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光纖新聞網(wǎng) 作者：張健 鄭杰 張亮 王立軍 張玉書
jP(|pz =;HC7TUM& 摘要：本文簡要介紹了
激光器',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_1">光纖
激光器的結(jié)構(gòu)，特點和應(yīng)用。同時介紹了
光纖激光器，尤其是高功率雙包層光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點及其發(fā)展趨勢。
P* =M?:Jb, BqoGHg4iq 關(guān)鍵詞：摻雜雙包層光纖；泵浦結(jié)構(gòu)；諧振腔
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對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),同時可采用光纖
光柵,耦合器等光纖元件,因此無需光路機械調(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，溫度膨脹系數(shù)小，在頻域上應(yīng)用WDM及光纖傳感技術(shù)可實現(xiàn)多波長可調(diào)諧輸出，在時域上結(jié)合激光鎖模技術(shù)可產(chǎn)生幾乎沒有啁啾的皮秒級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，光纖激光器具有無可比擬的優(yōu)點。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、應(yīng)用及其發(fā)展前景。
MS7rD%(,' "pRi1Y5)l 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。
=}F}XSvXH _+B{n^ { 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。泵源由一個或多個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。
_!qi`A eMHBY6<~= 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和激射波長如表1所示。 Nd3+ Yb3+ Er3+ Tm3+ Ho3+ 泵浦波長 795nm 800nm－1000nm 980nm 790nm,1260nm,1650nm 900nm1150nm 激射波長 1060nm1340nm 1030nm－1150nm 1550nm 1.9－2μm 2μm
T?lp:~d ;RR\ Hwix 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對應(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在2.0μm左右，由于水分子在該波長附近有很強的中紅外吸收峰，因此用該波段激光器進行手術(shù)時，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]。
Vt4KG+zm BIQQJLu 近年來，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，即纖芯為相應(yīng)激光波長的單模摻雜光纖，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)全反射的過程中多次穿過纖芯，使泵浦光被摻雜介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激射波長輸出。這種包層泵浦技術(shù)將有效吸收面積擴大了上百倍，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)制棒制備過程中控制稀土元素摻雜濃度的分布，使拉制后的雙包層光纖纖芯折射率成M型分布。理論和實驗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]。
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25E 對于圓形內(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]，實驗證明，不規(guī)則、非對稱性的內(nèi)包層形狀能使泵浦吸收效率得到有效提高。目前在實驗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[4]。
W!Qaa(o? YY4XCkt 1.2 泵浦結(jié)構(gòu) 泵浦結(jié)構(gòu)的設(shè)計是高功率光纖激光器的一項關(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一步提高。而側(cè)向泵浦技術(shù)由于采用
透鏡準直聚焦而使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，不利于實用化。
g"}j ^*g= 65!1 近年來人們在高功率光纖激光器泵浦結(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成圓盤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摻雜纖芯，也將使摻雜元素對泵浦光吸收更加充分。這種“任意形狀”的光纖激光器有望實現(xiàn)更高的激光功率輸出。
2E 0A` |K. J@zW 1.3 諧振腔
NCX`-SLv 3*8m!gq7s 制備合適的
光學(xué)諧振腔是高功率光纖激光器實用化的又一項關(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)平臺上實現(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)化與實用化；另一種是采用光纖光柵做諧振腔[7]，光纖光柵是透過紫外誘導(dǎo)在光纖纖芯形成折射率周期性變化的低損耗器件,具有非常好的波長選擇特性。光纖光柵的采用，簡化了激光器的結(jié)構(gòu)窄化了線寬，同時提高了激光器的信噪比和可靠性，進而提高了光束質(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紫外誘導(dǎo)寫入的光纖光柵，能反射多個波長，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，可實現(xiàn)高功率的激光輸出，但輸出光光束質(zhì)量較差。
K=K]R01/o A>9I E(C_ ^55q~DP}> 3 光纖激光器特點及應(yīng)用
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