.Keywords:fiber laserapplicationsdevelopment prospects.一光纤激光器的简述光纤激光器和放大器的研究与应用引起了广泛的重视和兴趣，已能制备以硅和氟化铅为基质的掺杂稀土金属元素的光纤。用这些光纤制作成光源或光放大器在降低光通信系统的成本方面具有巨大的潜力。接铰和饵离子的光纤激光器已有多种波长的输出，包括900nm，1060nm和1550nm等。用输出波长为800nm的ID作为泵浦源也可以获得光通信重要窗口波长(1550nm)的输出。光纤激光器的输出方式可以是连续的，也可以是脉冲的。光纤激光器的调Q和锁模以及亚纳秒脉冲业已获得。光纤激光器可以在其整个荧光谱范围内进行调节输出。最重要的是可以获得窄带宽，单纵模的输出。因此也可用于相干通信以及其他单色性要求较高的应用场合。光纤放大器的优越性能以及用LD作为泵浦源实现了放大，使其在光通信系统中的应用越来越广泛。实验研究还需要进一步器件化以及满足实际需要。对新型光纤和谐振腔的研究还将继续。高功率的窄脉冲以及偏振控制，可调谐线宽输出都是应用所需要的。与光纤兼容的调制器和隔离器也是目前所急需的。光纤激光器的研究无疑将刺激光纤器件的发展。光纤放大器在局域的和广域的光通信系统中应用前景广阔，这些都需要进一步的研究。目前有关光纤激光器和放大器的研究大部分来自与光通信有关的实验室和研究机构，因为他们在光纤制备方面得天独厚，但实际上在其它领域光纤激光器和放大器的应用也初见端倪，例如光谱学，非线性光学，计量学，全息学，传感器和医学等领域，甚至在印刷和滑雪过程中。我们将会看到，在整个国际科技界中涉及光纤激光器的技术领域将会越来越多。二光纤激光器原理利用掺杂稀土元素的研制成的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器，因此光纤激光器可在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作为增益介质。由于光纤激光器中纤芯很细，在泵浦光的作用下内极易 形成高功率密度，造成工作物质的能级“粒子数反转”。因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成振荡。另外由于基质具有很宽的荧 光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于WDM系统应用。和半导体器相比，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、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和的耦合。我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出 波长数目将其分为单波长和多波长等。对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点：（1）阈值应越低越好；（2）输出功率与抽运光功率的线性要好； （3）输出偏振态；（4）模式结构；（5）能量转换效率；（6）器工作波长等。三、包层泵浦器技术双包层的出现无疑是领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到器和放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。图1 (a)示出一种双包层的截面结构。不难看出，包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂。一个纤芯和传统的单模纤芯相似，专用于传 输信号光，并实现对信号光的单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光(如图1(b)所示)。这样，使用多个多模二极管同时耦合至包层 上，当泵浦光每次横穿过单模纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过在内设置的光栅的选频作用， 特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生输出。目前，该技术被称为多模并行包层泵浦技术(Cladding pumped technology)，法国Keopsys公司在该技术上形成了一专利，称为“V-Groove Technologe”。图1 双包层光纤及工作原理多模并行包层泵浦技术特性决定了该类光纤激光器有以下几方面的突出性能。1、高功率一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。2、无需热电冷却器这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。3、很宽的泵浦波长范围高功率的光纤激光器内的活性包层掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区(930-970nm),因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置4、效率高泵浦光多次横穿过单模纤芯，因此其利用率高。5、高可靠性多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得光纤激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。 目前实现包层泵浦器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全环形腔双包层器三大类，不同特色的双包层器可由 该三种基本类型拓展得到。四光纤激光器的现状及发展趋势国内现状我国商用光纤激光器目前全部依赖进口，原因是我们还没有实现光纤激光器的商品化和产业化。我国光纤激光器的研制其实并不落后，已经有好几个单位实现了连续200W以上的输出功率，但我国光纤激光器的产业化工作明显滞后。下面分析一下我国光纤激光器产业化发展滞后的原因。前文已经提到，发展全光纤激光器需要5大关键技术，不难看出，这5大关键技术除半导体泵浦激光器外，其他4大关键技术全部与光纤技术密切相关，准确的说，是与能量光纤技术密切相关。能量光纤技术是以信号光纤技术为基础发展起来的，而信号光纤技术主要是为光纤通信服务的，因此，能量激光和光通信这两个技术领域通过光纤这种特殊的媒质联系起来，使从事光纤和光纤器件研制和生产的单位能够深入地介入这两个技术领域并成为其核心力量。在光通信走入低谷的时候，适逢光纤激光器取得历史性突破之时，国外许多从事光通信光纤器件研制生产的单位开始转向能量光纤器件的研制和开发，以寻求新的发展机遇、拓展生存空间。这些投入能量光纤激光器开发的单位目前已经成为光纤激光器发展的重要力量，为发展新型全光纤激光器作出了巨大贡献。我国进行光纤器件生产和开发的单位虽然非常多，但总体技术水平较弱，在光通信走入低谷的时候，相关单位基本上只能选择在本行业苦苦支撑或关闭生产线两种方式，无力投入巨大资源进行能量光纤器件的研制和开发，所以，当全光纤激光器飞速发展对能量光纤器件提出迫切需求的时候，我国在这方面基本上还是一片空白。对于我国最早从事光纤激光器研制的单位来说，面对国内的这种局面，发展全光纤激光器基本上没有基础可言，因此，透镜整形聚焦端面泵浦外腔结构的方案成为现实选择。这种结构很接近传统的全固态激光器，对光纤技术的依赖程度很低，采用非光纤技术即可制作。但是，实践证明，光纤激光器只有采用全光纤结构才能充分体现整体的一致性、完整性、和谐性和匹配性，采用充分展现光纤激光器的优势，因此，全光纤结构方案更加符合光纤激光器发展的本质规律，所以，在世界范围内，全光纤激光器成为主流方案有其必然性。五新型的光纤激光器技术5.1 多波长光纤激光器文献10提出的一种基于半导体光放大器（SOA）的多波长光纤激光器如图7所 示。图中SOA1长度是500mm，在1522nm处提供的小信号增益为23dB，SOA2的长度是250mm，在1530nm处可提供10.5dB的小 信号增益，两只SOA均为InGaAsP/InP屋脊波导型。F-P腔的自由谱线范围(FSR)为47.75GHz，精细度为8.1，损耗为 12dB。偏振控制器PC1和PC2分别用于补偿SOA1和SOA2对TE轴、TM轴的偏振相关增益误差。该结构在1554nm1574nm范围内，实 现了波长间隔为50GHz、50通道的多波长DWDM光源，在50通道之间最大光功率差异小于1.6dB，消光比大于15dB，器的线宽小于 5GHz。图7 一种基于SOA的环行多波长激光器为获得平坦的功率输出谱，文献11提出了一种改正型的方案如图8所示。图中FRM为法拉第旋转镜，VOA为可调光衰减器。由于光反馈臂的引入，一 个直观的特性是可对其输出的进行反馈监视，另外该改正型结构还可对的输出光性能提供较大程度的改善。据报道该结构在1554.7 1574.7nm的波长范围内，实现了通道间隔为50GHz、52通道的多波长DWDM光源，且通道之间的最大光功率差异小于0.3dB，消光比达到 32dB，器输出的线宽为500MHz。 图8 改正型的基于SOA的环行多波长激光器经典 的Sagnac干涉装置在信息科学领域的超快速响应技术中有多种应用，其中包括：超快速光调制器的全光开关、全光解复用、信号再生、逻辑运算、信号格式变 换以及全光波长变换等。最近，OFC2002的一篇文献将Sagnac干涉装置拓宽到器的应用12。该文献报道的基于NOLM的多波长拉曼光源，在四阶斯托克斯波内，可以实现20个波长通道输出。5.2 基于的超连续光纤激光器现在最流行的也报道得最多的是利用或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用产生宽连续谱最为经济实用。据报道，所采用的 类型不同，产生连续谱带宽也不同。比如在两头粗中间拉细的特种中（见图11）16，产生的连续谱就很宽，可调谐波长范围为500nm- 1600nm。泵浦源端的长为3cm，拉细长度为15cm，尾纤输出端为15cm。该连续谱在后段标准电信中输出Raman脉冲，可调谐波长 幅度达200nm，Raman脉冲波长调谐范围为1400nm-1600nm。脉冲频谱带宽为20nm，相当于脉宽130fs的边带极限脉冲。当改变输 入入射功率，则Raman孤子波长也发生改变。这种器就是以改变泵浦功率来改变波长。 图11 利用特种光纤产生超连续谱5.3 锁模器 连续调谐多波长锁模器一直是技术很活跃的研究领域。OFC2001和OFC2002中多篇论文报道了该类器技术1718。 LI等报道了利用色散补偿（DCF）增加腔内色散，在主动锁模环形器中实现了3个波长的输出，并通过调节调制频率，实现了单波长和双波长 的连续调谐。现已研制成功线宽窄到2kHz的器、调谐范围达到75nm的宽调谐器以及重复频率达到21GHz的高重复频率器。 图12是基于NOLM的锁模器的工作原理图19。平常常见的基于NOLM器只由NOLM环组成，没有图12的 3dB耦合器上的两个支路，主要是用来产生压缩后的超短脉冲，不具有锁模功能。图12所示的是改进的NOLM器，能进行亮暗脉冲转换，能选择 脉冲波长，产生高重复率的信号。调节PC1使B端输出最大功率时，在A端可得到亮脉冲；调节PC1使环内形成反射模时在A端就形成暗脉冲。在耦合器2支路 上可以通过滤波器选择输出波长，并通过EDFA对选定波长进行放大。当控制脉冲与主环频率失谐时，当产生控制脉冲的DFB器的驱动频率是主环的频 率f的n分之一时，可得到是控制脉冲n倍重复率的输出脉冲。例如主环频率f为19.4kHz时，控制脉冲调制频率为1145MHz，DFB器驱动频率 失在1/4f，则可得到4.58GHz重复率的输出脉冲。 图12 NOLM光纤激光器（PC为偏振控制器，FPF为Fabry-Pero滤波器）六结语随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，器技术正在不断向广度和深度方面推进；技术的进 步，特别是以光栅、滤波器、技术等为基础的新型器件等的陆续面市，将为器的设计提供新的对策和思路。包层泵浦器和单波长、 2lRFL和3lRFL的面市，无疑体现出器的巨大潜力。尽管目前多数类型的器仍处于实验室研制阶段，但已经在实验室中充分显示其优越 性。目前器的开发研制正向多功能化、实用化方向发展。参考文献(1) Jiang Zhonghong.AICF Laser GlassesJ.Chinese J. Lasers,2006,33(9):11651176姜中宏.用于激光核聚变的玻璃J.中国激光,2006,33(9):11651176(2) Jin Guofan, Li Jingzhen. LaserMetrologyM. Beijing: Science Press,1998,162165 金国藩，李景镇.激光测量学M. 北京：科学出版社,1998.162165 (3) Born M,Wolf E. Principles ofOpticsM. Yang Jiasun Transl.Beijing:Science Press,1978.182190(1)期刊：姜中宏.AICF Laser GlassesJ.Chinese J.Lasers,2006,33(9):11651176姜中宏.用于激光核聚变的玻璃J.中国激光,2006,33(9):11651176 (4) Jin Guofan, Li Jingzhen. Laser MetrologyM. Beijing: Science Press,1998,162165金国藩，李景镇.激光测量学M. 北京：科学出版社,1998.162165 (5) Born M,Wolf E. Principles of OpticsM. Yang Jiasun Transl. Beijing:Science Press,1978.182190玻恩，沃尔夫. 光学原理M. 杨葭孙译. 北京：科学出版社, 1978.182190 (6) Zhang Jing. LD Sensor for Weak Vibration Measurement and its Application in Muscle Vibration Measurement D. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2000,2130 张景. 激光二极管微振动传感器及其在肌肉振颤测量中的应用D. 武汉：华中科技大学, 2000. 2130 (7) National Standardization Technical Committee. GB 31003102-93. Quantities and Units GB31003102-93S. 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