多波长掺铒光纤激光器

1、如图为短脉冲高功率1.5微米光纤激光器平均功率能达到1W,可调节的脉冲宽度达到ns可调节的重复频率达到MHz什么是光纤激光器可以应用于激光雷达/雷达、遥感、测距光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放 大器的基础上开发出来：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”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。 光纤激光器的特点光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通 信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽 窄等特点；由于光纤具有

2、极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、结构紧凑、体积小、易 于系统集成、性能价格比高；与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产； 与半导体激光器相比：单色性好，调制时产生的啁啾和畸变小，与光纤耦合损耗小。光纤激光器的分类按谐振腔结构分类为F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形腔等。按激光输出波长数目分类为单波长光纤激光器和多波长光纤激光器。按输出激光特性分类为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器按光纤材料分为晶体光纤激光器、非线性光学型光纤激光器、稀土类（如铒）掺杂光纤 激光器、塑料光纤激光器等随着高容量光纤通信网的发展，波分复用技术得以广泛的采用，

3、它要求多波长光源 具有波长间隔小、线宽窄、功率谱平坦等特点。因此满足波分复用技术要求的多波长光 纤激光器成为研究的重点多波长光纤激光器基本结构1、增益介质就增益介质而言，多波长光纤激光器通常采用光纤放大器（如掺稀土光纤放大器和拉曼光 纤放大器作为增益介质，这将使得其具有结构紧凑、灵活方便等优点。值得注意的是，多个 波长同时共用同一增益介质将导致较强的模式竞争，要获得多波长同时稳定振荡，这是首先 必须考虑的问题。然而，大多掺稀土光纤放大器为均匀展宽的增益介质，对实现稳定的多 波长运转是非常不利的，必须采用一些辅助手段来抑制或削弱它们的均匀展宽特性。（EDFA）多波长掺铒光纤激光器常采用液氮制冷光

4、纤至77k、声光频移位调制和非 线性光学效应等辅助技术来抑制掺饵光纤的均匀展宽。2、谐振腔在多波长光纤激光器中，谐振腔起到至关重要的作用一完成多波长选模。在大多实际情 况下，多波长激光器要求相等波长间隔（ITU叮标准通信间隔200GHz、100GHz、50GHz 和25GHz）激射。为实现这一目的，通常需要借助梳状滤波器才能满足要求目前，常用于多波长激光器的梳状滤波器有如下几种:法布里一拍罗标准具，马赫一泽德干 涉仪，特殊的光纤光栅及保偏光纤sagnac环滤波器。3、泵浦源泵浦激光器使用光源的主要目的是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产 生高的辐射通量。最有效的激光泵浦灯将使激光材

5、料在激发荧光的波长上产生最大的发射，而在有效吸收 带之外的所有光谱范围内产生最小的发射。所以一旦选定了激光增益介质，其泵浦源一般 也基本确定。如果选用掺饵光纤作为增益介质，泵浦源一般选用980nln或1480nm的激 光源如果选用半导体光放大器作为增益介质，大多采用电泵浦方式完成如果选用拉曼光纤放大器作为增益介质，根据所采用拉曼光纤的拉曼频移量大小及目标激 射波长，其拉曼泵浦波长也是基本确定的。（1）掺饵光纤激光器（EDFL）的激射原理E由于掺饵光纤激光器的激射波段正好位于常用的1550nm通信波段，具有较低的闭值和较高 的增益，使其成为了光纤通信系统的重要光源而得到广泛 的应用。一般情况下，

6、光纤激光器按照掺杂离子能级结构不同可可 分为三能级系统和四能级系统掺饵光纤激光器的能级系统可视为三能级系统，掺饵光纤 （EDF）经过980nm或1480nm的泵浦激光器泵浦之后可 以激射出中心波段为1550nm左右的激光。如图3.1所示，三能级系统的三个能级分别为基态能级E1， 亚稳态能级E2，高能级E3。三能级的运转方式如下，首 先粒子被泵浦从基态能级E1抽运到高能级E3,之后粒 子通过无辐射跃迁的方式从高能级E3快速的转移到亚稳 态能级E2上。由于粒子在亚稳态能级E2上的寿命较长，因 此粒子将会在能级E2上大量的积 累，也就导致了亚稳态能级E2和高能级E3之间的 粒子数反转。最后粒子会以受

7、激辐 射的形式跃迁到基态E1并产生光子，然后经过 谐振腔振荡从而产生激光最后输 出。（2）环形腔掺饵光纤激光器的结 构设计环形腔是光纤激光器中常用的一种 谐振腔。由于环形腔可以有效的避 免空间如图给出了一个简单的环形腔烧孔效应，所以在激光器的设计中经常被用到。光纤激光器的示意图。WDM耦合器将泵浦光藕合进入环形腔，掺饵光纤作为增益介质提供 增益，隔离器保证激光的单向运转，偏振控制器用来调节腔内的偏振态。（3）均匀展宽与非均匀展宽相比单波长的掺饵光纤激光器，多波长掺饵光纤激光器的发展相对缓慢，主要是因为掺 饵光纤的均匀展宽导致了不能实现多波长的激射。一般来说光谱展宽的类型分为均匀展宽和 非均匀展

8、宽两种。非均匀展宽：在非均匀展宽的情况下，由于不同运动速度的粒子对谱线展宽范围内0 =】* -GJ%) x (1 -吗_吗)i+E+豚的各个频率的贡献均不相同，只有特定的粒子才能在某个频率处受激辐射，其它的粒子不会 与之相互作用。与均匀展宽相比，非均匀展宽的最大区别就是各个粒子在受激辐射时只对 特定的频率有贡献，表现为相对的 独立性。均匀展宽：由于原子自发争冲 Wl 匕GW) (1E) Fat* = GJ, - %/广 I2G. ( (1-寸 J - aat辐射产生的谱线并不是单一频率 的，而是会占据一定的频谱宽度， 如果这种频谱展宽是由于受激态的 有限寿命引起的，则称之为均匀展 宽。均匀展宽

9、是由增益介质中的各粒子对于某一确定的能级跃迁具有相同的光谱线展宽造成 的。均匀展宽的最大特点就是各个粒 子在每个频率强度上都有相同的贡 献，而且这些贡献的几率分布也是相 同的。（4）多波长激光稳定输出条件假设在激光腔内同时有两个频率 分别为可和叭的参在本征模式形成振荡，则增益饱和 时两个频率的光的增益系数分别为：KnKK.nK由增益系数公式我们可以得到双波长激光腔内的速率方程为:其中al和a2分别为两波长的腔内损耗，根据常微分方程组的特性我们可以知道，以上方程 组要有稳定解，即是激光腔内两个模式能够稳定振荡必须足以下条件：又称为弱光束藕合条件，即当激光腔内的交义增益饱和小于自增益饱和时，激光腔

10、内才有可 能形成稳定的双波长振荡。交叉增益饱和系数反映了一个模式的光在激活介质中消耗的反 转粒子数对另一个模式的光的增益的影响。自增益饱和系数即为该模式对自身增益的影响（5）抑制多波长掺饵光纤激光器的模式竞争要获得稳定的激光谐振，必须使增益交叉饱和小于自我饱和。而在均匀展宽的增益介质 中，增益交叉饱和 与自我饱和相 等，导致了模式竞争。因此，获得稳定的多波长激光振 荡的条件是产生弱光耦合。许多简洁且适用的技术已被陆续地提出用来抑制多波长掺饵光纤激光器的模式竞争，常 见的有：1）通过特殊设计掺饵光纤（如双芯掺饵光纤、多模掺饵光纤）并利用它们的空间烧孔效应来削弱其非均匀展宽;2）通过在激光腔内引入

11、一些非线性光学效应（如四波混频、非线性偏 振旋转、布里渊散射、非线性腔损耗等）来抑制掺饵光纤的均匀展宽。（6）多波长掺铒光纤激光器发展趋势从以上所讨论的各种技术的多波长E D F L可以看出，对多波长E D F L 的研究旨在减少或消除因E D F的均匀展宽而造成的模式竞争和输出不稳定。 目前已经报道的多波长EDFL都具有较窄的增益频谱，因此限制了更多波长的 激光振荡。密集波分复用（DWDM）技术的成熟对多波长激光器的性能也提出了更 高的要求。另外，由于增益介质和激光腔的设计仍是制作高性能、低成本多波 长光纤激光器的关键，如何改善目前多波长E D F L中E D F过长而产生的 对环境敏感等因素和使得输