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2006-09-12 14:17

光纖激光器最新研究進(jìn)展

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)和應(yīng)用。同時(shí)介紹了光纖激光器，尤其是高功率雙包層光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：摻雜雙包層光纖；泵浦結(jié)構(gòu)；諧振腔

對(duì)摻雜光纖作為增益介質(zhì)的光纖激光器的研究始于20世紀(jì)60年代，而直到80年代后期，隨著光纖制造工藝與半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，以及光通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，大功率光纖激光器領(lǐng)域的研究才取得實(shí)質(zhì)性突破。由于光纖激光器以靈巧的半導(dǎo)體激光二極管作為泵源,以柔軟的光纖作為波導(dǎo)和增益介質(zhì),同時(shí)可采用光纖光柵,耦合器等光纖元件,因此無(wú)需光路機(jī)械調(diào)整,結(jié)構(gòu)緊湊,便于集成，其特有的全光纖結(jié)構(gòu)使器件的抗電磁干擾性強(qiáng)，溫度膨脹系數(shù)小，在頻域上應(yīng)用WDM及光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出，在時(shí)域上結(jié)合激光鎖模技術(shù)可產(chǎn)生幾乎沒(méi)有啁啾的皮秒級(jí)超短變換極限光脈沖。與固體激光器和半導(dǎo)體激光器相比，光纖激光器具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前光纖激光器作為光源在光通信領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現(xiàn)，其應(yīng)用正向著激光加工、圖像顯示和生物醫(yī)療等更廣闊的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。本文以下內(nèi)容概述了光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用及其發(fā)展前景。

1．光纖激光器結(jié)構(gòu) 光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與其他激光器基本相同。

光纖激光器主要由泵源，耦合器，摻稀土元素光纖，諧振腔等部件構(gòu)成。泵源由一個(gè)或多個(gè)大功率激光二極管構(gòu)成，其發(fā)出的泵浦光經(jīng)特殊的泵浦結(jié)構(gòu)耦合入作為增益介質(zhì)的摻稀土元素光纖，泵浦波長(zhǎng)上的光子被摻雜光纖介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)射的光波經(jīng)諧振腔鏡的反饋和振蕩形成激光輸出。

1.1摻稀土元素光纖光纖激光器是以摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)的，十五種稀土元素中比較常用的有源光纖摻雜離子有Nd3＋, Ho3＋, Er3＋, Tm3＋, Yb3＋等，上述幾種稀土元素的泵浦波長(zhǎng)和激射波長(zhǎng)如表1所示。 Nd3+ Yb3+ Er3+ Tm3+ Ho3+ 泵浦波長(zhǎng) 795nm 800nm－1000nm 980nm 790nm,1260nm,1650nm 900nm1150nm 激射波長(zhǎng) 1060nm1340nm 1030nm－1150nm 1550nm 1.9－2μm 2μm

從表1可看出，Yb3＋具有較寬的吸收帶（800nm-1000nm）和相當(dāng)寬的激發(fā)帶（1030nm-1150nm），因此泵源選擇非常廣泛而且泵浦光和激光都沒(méi)有受激吸收，以摻Y(jié)b3+光纖激光器為泵源的拉曼光纖激光器可行成1.2μm-1.6μm的激光輸出。摻Er3+光纖激光器的輸出波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光通信主要窗口1.5μm，是目前應(yīng)用最廣泛和技術(shù)最成熟的光纖激光器。摻Tm3+，摻Ho3+ 光纖激光器的輸出波長(zhǎng)在2.0μm左右，由于水分子在該波長(zhǎng)附近有很強(qiáng)的中紅外吸收峰，因此用該波段激光器進(jìn)行手術(shù)時(shí)，激光照射部位血液迅速凝結(jié)，手術(shù)創(chuàng)面小，止血性好，又由于該波段激光對(duì)人眼是安全的，所以摻Tm3+，摻Ho3+ 光纖激光器在醫(yī)療和生物學(xué)研究方面有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

近年來(lái)，為提高輸出功率，作為大功率光纖激光器增益介質(zhì)的摻稀土元素光纖多采用雙包層設(shè)計(jì)，即纖芯為相應(yīng)激光波長(zhǎng)的單模摻雜光纖，內(nèi)包層為折射率較低、尺寸和數(shù)值孔徑與泵源輸出尾纖匹配的石英材料，外包層采用折射率低于內(nèi)包層的石英或聚合物材料。泵浦光耦合入光纖的內(nèi)包層，在雙包層光纖內(nèi)全反射的過(guò)程中多次穿過(guò)纖芯，使泵浦光被摻雜介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激射波長(zhǎng)輸出。這種包層泵浦技術(shù)將有效吸收面積擴(kuò)大了上百倍，大大地提高了泵浦吸收效率。目前，在雙包層光纖的基礎(chǔ)上又推出了一種新型的“M型”光纖，即在預(yù)制棒制備過(guò)程中控制稀土元素?fù)诫s濃度的分布，使拉制后的雙包層光纖纖芯折射率成M型分布。理論和實(shí)驗(yàn)表明這種新型光纖具有更高的泵浦吸收效率，采用M型光纖的光纖激光器只需幾米長(zhǎng)的摻雜光纖就可將泵浦能量完全吸收，而同等摻雜濃度的普通雙包層光纖則需要十米至五十米[2]。

對(duì)于圓形內(nèi)包層的雙包層光纖，由于大量螺旋光的存在，纖芯的吸收效率只有10％，因此內(nèi)包層形狀的設(shè)計(jì)也是提高泵浦吸收效率的關(guān)鍵。偏心形內(nèi)包層，D形內(nèi)包層，矩形內(nèi)包層，六角形內(nèi)包層先后被采用[3]，實(shí)驗(yàn)證明，不規(guī)則、非對(duì)稱性的內(nèi)包層形狀能使泵浦吸收效率得到有效提高。目前在實(shí)驗(yàn)研究中被廣泛采用的還有梅花瓣形內(nèi)包層結(jié)構(gòu)，此外光子晶體光纖在光纖激光器中的應(yīng)用也逐漸成為研究的熱點(diǎn)[4]。

1.2 泵浦結(jié)構(gòu) 泵浦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是高功率光纖激光器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在初始研究階段端面泵浦和側(cè)向泵浦結(jié)構(gòu)被廣泛采用，端面泵浦技術(shù)受包層橫截面積的限制影響泵浦功率進(jìn)一步提高。而側(cè)向泵浦技術(shù)由于采用透鏡準(zhǔn)直聚焦而使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，不利于實(shí)用化。

近年來(lái)人們?cè)诟吖β使饫w激光器泵浦結(jié)構(gòu)方面又有一些新的探索，日本科學(xué)家Hiroshi Sekiguchi 提出“任意形狀激光器”方案[5]，該方案將摻稀土元素光纖盤(pán)成圓盤(pán)狀或圓柱狀等不同形狀，在光纖縫隙間填充與光纖包層同折射率的材料，泵浦光從邊緣注入，這樣泵浦光的吸收面積比單根雙包層光纖內(nèi)包層的面積大大增加，而且泵浦光多次通過(guò)摻雜纖芯，也將使摻雜元素對(duì)泵浦光吸收更加充分。這種“任意形狀”的光纖激光器有望實(shí)現(xiàn)更高的激光功率輸出。

1.3 諧振腔

制備合適的光學(xué)諧振腔是高功率光纖激光器實(shí)用化的又一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前,高功率光纖激光器的諧振腔主要有兩種，一種是采用二色鏡構(gòu)成諧振腔[6]，這種方法一般需要在防震光學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，因而降低了光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性，不利于該產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化與實(shí)用化；另一種是采用光纖光柵做諧振腔[7]，光纖光柵是透過(guò)紫外誘導(dǎo)在光纖纖芯形成折射率周期性變化的低損耗器件,具有非常好的波長(zhǎng)選擇特性。光纖光柵的采用，簡(jiǎn)化了激光器的結(jié)構(gòu)窄化了線寬，同時(shí)提高了激光器的信噪比和可靠性，進(jìn)而提高了光束質(zhì)量。另外，采用光纖光柵做諧振腔可以將泵浦源的尾纖與增益光纖有機(jī)地熔接為一體，避免了用二色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來(lái)的損耗，從而降低了光纖激光器的閾值，提高了輸出激光的斜率效率。根據(jù)對(duì)輸出激光特性的不同要求可選擇單模光纖光柵和多模光纖光柵作為諧振腔的反射鏡，單模光纖光柵具有單一的反射峰值和很窄的反射半寬，對(duì)應(yīng)的激光輸出為單模，光束質(zhì)量高，單色性好，但輸出功率較低；多模光纖光柵是在多模漸變折射率光纖上通過(guò)紫外誘導(dǎo)寫(xiě)入的光纖光柵，能反射多個(gè)波長(zhǎng)，反射半寬較寬，應(yīng)用多模光纖光柵做腔鏡的光纖激光器輸出光束為多模，可實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出，但輸出光光束質(zhì)量較差。