光纖激光器發(fā)展及其應(yīng)用

1、第八章如何使信號源更強?1第八章 如何使信號源更強?8.1 光纖激光器簡介8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)8.3 光纖激光器的實驗8.4 光纖激光器的應(yīng)用光纖激光器的發(fā)展1. 20世紀60年代初，美國光學(xué)公司的（斯尼澤）Snitzer首次提出光纖激光器的概念。2. 70年代初美國、蘇聯(lián)等國的研究機關(guān)開展了一般性研究工作。3. 1975年至1985年，由于半導(dǎo)體激光器工藝和光纖制造工藝的成熟和發(fā)展，光纖激光器開始騰飛。英國的南安普敦大學(xué)和通信研究實驗室、西德的漢堡大學(xué)、日本的NTT、美國的斯坦福大學(xué)和Bell實驗室，相繼開展了光纖激光器的研究工作，成果累累。光纖激光器的發(fā)展 1985年英國南安普敦大學(xué)的

2、研究組取得突出成績。他們用 MCVD方法制作成功單模光纖激光器 ,此后他們先后報道了光纖激光器的調(diào)Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。英國通信研究實驗室(BTRL )于 1987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置,同時在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領(lǐng)域中也做了大量的基礎(chǔ)工作,在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。世界上還有很多研究機構(gòu)活躍在這個研究領(lǐng)域 ,如德國漢堡技術(shù)大學(xué) ,日本的 NTT、 三菱 ,美國的 貝爾實驗室 ,斯坦福大學(xué)等。 20世紀80年代后期，光纖光柵的問世和工藝的成熟，為光纖激光器注入了新的生命力，實現(xiàn)了光纖激光器的全光纖

3、化。 1988年年 , E. Snitzer等提出了雙包層光纖等提出了雙包層光纖 ,從而使一直被認為只能是小功率器件的光從而使一直被認為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。纖激光器可以向高功率方向突破。 90年代初，包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，使傳年代初，包層泵浦技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了統(tǒng)的光纖激光器的功率水平提高了45個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。一個里程碑。 進入進入 21世紀后世紀后 ,高功率雙包層光纖激光器高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進的發(fā)展突飛猛進 ,最高輸出功率記錄在短最高輸出功率記錄在短時間內(nèi)

4、接連被打破時間內(nèi)接連被打破 ,目前單纖輸出功率目前單纖輸出功率 (連續(xù)連續(xù) )已達到已達到 2000W 以上。以上。光纖激光器的分類 按諧振腔結(jié)構(gòu)分類：F-P 腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔DBR 光纖激光器、DFB 光纖激光器按光纖結(jié)構(gòu)分類：單包層光纖激光器、雙包層光纖激光器按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器按摻雜元素分類：摻鉺（Er3+）、釹（Nd3+）、鐠（Pr3+）、銩（Tm3+）鐿（Yb3+）、鈥（Ho3+）按輸出波長分類：S-波段（12801350nm）、C-波段（15281565nm）L-波段（15611620nm）按輸出

5、激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器 光纖激光器的優(yōu)點光纖激光器近幾年受到廣泛關(guān)注，這是因為它具有其它激光器所無法比擬的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在:(1)光纖激光器中，光纖既是激光介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，因此泵浦光的耦合效率相當(dāng)?shù)母?，加之光纖激光器能方便地延長增益長度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光-光轉(zhuǎn)換效率超過60%；(2)光纖的幾何形狀具有很大的表面積/體積比，散熱快，它的工作物質(zhì)的熱負荷相當(dāng)小，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達140mW/cm；(3)光纖激光器的體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計得相當(dāng)小巧靈活，使用方便；(4)作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子和承受摻雜的基質(zhì)具有相當(dāng)多的可

6、調(diào)參數(shù)和選擇性，光纖激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455-3500nm)設(shè)計運行，加之玻璃光纖的熒光譜相當(dāng)寬，插入適當(dāng)?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達80nm； (5)光纖激光器還容易實現(xiàn)單模,單頻運轉(zhuǎn)和超短脈沖；(6)光纖激光器增益高，噪聲小，光纖到光纖的耦合技術(shù)非常成熟，連接損耗小且增益與偏振無關(guān)；(7)光纖激光器的光束質(zhì)量好，具有較好的單色性、方向性和溫度穩(wěn)定性；(8)光纖激光器所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此，可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。由于光纖激光器具有上述優(yōu)點，它在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示、激光印刷等領(lǐng)域具有

7、廣闊的應(yīng)用前景。 通信:在光通信領(lǐng)域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實現(xiàn)單模、單頻和低噪聲，并被應(yīng)用于光通信和光傳感系統(tǒng)中，特別是可應(yīng)用于密集波分復(fù)用(DWDM)通信和光孤子通信中。如外調(diào)制的摻鉺光纖激光器在1996年就能提供傳輸距離654km，速率為2.5Gb/s的信號，與DBF半導(dǎo)體激光器性能類同，但后者難以實現(xiàn)波長特定。劉頌豪院士認為，光纖光孤子激光器、光纖放大器和光孤子開關(guān)是三項使孤子通信走向?qū)嵱没闹饕夹g(shù)。光孤子通信傳輸距離可達百萬公里，傳輸速率高達20Gb/s，誤碼率低于10-13，實現(xiàn)了無差錯通信。軍事:美國空軍實驗室的科學(xué)家們正在努力將光纖激光器的

8、輸出功率提高到千瓦數(shù)量級。定向能量瞄準項目中的激光集成技術(shù)分項目的研究人員正與加州San Jose市的SDL公司合作，開發(fā)高亮度、光照面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前看好的化學(xué)激光器。工業(yè)加工:激光波長在1080nm附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統(tǒng)的YAG激光器相媲美。在打標領(lǐng)域，由于光纖激光器具有高的光束質(zhì)量和定位精度，使其不僅在微米量級對半導(dǎo)體及包裝打標效率極高，而且也常被用于塑料和金屬打標中。激光印刷:雙包層光纖激光器，因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率而大量進入印刷市場，印刷廠利用它可進行校樣的制模。醫(yī)療:功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科

9、手術(shù)中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射源。 光纖激光器原理 激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理條件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實現(xiàn)的，也可以叫作構(gòu)成激光器的三要素。1. 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在通常的情況下，任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠大于高能態(tài)電子數(shù)，當(dāng)外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電了又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時進行的。所以，為了獲得粒子反轉(zhuǎn)，就需要極大的激發(fā)強度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很

10、大的激發(fā)功率也可能損壞材料。2諧振腔 激光器共振腔一般為F-P干涉共振腔結(jié)構(gòu)，它是由兩個反射率很高的相互個行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)半的受激光發(fā)射就是在共振腔個形成的。 如果共振腔內(nèi)的激光材料已達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場越來越強。 LPiPfR1R2反射面反射面腔體軸線12EfEi激光輸出激光輸出2諧振腔 雖然在光傳播的過程中也有自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子加入，但自發(fā)輻射的光有各種傳播方向，只有那些傳播方向平行于共振腔的光子才能在共振腔中保留下來

11、，其余的自發(fā)躍遷受到抑制；另外在共振腔中傳播的光的頻率受到共振腔共振頻率的限制，只有滿足共振條件的那些光被加強、其余的光被抑制。所以共振腔的主要作用是在共振腔內(nèi)形成一個具有特定頻率的足夠強的激發(fā)光場。 共振腔還有另一個作用：在共振腔內(nèi)形成的受激光一部分通過共振腔端面發(fā)射出去成為受激光發(fā)射，另外一部分被端面反射回來，在共振腔內(nèi)繼續(xù)激發(fā)出受激輻射。所以，只要在共振腔內(nèi)的激光材料始終保持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，就可以獲得連續(xù)的受激光發(fā)射。3功率源 為了使激光器產(chǎn)生激光輸出，必須使共振腔中激光材料的增益達到閾值增益，也就是說要使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到一定的程度，稱為閾值反轉(zhuǎn)密度。 因此激光器的第三個要素就是要有一個功

12、率源，它所提供的能量至少要能夠產(chǎn)生閾值反轉(zhuǎn)密度。在半導(dǎo)體激光器中這一功率源是以電能形式提供激發(fā)功率的。光纖激光器基本原理光纖激光器和其他激光器一樣，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源三部分組成。激光輸出激光輸出 未轉(zhuǎn)換的泵浦光線未轉(zhuǎn)換的泵浦光線稀土摻雜光纖稀土摻雜光纖泵浦光泵浦光稀土類摻雜光纖激光器稀土元素包括15種元素，在元素周期表中位于第五行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有Er3+、 Nd3+ 、Pr3+、 Tm3+、 Yb3+。摻鉺(Er3+)光纖在1.55m波長具有很高的增益，正對應(yīng)低損耗第三通信窗口，由于其潛在的

13、應(yīng)用價值，摻鉺(Er3+)光纖激光器發(fā)展十分迅速。摻鐿(Yb3+)光纖激光器是波長1.0-1.2m的通用源，Yb3+具有相當(dāng)寬的吸收帶(8001064nm)以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶(9701200nm)，故泵浦源選擇非常廣泛且泵浦源和激光都沒有受激態(tài)吸收。摻銩(Tm3+)光纖激光器的激射波長為1.4m波段，也是重要的光纖通信光源。TKomukai等人獲得了輸出功率100mw、斜率效率59的1.47m摻Tm3+光纖激光器。稀土類摻雜光纖激光器對于通訊應(yīng)用，目前認為摻Er光纖激光器最適宜，因為它能工作在石英光纖最低損耗波長1.51m處，調(diào)諧范圍50nm，可供多路光頻復(fù)用。它的泵浦波長可在0.807m、0

14、.980m和1490m，但目前最易得到的是0.980m的激光二極管，它能提供連續(xù)編出幾百mw，Q開關(guān)的15ns脈沖功率100w。理論上有可能獲得1kw。Er3+(4F13/24I15/2)有1.54m發(fā)射譜線，與Nd激光器一樣，用0.514m的激光泵浦，便可產(chǎn)生振蕩，其熒光光譜有1.534和1.549m峰，壽命812ms。 Er激光為三能級激光，因此用塊狀材料實現(xiàn)連續(xù)振蕩比較困難，但用纖維激光器，可實現(xiàn)空運連續(xù)振蕩，閾值30mw左右。插入衍射光柵，也可在1.531.55m范圍內(nèi)實現(xiàn)波長可調(diào)性。稀土類摻雜光纖激光器其他的摻雜光纖激光器，如2.1m工作的摻鈥(Ho3+)光纖激光器，由于水分子在2.

15、0m附近有很強的中紅外吸收峰，對鄰近組織的熱損傷小、止血性好，且該波段對人眼是安全的，故在醫(yī)療和生物學(xué)研究上有廣闊的應(yīng)用前景。 激光是由Er3能級的4I13/2至4I15/2的躍遷產(chǎn)生，屬三能級系統(tǒng)。器件效率較低，同時存在激光態(tài)吸收的問題，研究工作圍繞如何提高器件的效率展開。 Er3光纖光柵激光器的缺點是對泵浦光的吸收效率和斜率效率低、頻率不太穩(wěn)定（跳模現(xiàn)象）。為解決這些問題，采用Er3 Yb3共摻的光纖作為增益介質(zhì)。 Yb3離子起著吸收泵光（980nm），然后迅速轉(zhuǎn)移給Er3離子，以實現(xiàn)1.5 m區(qū)的放大器，對泵光的吸收能力可提高2個數(shù)量級。2F5/22F7/24I11/24I13/24I1

16、5/2Yb3Er3其原理如圖所示： 摻Y(jié)b3+光纖有很寬的吸收譜和發(fā)射譜，可以采用不同波長的抽運源，在9701200nm波段獲得激光，并可進行寬帶調(diào)諧；同時，這種光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅、多聲子躍遷等消激發(fā)過程，能夠獲得很高的能量轉(zhuǎn)化效率。由于以上優(yōu)點及其廣闊的應(yīng)用前景，摻Y(jié)b3+光纖激光器受到越來越多研究者的關(guān)注。第八章 如何使信號源更強?8.1 光纖激光器的工作原理8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)8.3 光纖激光器的實驗8.2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)泵光摻Er3石英光纖激光輸出剩余泵光 F-P 線形腔摻鉺光纖激光器 光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在

17、腔內(nèi)振蕩，要求：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件駐波條件)：)(2exp021LGIrrIni)(2121rrnlLGni12nqL增益系數(shù)增益系數(shù)平均損耗系數(shù)縱模和橫?？v模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方軸線方向形成駐波，向形成駐波， 稱為縱模。稱為縱模。節(jié)數(shù)為節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。，為縱模序

18、數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布，稱為橫模與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用用LPml表示，為線性偏振模。表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角 從從0到到2 光場的光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù)節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)節(jié)線數(shù)沒有變化，沒有變化，為圓形光斑。為圓形光斑。二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖

19、環(huán)行諧振腔、光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關(guān)。產(chǎn)生的激光由勵的激光與泵光無關(guān)。產(chǎn)生的激光由4端到端到3端。經(jīng)端。經(jīng)耦合器分為耦合器分為2束：一束從束：一束從2端輸出；另一束由端輸出；另一束由4端返回端返回并被諧振放大；如此反復(fù)。并被諧振放大；如此反復(fù)。其中儲存了能量其中儲存了能量。摻雜光纖摻雜光纖耦合器：耦合器： 4端出射端出射光比光比1端入射光停滯端入射光停滯后后 /2。2、光纖圈反射器、光纖圈反射器 普通單模光纖普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下作波長下單模單模

20、運行，在兩個輸出端與輸入端之間運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固存在固定相位差定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位 /2。 光纖圈的功率反射率光纖圈的功率反射率R、透射率、透射率T為：為：從從2端的透射功率總和為端的透射功率總和為0： 134 2 的的順時針光的的順時針光場相位差為場相位差為0，與從，與從1 4 3 2的逆時針光場的相位差為的逆時針光場的相位差為。兩光場因為振幅相同、相位相反兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為而抵消，總和為0 。光從光從1返回返回。SMF2221221222211)21 ()1 ()1 (4)1 (kerTTTk

21、kerRRRall a3、光纖、光纖圈圈諧振腔諧振腔 光纖圈為光纖圈為非諧振的干涉儀非諧振的干涉儀結(jié)構(gòu)。注意結(jié)構(gòu)。注意分束器的取分束器的取向向。其中沒有能量儲存其中沒有能量儲存。透射透射反射反射inrintPkkPPkP)1 (4)21(2：反射功率與透射功率為反射反射透射透射 光波既可以光波既可以通過另一端輸出；通過另一端輸出；又可以再從輸入又可以再從輸入端反射。端反射。4 4、全光纖激光器、全光纖激光器 兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通通過一條摻雜光纖熔錐而成的過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器全光纖激光器。 激光器要實現(xiàn)振蕩，激光器要實現(xiàn)振

22、蕩，要求光纖圈提供正反饋。要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長為：由此得到諧振腔的有效腔長為：為整數(shù)。mmLLLL,4) 12(2221L1L2L摻雜光纖摻雜光纖泵浦環(huán)形器EDFFBGFBGFBG泵浦WDMEDF 980/1550nm WDM EDF Isolator Output 10% FBG IMG Coupler(10：90) 980nmLD 90% WDMOutput coupler泵浦PC controllerEDF IsolatorOutput 環(huán)形 腔摻鉺激光器三、可調(diào)諧光纖激光器三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有光纖激光器有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍較寬的波長調(diào)節(jié)范圍，比染

23、料激光器的，比染料激光器的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應(yīng)用價值顯著。，潛在應(yīng)用價值顯著。1，反射鏡，反射鏡+光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃級，閃耀角為耀角為 ，光柵常數(shù)為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：，則光柵方程為：dMddMdcos2sin2 只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的使光束相對于光柵法線的入射角在入射角在 附近變化，就附近變化，就能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長 。 可調(diào)諧激光器可調(diào)諧激光器 采用這種結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)，利用氬

24、離子激光器的利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦的光作為泵浦光，分別激勵光，分別激勵摻鉺摻鉺光光纖及纖及摻釹摻釹光纖光纖,可調(diào)可調(diào)諧的波長范圍分別為諧的波長范圍分別為25nm和和80nm。 由于分束器與光由于分束器與光學(xué)元器件帶來了腔內(nèi)學(xué)元器件帶來了腔內(nèi)損耗，損耗，導(dǎo)致閾值功率導(dǎo)致閾值功率提高。提高。14 nm11 nm五、窄帶輸出的光纖激光器五、窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用：通過光纖光柵的選模作用： 達到窄帶達到窄帶輸出。輸出。 B是布拉格波長，是布拉格波長， d是光柵周期，是光柵周期，ne是有效折是有效折射率。射率。dneB2激光線寬激光線寬0.06 nm六、光纖六、光

25、纖Fox-Smith諧振腔諧振腔 一般地，一般地，14段及段及13段的諧振頻率不同。段的諧振頻率不同。復(fù)合腔的縱模頻率間隔為：復(fù)合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當(dāng)?shù)倪x擇適當(dāng)?shù)膌3、l4以致于在以致于在整個熒光線寬內(nèi)只有一個整個熒光線寬內(nèi)只有一個縱模在振蕩。則可以縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)單縱模運轉(zhuǎn)。)(2243llnf復(fù)合腔結(jié)構(gòu) LD 976 nm DM Yb-doped DCF Polished at 8 Grating Output beam Lens Coupling system 一、一、Littrow結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器的實驗研究結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器的實驗研究 調(diào)諧范圍：1040n

26、m1107.6nm ，功率：34mW102010301040105010601070108010901100111011200246810121416Output Power (dBm)Wavelength (nm)輸出功率隨激光波長的變化關(guān)系重要參數(shù)斜率效率： 輸出激光功率的變化量/泵浦功率的變化量 也就是輸出激光功率隨泵浦功率變化曲線線性部分的斜率，一般用百分數(shù)表示 單包層光纖激光器以其諸多的優(yōu)良特點受到普遍關(guān)注，得到了長足發(fā)展。但是，由于泵浦光較難有效地耦合到幾何尺寸只有幾微米的光纖芯內(nèi)，光光轉(zhuǎn)換效率較低；同時，常規(guī)的單模光纖激光器要求泵光的輸出模式必須為基模，這也限制了其輸出功率的水平

27、。所以一般常規(guī)光纖激光器的輸出功率僅在毫瓦量級，研究工作和開發(fā)應(yīng)用大都集中在光通信和光傳感領(lǐng)域。 80年代后期，美國寶麗來公司的研究者們作出了開創(chuàng)性的工作，發(fā)展了一種包層泵浦技術(shù)，大大促進了高功率光纖激光器的發(fā)展。在特種光纖生產(chǎn)技術(shù)和半導(dǎo)體激光器制造工藝高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，包層泵浦技術(shù)發(fā)展迅猛，激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高達70%以上、連續(xù)輸出功率高達幾十瓦、乃至幾百瓦。同時，利用纖芯內(nèi)的超高功率密度所產(chǎn)生的諸如受激布里淵散射、受激喇曼散射和頻率上轉(zhuǎn)換等非線性效應(yīng)，大大拓寬了光纖激光器的輸出頻率范圍，并使超短脈沖技術(shù)、喇曼光纖激光器和放大器技術(shù)的發(fā)展上了一個新的臺階。預(yù)計此類大功率、寬波段、高模式質(zhì)量

28、、結(jié)構(gòu)緊湊、運轉(zhuǎn)可靠、高性能價格比的雙包層光纖激光器將在光通信（特別是高速長距離和孤子通信）、遙感、航天航空、生命科學(xué)、機械精密加工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。雙包層光纖激光器有許多的優(yōu)點（1）高功率激光輸出，多個多模半導(dǎo)體激光二極管并行泵浦，可設(shè)計出極高功率輸出的光纖激光器； （ 2）由于光纖的表面積與體積之比很大，高功率光纖激光器工作時一般無需復(fù)雜的冷卻裝置； （3）由于光纖摻稀土元素離子，有一個寬而平坦的吸收光譜區(qū)，因此有很寬的泵浦波長范圍。 （4）多模二極管泵浦源的穩(wěn)定性(其可靠運轉(zhuǎn)壽命超過l00萬小時)決定了這種激光器具有高可靠性； （5）具有極高的光束質(zhì)量，這是其他高功率激光器無法相比的；

29、 （6）電光轉(zhuǎn)換效率高，插頭效率高達20以上； （7）結(jié)構(gòu)緊湊、牢固、不需精密的光學(xué)平臺，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。雙包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu)光纖芯光纖芯外包層外包層保護層保護層激光輸出激光輸出泵浦光泵浦光一、雙包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu) 光纖芯：由摻稀土元素的SiO2構(gòu)成，它作為激光振蕩的通道，對相關(guān)波長為單模； 內(nèi)包層：內(nèi)包層由橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純SiO2構(gòu)成，它是泵光通道，對泵光波長是多模的； 外包層：外包層由折射率比內(nèi)包層小的軟塑材料構(gòu)成； 保護層：最外層由硬塑材料包圍，構(gòu)成光纖的保護層。雙包層光纖結(jié)構(gòu) 二、雙包層光纖內(nèi)包層的作用： 1.包繞纖芯，將激光輻射限制在光纖芯內(nèi)

30、； 2.多模導(dǎo)管作為泵光的傳輸通道，把多模泵光轉(zhuǎn)換為單模激光輸出。泵光的能量不能直接耦合到光纖芯內(nèi)，而是將泵光耦合到內(nèi)包層，光在內(nèi)包層和外包層之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)的光纖不要求泵光是單模激光，而且可對光纖的全長度泵浦，因此可選用大功率的多模激光二極管陣列作泵源，將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi)，大大提高了泵浦效率。雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù)1.端面泵浦耦合技術(shù)雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù)1.端面泵浦耦合技術(shù)雙包層光纖激光器的泵浦耦合技術(shù)2.側(cè)面泵浦耦合技術(shù)三、雙包層光纖的研究進展 俄羅斯普物所研制的內(nèi)包層為方形的摻Y(jié)b雙包層光纖。 美國寶麗來公司研制的

31、內(nèi)包層為矩形的摻Y(jié)b雙包層光纖。 美國朗訊公司研制的內(nèi)包層為星形的摻Y(jié)b雙包層光纖。 德國研制的內(nèi)包層為D形的摻Y(jié)b和Nd雙包層光纖， 中國武漢郵電科學(xué)研究院研制了摻Y(jié)b雙包層光纖。 中國天津46所和南開大學(xué)合作研制成功摻Y(jié)b雙包層光纖。 圓形內(nèi)包層的摻Y(jié)b3+雙包層光纖。內(nèi)包層直徑：125m, 數(shù)值孔徑（NA)：0.38；芯徑：5.5m，NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)：64dB/km； 矩形內(nèi)包層的摻Y(jié)b雙包層光纖。內(nèi)包層尺寸：100m70m；NA：0.38；芯徑：5.5m；NA：0.11；在976nm出的吸收系數(shù)為73dB/km。雙包層光纖激光器結(jié)構(gòu)光纖非線性效應(yīng)激光器： 在雙包

32、層光纖和高功率多模LD的制造工藝的日趨完善的基礎(chǔ)上，高功率光纖激光器發(fā)展極為迅速。 美國寶麗來公司的M.Muendel等人在97 CLEO會議上報道，用916nm、54.4W的激光二極管條泵浦內(nèi)包層為矩形的雙包層光纖，在1100nm波長上獲得35.5W的激光輸出。 美國朗訊公司的D.Inniss等在97 CLEO會議上，采用一個915nm波長、1cm寬的高功率半導(dǎo)體激光二極管條作泵源，使系統(tǒng)的輸出功率在1065nm波長處為16.4W，在1101nm波長處為20.4W。 美國朗訊公司S.Kosinki和D.Inniss在98 CLEO會議上報導(dǎo)，用一種內(nèi)包層為星形的雙包層單模Yb3+光纖激光器得

33、到20W的激光輸出 加州圣何塞光譜二極管實驗室工程師V.Dominic等人在99年CLEO會議上報道在一個摻Y(jié)b3+的雙包層光纖激光器上，實現(xiàn)了連續(xù)輸出功率大于110W的單模輸出。其光光轉(zhuǎn)換效率為58.3%。實驗裝置如圖所示： 美國IPG公司的摻Y(jié)b雙包層高功率激光器的輸出功率水平超過700瓦，幾十瓦幾百瓦的雙包層光纖激光器的商品也已問世。 國內(nèi)上海光機所用大于10瓦的915nm LD泵浦內(nèi)包層為矩形的摻Y(jié)b雙包層光纖獲得1060nm、4.9瓦的激光輸出。光-光轉(zhuǎn)換效率為43.6%。南開大學(xué)對高功率光纖激光器進行了研究。Dichroic mirror(HT(976nm)，HR(1064nm)L

34、DsD-shaped double clad fiber400m350mOutputCoupler光纖：光纖：選用了內(nèi)包層形狀為D形的摻Y(jié)b3+雙包層光纖，幾何尺寸為400m340m，數(shù)值孔徑0.38。摻雜濃度0.65mol%（Yb2O3）。光纖長度20米。 瓦級全光纖摻Y(jié)b雙包層光纖激光器 高功率的光纖激光器一般仍采用二色鏡等傳統(tǒng)的體器件構(gòu)成諧振腔，未能實現(xiàn)全光纖化，這不僅極大地限制了光纖激光器的結(jié)構(gòu)緊湊性和工作可靠性，也增加了抽運光的耦合難度，同時不利于光纖激光器與后續(xù)光纖光學(xué)系統(tǒng)的匹配兼容。為解決上述問題，采用光纖Bragg光柵（FBG）作為腔鏡的全光纖高功率激光器。 光纖：光纖：摻Y(jié)b

35、雙包層光纖的內(nèi)包層形狀為正方形，截面尺寸為125m125m，數(shù)值孔徑約為0.38。單模纖芯的模場半徑為7m，數(shù)值孔徑為0.11。纖芯中摻雜有較高濃度的Yb離子，對976nm抽運光的吸收損耗約為1.7dB/m。光纖長度為20m。 諧振腔：諧振腔：一對中心反射波長為1060nm的FBG作為選頻反饋腔鏡，構(gòu)成駐波腔，相應(yīng)的峰值反射率分別為99%和5%。圖3-5 泵浦源：為一臺帶有輸出尾纖的LD模塊，中心波長為976nm。在LD模塊與光纖激光器注入端之間專門設(shè)計了一個taper型光纖耦合器，以提高抽運光的注入效率。 性能指標： 閾值功率： 300mW 輸出功率 ：1.18W 光光轉(zhuǎn)換效率：53.1%

36、斜率效率：68 中心波長： 1060nm 光譜半寬 ： 95），但插 入損 耗大，穩(wěn)定性較差，需要幾千伏的高壓，產(chǎn)生 的電子干擾大。980nm抽運隔離器輸入耦合器摻鉺光纖透鏡偏振器電光調(diào)制器75%輸出鏡A.非光纖型：可飽和吸收體被動調(diào)Q特點：在1.53mm得到0.1mJ能量，開關(guān)速度慢，插入損耗大SESAMdichroicfilterf=4.5mmf=18mmdichroicmirrorLMA fiber(60cm)pump(=2W at 980nm)outputB. 光纖型Q開關(guān)：光纖邁克爾遜干涉儀調(diào)Q特點：開關(guān)速度較慢，能產(chǎn)生ms量級脈沖，要求兩臂光纖 光柵完全相同，這樣的兩個光纖光柵比較難制作， 消光比不高12B.光纖型Q開關(guān)：光纖馬赫曾特干涉儀調(diào)Q特點：全光纖型主動調(diào)Q，可產(chǎn)生ms脈沖，低插入損耗 ， 但開關(guān)時間較慢EDF980/1550nm WDM980nm LDRef