第六章第七节光纤激光器

第三章光纤激光器

3.1光纤激光器谐振腔

3.2掺Er3＋光纤激光器

3.3掺Yb3＋光纤激光器

3.4包层泵浦光纤激光器

3.5调Q光纤激光器

3.6锁模光纤激光器

光纤激光器的特点及其应用前景

优点：波导式结构、效率高、阈值低、窄线宽、可调谐、结构小巧、性能价格比高、易于与光纤通信系统连接。

应用前景：光通信、光传感、航天航空、生命科学、精密机械加工、广告显示、印刷技术等领域都有广阔的应用前景。

光纤激光器的发展

1.20世纪60年代初，法国的Smitzer首次提出光纤激光器的概念。

2.70年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。

3.1975年至1985年，由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟和发展，光纤激光器开始腾飞。英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了光纤激光器的研究工作，成果累累。

国内，清华大学、北京大学、中国科技大学、南开大学、上海科技大学、南京理工大学、天津大学、电子部和邮电部等单位的研究工作也取得了很大进展。

4.20世纪80年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。

5.90年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功率水平提高了4－5个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个里程碑。3.1光纤激光器谐振腔泵光掺Er3＋石英光纤激光输出剩余泵光图3.1F-P线形腔掺铒光纤激光器WDMOutputcoupler1480nmLDPCcontrollerEDFFFPfilterIsolatorOutput图3.2环形腔掺铒激光器

掺杂硅光纤激光器以其掺杂的稀土元素不同而形成不同激射波长的各类光纤激光器，例如：Nd3＋和Yb3＋光纤激光器激射波段1.06

mEr3＋光纤激光器激射波段1.55

mTm3＋光纤激光器激射波段1.4

mHo3＋光纤激光器激射波段2.0

m3.2掺Er光纤激光器泵光掺Er3＋石英光纤激光输出剩余泵光图3.3

3.2.1F-P线性腔掺Er3＋光纤激光器

掺Er3＋光纤激光器的激射波段（1.55

m）正好在硅光纤的最低损耗窗口，因此对光纤通信有特别重要的意义，是目前研究最彻底、应用最广泛的一种光纤激光器。

激光是由Er3＋能级的4I13/2至4I15/2的跃迁产生，属三能级系统。器件效率较低，同时存在激光态吸收的问题，研究工作围绕如何提高器件的效率展开。

Er3＋光纤光栅激光器的缺点是对泵浦光的吸收效率和斜率效率低、频率不太稳定（跳模现象）。为解决这些问题，采用Er3＋－Yb3＋共掺的光纤作为增益介质。Yb3＋离子起着吸收泵光（980nm），然后迅速转移给Er3＋离子，2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3＋Er3＋图3.4以实现1.5

m区的放大器，对泵光的吸收能力可提高2个数量级。其原理如图2-2所示：

3.2.2

光纤光栅激光器一、光纤光栅利用光纤在紫外光照射下产生的光折变效应，在纤芯上形成周期性折射率调制分布，从而对入射光产生相干反射的一种光纤无源器件。由于它易于制造、插入损耗小、选频稳定、使用灵活、易于同光纤系统集成等。

光纤光栅的优点:

稳定准确的选频特性易于集成，使全光纤一维光子集成成为可能

制作方法：全息法相位掩模法点－点写入法光纤光栅的种类：均匀周期光纤布拉格光栅（PFBG）

啾光纤光栅闪耀光纤光栅相移光纤光栅长周期光纤光栅

取样光纤光栅交叉型的相移啁啾光纤光栅相移长周期光纤光栅啁啾长周期光纤光栅

性能指标：

Bragg光纤光栅

反射率

95％～99％

带宽

0.1～0.12nm

简支梁调谐

调谐范围

7nm

线性度

0.999

悬臂梁

调谐范围

5.6nm

线性度

0.996

二、光纤光栅激光器的基本结构

1、单波长、窄线宽Er3＋光纤光栅激光器WDM1EDFWDM2LD980nmPOLPI-ISOoutputFBGIMG图3.5性能指标：输出功率：>1mW波长稳定性：1.610-5功率稳定性优于3％偏振性能：消光比>18dB输出线宽：<0.01nm斜率效率：>10%

2、多波长Er3＋光纤光栅激光器

光纤光栅提供反馈和波长选择的多波长光纤光栅激光器；滤波机制的多波长光纤光栅激光器；锁模机制的多波长光纤光栅激光器；非线性效应的多波长光纤光栅激光器。图3.6Tapered光纤光栅的透射光谱图3.7Tapered光纤光栅光纤激光器激光输出光谱WDMOutputcoupler1480nmLDPCcontrollerEDFFFPfilterIsolatorOutput图3.8

实验结果：阈值7mW调谐范围106nm

功率14dBm

斜率效率37.3％（1555nm处)信噪比>60dB3、宽带可调谐Er3＋光纤激光器3.3

掺Yb3＋光纤激光器

掺Yb3+光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源，在970～1200nm波段获得激光，并可进行宽带调谐；同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、多声子跃迁等消激发过程，能够获得很高的能量转化效率。由于以上优点及其广阔的应用前景，掺Yb3+光纤激光器受到越来越多研究者的关注。

3.3.1

单波长、窄线宽Yb3+光纤激光器

LD978nmYb-dopedSMFFBG1FBG2

图3.9实验结果：阈值：15mW,

波长：1060nm,

功率：2.3mW线宽：0.2nm3.3.2单一偏振多波长Yb光纤激光器

多波长激光器可以同时为多个信道提供所需光源，在密集波分复用系统、光谱测量、光纤传感等领域有着广泛的用途。目前已有很多研究者报道了掺铒多波长激光器的实现方案。

PC(twinedbyMMFG.652fiber)YDF976/1550WDM976nmLDCouplerOutput1OSA2图3.10图3.11实验结果：波长个数：2～6个（1025.6～1046.6nm）

线宽：0.16nm边模抑制比：40dB

单信道功率：3mW

3.4包层泵浦光纤激光器

单包层光纤激光器以其诸多的优良特点受到普遍关注，得到了长足发展。但是，由于泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，光－光转换效率较低；同时，常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这也限制了其输出功率的水平。所以一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级，研究工作和开发

应用大都集中在光通信和光传感领域。

80年代后期，美国宝丽来公司的研究者们作出了开创性的工作，发展了一种包层泵浦技术，大大促进了高功率光纤激光器的发展。在特种光纤生产技术和半导体激光器制造工艺高速发展的基础上，包层泵浦技术发展迅猛，激光器的能量转换效率高达70%以上、连续输出功率高达几十瓦、乃至几百瓦。同时，利用纤芯内的超高功率密度所产生的诸如受激布里渊散射、受激喇曼散射和频率上转换等非线性效

应，大大拓宽了光纤激光器的输出频率范围，并使超短脉冲技术、喇曼光纤激光器和放大器技术的发展上了一个新的台阶。预计此类大功率、宽波段、高模式质量、结构紧凑、运转可靠、高性能价格比的双包层光纤激光器将在光通信（特别是高速长距离和孤子通信）、遥感、航天航空、生命科学、机械精密加工等领域获得广泛应用。

3.4.1双包层掺杂光纤图3.12双包层掺杂光纤的构形内包层光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光一、双包层掺杂光纤的结构

光纤芯：由掺稀土元素的SiO2构成，它作为激光振荡的通道，对相关波长为单模；内包层：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯SiO2构成，它是泵光通道，对泵光波长是多模的；外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。二、双包层光纤内包层的作用：

1.包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内；

2.多模导管作为泵光的传输通道，把多模泵光转换为单模激光输出。泵光的能量不能直接耦合到光纤芯内，而是将泵光耦合到内包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光，而且可对光纤的全长度泵浦，因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源，将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。三、双包层光纤的研究进展

俄罗斯普物所研制的内包层为方形的掺Yb双包层光纤。美国宝丽来公司研制的内包层为矩形的掺Yb双包层光纤。美国朗讯公司研制的内包层为星形的掺Yb双包层光纤。德国研制的内包层为D形的掺Yb和Nd双包层光纤，中国武汉邮电科学研究院研制了掺Yb双包层光纤。中国天津46所和南开大学合作研制成功掺Yb双包层光纤。

圆形内包层的掺Yb3+双包层光纤。内包层直径：125μm,数值孔径（NA)：0.38；芯径：5.5μm，NA：0.11；在976nm出的吸收系数：64dB/km；

矩形内包层的掺Yb双包层光纤。内包层尺寸：100μm×70μm；NA：0.38；芯径：5.5μm；NA：0.11；在976nm出的吸收系数为73dB/km。

3.4.2

高功率掺Yb光纤激光器在双包层光纤和高功率多模LD的制造工艺的日趋完善的基础上，高功率光纤激光器发展极为迅速。美国宝丽来公司的M.Muendel等人在‘97CLEO会议上报道，用916nm、54.4W的激光二极管条泵浦内包层为矩形的双包层光纤，在1100nm波长上获得35.5W的激光输出。美国朗讯公司的D.Inniss等在‘97CLEO会议上，采用一个915nm波长、1cm宽的高功率半导体激光二极管条作泵源，使系统的输出功率在1065nm波长处为16.4W，在1101nm波长处为20.4W。

美国朗讯公司S.Kosinki和D.Inniss在‘98CLEO会议上报导，用一种内包层为星形的双包层单模Yb3+光纤激光器得到20W的激光输出

加州圣何塞光谱二极管实验室工程师V.Dominic等人在‘99年CLEO会议上报道在一个掺Yb3+的双包层光纤激光器上，实现了连续输出功率大于110W的单模输出。其光——光转换效率为58.3%。实验装置如图所示：

图3.13

美国IPG公司的掺Yb双包层高功率激光器的输出功率水平超过700瓦，几十瓦几百瓦的双包层光纤激光器的商品也已问世。

●

国内上海光机所用大于10瓦的915nmLD泵浦内包层为矩形的掺Yb双包层光纤获得1060nm、4.9瓦的激光输出。光-光转换效率为43.6%。●南开大学对高功率光纤激光器进行了研究。激光器的结构：如图3-14

所示。

图3.14实验装置示意图光纤：选用了内包层形状为D形的掺Yb3+双包层光纤，几何尺寸为400µm×340µm，数值孔径0.38。掺杂浓度0.65mol%（Yb2O3）。光纤长度20米。

谐振腔：二色镜（对976nm泵光高透、对1060nm激光高反）和光纤端面（费涅尔反射3.5%）构成驻波腔。泵浦源：采用输出尾纤直径为800µm、数值孔径小于0.22、输出波长

976nm的多模大功率LD作泵源。用精心设计光束耦合系统从右端

面泵入腔内。

性能指标：阈值功率：570mW输出功率：6.8W

耦合效率：40％斜率效率：86.5％中心波长：1098nm光谱半宽：1.6nm

3.4.3瓦级全光纤掺Yb双包层光纤激光器高功率的光纤激光器一般仍采用二色镜等传统的体器件构成谐振腔，未能实现全光纤化，这不仅极大地限制了光纤激光器的结构紧凑性和工作可靠性，也增加了抽运光的耦合难度，同时不利于光纤激光器与后续光纤光学系统的匹配兼容。为解决上述问题，采用光纤Bragg光栅（FBG）作为腔镜的全光纤高功率激光器。

光纤：掺Yb双包层光纤的内包层形状为正方形，截面尺寸为125μm×125μm，数值孔径约为0.38。单模纤芯的模场半径为7μm，数值孔径为0.11。纤芯中掺杂有较高浓度的Yb离子，对976nm抽运光的吸收损耗约为1.7dB/m。光纤长度为20m。谐振腔：一对中心反射波长为1060nm的FBG作为选频反馈腔镜，构成驻波腔，相应的峰值反射率分别为99%和5%。图3-5泵浦源：为一台带有输出尾纤的LD模块，中心波长为976nm。在LD模块与光纤激光器注入端之间专门设计了一个taper型光纤耦合器，以提高抽运光的注入效率。

性能指标：阈值功率：300mW输出功率：1.18W

光光转换效率：53.1%斜率效率：68％中心波长：1060nm光谱半宽：<0.1nm

3.4.4包层泵浦可调谐Yb光纤激光器

窄线宽、可调谐、高功率掺Yb3+双包层光纤激光器有着广阔的应用前景，研究工作进展很快。

英国南安普敦大学采用空气包层Yb3+双包层光纤，在Littrow结构中得到的调谐范围1010nm~1120nm;

法国的AmmarHideur等人在全光纤环行腔掺Yb3+双包层光纤激光器得到的调谐范围1040nm~1100nm，输出功率大于800mW;

●

德国M.Auerbach等人采用Littman-Littrow外腔结构(双光栅结构)，在1040nm~1100nm范围内获得了调谐输出，输出功率大于200mW；

●

上海光机所陈柏等人则通过调节光纤后端面与后腔镜之间的距离以及后腔镜角度的方法，获得了50nm的调谐输出；

●

南开大学采用国产圆形内包层掺Yb3+双包层光纤为增益光纤分别用Littrow、Littman和双光栅三种外腔结构实现了宽带调谐输出。

一、Littrow结构外腔调谐激光器的实验研究

图3-15

调谐范围：1040nm~1107.6nm，功率：34mW

图3-16输出功率随激光波长的变化关系二、Littman结构外腔调谐激光器的实验研究

图3.17

实验结果：调谐范围：1037.6nm~1097nm，功率：25.4mW

输出功率随激光波长的变化关系图3-18三、双光栅结构外腔调谐激光器的实验研究

图3-19实验结果：调谐范围：1040nm~1107.6nm，功率：24.5mW图3-20输出功率随激光波长的变化关系一、掺Yb3+光纤激光器性能参数的理论分析1、理论基础a、粒子速率方程：返回b、C.Barnard的理论公式：在环形腔中阈值：斜率效率：在线形腔中式中含有激光器饱和功率等抽象物理量，因此公式复杂，不便于对激光器性能参数的讨论。基于Yb离子的能级分布及其光谱特性，推出：2、推导后的公式在线形腔中在环形腔中阈值：斜率效率：式中不再含有饱和功率因子，各参数可直接根据激光器结构参数进行计算。a、线形腔泵浦阈值随后腔镜反射率R2、光纤长度L的变化规律（1）采用适当长度的Yb光纤做增益介质，可以降低激光器泵浦阈值，在激光损耗系数很小的情况下，这种作用更加明显。（2）提高后腔镜反射率降低泵浦阈值是一种相对简单而有效的方法，对于激光沿光纤损耗系数很大而不宜采用长光纤的情况，这种方法很有意义。

b、线形腔斜率效率随后腔镜反射率R2、光纤长度L的变化规律返回图示反映：反射率R2、光纤长度L都有个最佳值，最佳值的大小与激光器的具体结构参数有关。

c、线形腔输出功率随后腔镜反射率R2、光纤长度L的变化规律

图示反映：在掺杂浓度一定的情况下，欲使激光器的输出功率达到最大，光纤长度和输出腔镜的反射率应有较好的匹配。

二、掺Yb3+光纤激光器泵浦方式的理论分析1、结构模型返回2、理论模型

1、激光功率传输方程式中：为增益系数2、泵光功率传输方程返回3、实例分析

以美国Polaroid公司的35瓦LD包层泵浦掺Yb光纤激光器为例进行模拟计算。有关参数如下：反射率：R1=1，R2=3.4%

；两端泵浦：p1=18.7W，p2=36.7W

；

泵浦波长：915nm；荧光寿命：τf=0.8ms；双包层光纤长50m

，有关参数见下表：

纤芯数值孔径

纤芯直径(μm)

内包层尺寸(μm)

内包层数值孔径

976nm吸收系数/m激光传输损耗/m0.18170×3300.450.0560.0034理论分析的结果包括：a、不同泵浦方式时泵光功率密度的分布前向泵浦：p1=55.4W，p2=0W；后向泵浦：p1=0W，p2=55.4W；两端泵浦：p1=18.7W，p2=36.7W；对称泵浦：p1=p2=27.7W；单端泵浦时，泵浦光功率分布沿光纤成指数变化，在注入端功率密度最高。两端泵浦时泵浦光功率沿光纤的分布均匀性优于单端泵浦（前向泵浦或后向泵浦），其中对称泵浦时的光功率分布均匀性最佳。b、不同泵浦方式时增益系数的分布图示反映：采用后向泵浦或两端泵浦时，纤芯内的增益分布较前向泵浦更为平坦。另外还出现一个值得注意的现象，采用非对称两端泵浦（p1=18.7W，p2=36.7W）获得的激光增益分布比两端对称泵浦（p1=p2=27.7W）时均匀性更好。c、不同泵浦方式时激光功率密度的分布根据图示：随着输出端泵浦光功率p2的增加（前端泵浦功率p1相应减小，以维持总泵浦功率不变），纤芯内远离输出端的激光功率密度有所减小，而靠近激光输出端的激光功率密度有所增加。在总泵浦功率不变的情况下，增加后向泵浦功率可以提高光纤激光器的输出功率。表格给出了四种泵浦方式对应得到的最大输出功率。

P1(w)P2(w)Pout(w)55.422.718.70022.736.755.433.9535.0735.3835.894、小结：1、前向泵浦可使泵浦光注入端与激光输出端相分离，因此泵浦耦合最为方便。但光纤中的光功率分布及增益分布都很不均匀，在大功率泵浦的情况下容易造成注入端的光纤熔融。

2、两端泵浦方式的耦合结构更复杂，但可以大大降低注入端的泵光的功率密度，并且光纤内的功率密度及增益分布都较为均匀,因此，对大功率光纤激光器来说两端泵浦是一种较好的选择。3、后向泵浦时泵浦光的耦合注入比前向泵浦复杂，同前向泵浦一样存在泵浦光分布不均匀的问题。但是这时的增益分布较为平坦，容易获得较高的激光输出。三、掺Yb3+光纤激光器动态特性的理论分析

1、结构模型采用线形腔结构2、理论模型粒子数速率方程3、掺Yb3+光纤激光器动力学耦合方程激光功率的稳态解：其中4、动力学耦合方程的运用

在推导动力学耦合方程的基础上，我们将理论运用于双包层掺Yb3+光纤激光器动态特性的研究中，结合实验情况，假设：

波长：λs=1060nm，λp＝976nm；反射率：R1(1060)=1，R2(1060)=0.04；

荧光寿命：τ2＝0.77ms；光纤折射率：n=1.46；损耗系数：αs=0.42m-1；

光纤长14m，纤芯模场直径为7μm，

对两种不同掺杂浓度的双包层掺Yb3+光纤激光器的动态输出进行了模拟。得出以下结果：a、掺杂浓度为560ppm的动态输出：如图所示：b、掺杂浓度为2380ppm的动态输出：图示反映的物理意义结合实验在后面具体介绍。

3.5调Q光纤激光器（一）调Q光纤激光器基本结构及特点声光调QA.非光纤型Q开关

电光调Q

机械转镜调Q

可饱和吸收体调Q

光纤马赫-曾特尔干涉仪B.光纤型Q开关

光纤迈克尔逊干涉仪

基于光纤中的SBS调QA.非光纤型：声光（AOM）调Q特点：开关时间较快，消光比大，脉冲宽度一般十几到几十ns，但插入损耗大，稳定性较差。A.非光纤型：电光（EOM）调Q特点：开关时间快（几ns），消光比大（>95％），但插入损耗大，稳定性较差，需要几千伏的高压，产生的电子干扰大。A.非光纤型：可饱和吸收体被动调Q特点：在1.53mm得到0.1mJ能量，开关速度慢，插入损耗大B.光纤型Q开关：光纤迈克尔逊干涉仪调Q特点：开关速度较慢，能产生ms量级脉冲，要求两臂光纤光栅完全相同，这样的两个光纤光栅比较难制作，