摘要 隨著光纖激光器在光通信、醫(yī)學、傳感器和光譜學等領域的廣泛應 用，作為光纖激光器重要代表之一的e d f a ( e r d o p e d 助e ra p l m e r 摻 鉺光纖放大器) 也得到了迅速的發(fā)展，國內外相當多的研究機構都致力 于e d f a 的研究和開發(fā)。 本文首先回顧了光纖激光器發(fā)展的歷史和現狀，概述了光纖激光器 的特點、分類和應用。然后從光纖激光器的基本原理出發(fā)，運用速率方 程等理論，闡述了e d f a 的工作原理，并介紹了當今e d f a 的主要技術。 之后討論了增益、噪聲、閾值和輸出功率等e d f a 的重要性能參數，為 e d f a 性能參數的測量提供了理論依據。在此基礎上，通過優(yōu)化設計， 完善了一套e d f a 各項性能參數的測試方法，通過改進后的插入法對 9 8 0 n m 波長泵浦的e d f a 在1 5 3 0 砌1 5 6 0 m 間的增益和噪聲系數進行 了測量，并繪制出了性能曲線。 關鍵詞：光纖激光器、e d f a 、增益、噪聲系數、測試方法 a b s t 托艮c t w i mt l l e 、v i d ea p p l i c a t i o no ff i b e rl a s e ri nm a n yf i e l d ss u c h 船 o p t i c c o m m u l l i c a t i o n ，m e d i c a ls c i e n c e ，璐o r 趾ds p e c 仃o s c o p ye t c ，a so n e o ft i l ci m p o r t a i l tr e p r e s e n t i o ni n 捌) e r1 a s e r ，e d f a( e r _ d o p e df i b e r a m 口l i f i e r )h 黯a l r e a d yb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y l o t so fi n s t i t u t i o n s 盯ea u d e v m e dt ot i l er e s e a r c ha n dd e v e l o d m e n to f e d f a h i s t o r y 趾dc l l i t e ms i t u a t i o no ff i b c rl a s e r 盯er e v i e w e di nm i sp a p e r ， 鋤dm ec h a 瑚l c t e r i s t i c ，c l a s s i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no fn l ef i b e r1 a s e ra r e s u m m e d ，t o o b 嬲e do n 口r i n c i p l eo ft h ef i b e rl a s e r 姐d 也e o r i e ss u c h 船 v e l o c i t ye q u a t i o ne t c ，t l l eo p e r a d o np r i n c i p l eo fe d f a i se x p l a i n e d ，a n dn l e m a i nt e c h n o l o 科o fc l l n 即te d f ai si n 缸d d u c e di nt l l i sp a p e r n l e n 也e i m p o n b n tp m p e n i e sp 盯a m e t e ro fe d f a i sd i s c u s s e d ，s u c ha sg a i n ，n o i s e ， m r e s h o l dv a l u ea n do u l p u tp o 、v e re t c no 任b r s 也e 曲屺o r e t i c a lf o u n d a t i o nf i o r m s l l r e m e n to fe d f ap r o p e r t i e sp 盯趾玳托r u p o nt h i s ，ak i n do ft e s 血g m e t h o do f p r o p e n i e sp 王眥n e t e ro f e d f ai so p 血n a l l yd e s i g n e di nt l l i sp a p e r w h e nt l l ei n c i d e n tl i g h tw a v e k n 衄i s 丘o m15 3 0 衄t o15 6 0 衄，t l l eg a i n 托dn o i c o e m c i e n to fe d f aw h i c hi sp u m p e db y9 8 0 n mw a v e l e n 納a r e m e a 蛐r e db yu s i n g 曲屺n e wi n t e r p o 1 a t i o nt e c h m q u e ，t l ep c r f o r i n a n c ec u r v e i sd n 啪u d t h em e a s u r e dr e s u l ts h o w st h eg a i n 孤dt l l en o i s ec o e 佑c i e n to f e d f a 講1 i c hi sp 咖叩e db y9 8 0 l l m 啪v e l c n g t l la r er e s p e c t i v e l yn a t t e ra n d l o 、v e r e d f aw a v e l e n 承hc a nb eu s e di nt h ec o m 塒【e r c i a lc o m m u n i c a t i o n s v g t e m k e yw o r d s ：n b e ri 且s e be d i a ，髀i n ，n o i s ec o d m c i e n t ，t e s 曲gm e t h o d 長春理工大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的碩士學位論文，e d f a 性能參數的研究 和測試是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除 文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā) 表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均 已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承 擔。 作者虢虹哇月皿 長春理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解“k 春理工大學碩士、博士學 位論文版權使用規(guī)定”，同意長春理工大學保幫并向國家有關部1 l j 或機 構送交學位論文的復印件和電子版，允影l(fā) ：論文被告閱和借閱。本人授權 長春理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進 行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文。 作者簽名：! 墊互旦b 至月且r 指導導師簽名：直堂王竺6 年土月衛(wèi)h 第一章緒論 1 1 光纖激光器的發(fā)展歷史及其現狀 光纖激光器作為第三代固體激光器的代表，是當前光電子技術研究 領域的前沿課題之一，但是它并不是一項新型技術，它的歷史幾乎和激 光器的一樣長。對摻雜光纖作增益介質的光纖激光器的研究始于2 0 世紀 6 0 年代【”。斯尼澤( s i l i t z e r ) 于1 9 6 3 年報道了在玻璃基質中摻激活釹離 子( d “) 所制成的光纖激光器。2 0 世紀7 0 年代以來，人們在光纖制備 技術以及光纖激光器的泵浦與諧振腔結構的探索方面取得了較大進展。 而在2 0 世紀8 0 年代中期英國南安普頓大學鉺( 廚“) 光纖的突破，使 光纖激光器更具實用性，顯示出十分誘人的應用前景【2 】。 從2 0 世紀6 0 年代初發(fā)明光纖激光器到2 0 世紀8 0 年代末第一批商 用光纖激光器出現在市場上，經歷了幾十年的發(fā)展歷程。這些光纖激光 器采用單模二極管泵浦，發(fā)射出幾十毫瓦的激光。之后光通信網絡1 5 5 0 n m 摻鉺光纖放大器的應用使光纖激光器技術為大家所熟知。然而，相對于 毫瓦級，我們更需要瓦級的光功率輸出，使之適用于更廣泛的激光應用 領域。瓦級光纖激光功率輸出的技術飛躍在1 9 9 0 年得到了實現，當年一 臺4 w 的摻鉺光纖激光器被報道【3 1 ，這一發(fā)展為應用于微機械的1 0 瓦級 甚至更高功率單模光纖激光器以及其他領域的應用，為第一臺真正的高 功率光纖激光器的技術奠定了基礎【4 j 。 當今高功率光纖激光器的泵浦源是高功率的多模二極管，通過一個 圍繞著單模纖心的雙包層來實現。雙包層光纖技術最早開始于2 0 世紀 8 0 年代后期，由美國麻省p o l 砌d d 公司的s n i t z e r 等人提出忙】。此后，基 于這種技術的光纖激光器獲得了迅速的發(fā)展，輸出功率得到逐步提高， 由幾百毫瓦上升到幾十瓦，并開始了在光通信、印刷、微加工等行業(yè)的 廣泛應用。2 0 世紀末v d o m i n i c 等人報道了他們的輸出功率高達1 1 0 w 的摻鐿雙包層光纖激光器【6 】。2 0 0 2 年的c l e 0 會議上報道了y b 瓜d 共摻 的雙包層光纖激光器連續(xù)輸出達到了1 5 0 w 【”。日本的一個研究小組借 助于雙包層光纖激光器包層泵浦的思想，提出并實現了一種稱為可以成 為“任意形狀”的光纖激光器。他們認為這種器件可以實現近千瓦的連 續(xù)激光輸出，這些進展對光纖激光器在激光加工和軍事領域的應用起到 了巨大的推進作用【8 j 。 現在雙包層光纖激光器在國外已經有產品出售，但也只有i p g p h o t o n i c s 、j d su n i p h a 和s d l 以及i r ep o l u s 等幾家公司能提供這 樣的產品。他們所用的都是石英雙包層摻雜光纖，由于石英雙包層光纖 的原料制備復雜、要求純度高，拉絲困難，并且不能做到高摻雜，從而 使得光纖激光器所需的光纖較長。由于非線性效應限制，這種低摻雜光 纖不利于高功率激光的輸出【9 】。2 0 0 2 年5 月2 0 日，世界上功率最大的光 纖激光器已在德國交付使用( 2 ，o o o w 單模、連續(xù)輸出1 0 6 朋波長) 【l 。 國內的上海光機所、南開大學、長春光機所等單位也對雙包層光纖 激光器進行了理論和實驗研究。上海光機所在雙包層光纖激光理論和實 驗研究方面取得了較大的進展，在實驗上研制成功了連續(xù)輸出功率為5 w 量級，波長為1 1 0 n m 的雙包層光纖激光器，傾斜效率近5 0 。并且由于 采用半導體制冷器對半導體激光器進行溫度制冷控制，使得整個系統(tǒng)小 巧、穩(wěn)定、高效【】。在理論上，他們提出一種具有新型包層結構的雙包 層光纖，這種光纖相對于其它常規(guī)內包層形狀的光纖，可以大大提高對 泵浦光的吸收效率。同等條件下，可使所用光纖較短。在雙包層光纖的 拉制方面，利用磷酸鹽玻璃可以實現稀土元素的高摻雜，縮短光纖的工 作長度，降低非線性效應【4 2 】【4 3 】。上海光機所正研究開發(fā)的磷酸鹽雙包層 光纖激光器，目前已拉制出光纖成品，通過優(yōu)化參數和工藝水平，近期 就可望實用化。 1 2 光纖激光器的特點及其分類 1 2 1 光纖激光器的特點 由于光纖激光器是波導式結構，因而具有可容納強泵浦和高效益的 特點。具體特點如下： ( 1 ) 增益介質長。光繹激光器能方便地延長增益長度以使抽運光充分 吸收，從而使總體的光一光轉換效率超過6 0 ，這是其它激光器所無法 比擬的【1 2 】。 ( 2 ) 激光介質本身就是波導介質，耦合效率高；纖芯直徑小，纖內易 形成高功率密度；可方便地與目前的光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。 ( 3 ) 光纖激光器具有大的表面積體積比，散熱效果好，能產生甚高亮 度和甚高峰值功率，能在不強制冷卻的情況下連續(xù)工作。 ( 4 ) 由于光纖具有極好的柔韌性，光纖激光器可以設計的相當小巧靈 活，有利于在光纖通信和醫(yī)學上的應用；同時可借助光纖定向耦合器構 成各種柔性諧振腔，使激光器的結構更加緊湊、穩(wěn)定【l 3 1 。 ( 5 ) 容易實現單模、單頻運轉和超短脈沖。 ( 6 ) 具有相當多的可調諧參數和選擇性，能獲得寬調諧范圍、良好的 單色性和高穩(wěn)定性。其泵浦壽命長，平均無故障工作時間在1 0 0 0 0 h 甚至 1 0 0 0 0 0 h 以上【1 4 1 。 ( 7 ) 光纖激光器可在很寬的光譜范圍內( 4 0 0 3 5 0 0 n m ) 設計與運行。 這些特點決定了光纖激光器比半導體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu) 勢。f 1 5 】 1 2 2 光纖激光器的分類 光纖激光器有很多種，可按不同分類方法分類( 如表1 1 所示) 。下 面具體介紹幾類光纖激光器?！? q 4 1 9 1 表卜1 光纖激光器的分類 分類方法種類 按諧振腔結構分類 按輸出波長組成分類 按增益介質分類 按工作機制分類 按輸出激光分類 按輸出波長分類 按光纖結構分類 f p 腔、環(huán)形腔、環(huán)路發(fā)射激光器光纖諧振腔、d b r 光 纖激光器、d f b 光纖激光器等 單波長光纖激光器和多波長光纖激光器 稀士類摻雜光纖激光器、非線性效應光纖激光器、單模 光纖激光器和塑料光纖激光器 上轉換光纖激光器和下轉換光纖激光器 脈沖激光器和連續(xù)激光器 s - 波段( 1 2 8 0 1 3 5 0 n m ) 、c 一波段( 1 5 2 8 1 5 6 5 n m ) 、和 l 波段( 1 5 6 l 1 6 2 0 m ) 單包層光纖激光器和多包層光纖激光器 按摻雜元素分類 摻鉺( e r “) 、釹( m 3 + ) 、鐠( p r “) 、鐿( 塒“) 鈥( 脅3 + ) 等1 5 種 1 2 2 1 多波長光纖激光器 衰減器 泵浦 圖1 1 雙臂光纖激光器結構示意圖 對于多波長光纖激光器，摻鉺光纖增益的均勻展寬線寬是一個重要 參數。室溫下由于摻鉺光纖增益的均勻展寬線寬較大，不同波長之間的 競爭很激烈，難以實現多波長的同時激射。因此，為了實現多波長的同 時激射，需要將摻鉺光纖置于液氮之中，因為低溫時，均勻展寬的線寬 變窄，減少了不同波長之間的競爭。多波長光纖激光器主要分為用光纖 光柵提供反饋并選擇波長和利用濾波機理來實現多波長兩種。前一種激 光器結構與多波長激光器相似，只是用了多個不同波長的光纖光柵或是 在一段光纖上寫入了超結構光柵。使用濾波機理實現多波長光纖激光器 的典型結構如圖1 1 所示【2 0 j 。 多波長可調諧光纖激光器在w d m ( 波分復用) 系統(tǒng)中是非常有用 的光源。s e u n gk w 趾k i m 等人報道了使用增益平坦濾波器制成的寬帶多 波長摻鉺光纖環(huán)形腔激光器。該激光器能產生穩(wěn)定的信道間距，1 0 0 g h z 的3 4 路的激光輸出，波長范圍為1 5 3 5 1 5 6 2 n m 【2 1 1 。 1 2 2 2 摻稀土類光纖激光器 2 0 世紀8 0 年代后期，由于光纖通訊技術的發(fā)展，光纖材料特別是 摻稀土元素光纖材料和新的激光泵浦技術的發(fā)展，促進了光纖激光技術 的發(fā)展。從那時起，摻稀土元素光纖激光技術的研究受到世界各國的普 遍重視，并得到迅速發(fā)展。所摻稀土元素包括1 5 種，在元素周期表中位 于第5 行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土粒子有：廚“、 耐“、 n “、t m “和y d “【塒。摻鉺光纖在1 5 5 刪波長處具有很高的增益，這 正對應低損耗通信窗口，其潛在的應用價值使其發(fā)展十分迅速。摻鐿光 纖激光器是波長1 o 1 2 刪的通用源。y d “具有相當寬的吸收帶( 8 0 0 1 0 6 4 衄) 以及相當寬的激發(fā)帶( 9 7 0 1 2 0 0 n m ) ，因此泵浦源選擇非常廣 泛，而且泵浦源和激光均沒有受激態(tài)吸收【2 孔。摻銩( t m “) 光纖激光器 的激射波長為1 4 j 刪波段，也是重要的光纖通信光源。k o m u k a it 等人 獲得了輸出功率為l o o w ，波長為1 4 7 j 刪摻鐿光纖激光器阱l 。其它摻雜 光纖激光器在醫(yī)療和生物學研究上均具有廣闊的應用前景。 1 2 2 3 頻率上轉換光纖激光器 頻率上轉換光纖激光器是一種振蕩頻率比泵浦頻率高的光泵浦激光 器。上轉換發(fā)光的產生主要有3 種過程：步進多光子吸收過程、多個激 發(fā)態(tài)離子的共協(xié)上轉換過程及光子雪崩上轉換過程。目前，備受人們關 4 注的是對能發(fā)出多色光和藍色的摻鐠( p r “) 、銩( t m “) 的研究；泵 浦光源也從鈦寶石激光器等向半導體激光器發(fā)展；光纖長度有逐漸縮短 的趨勢；基本上以具有較高的上轉換效率的氟化物玻璃為基質。上轉換 光纖激光器現已成為可使用的全固態(tài)藍綠光源，廣泛應用于光數據存儲、 彩色顯示、醫(yī)學熒光診斷和光通信。s 鋤d e r ss 等人采用兩個1 1 0 d 1 4 0 0 眥可調諧激光二極管作泵浦源，獲得了高達1 0 6 w 的4 8 0 i l l i l 藍光 上轉換激光器m 1 1 2 2 4 雙包層光纖激光器 近年來雙包層光纖激光器以其低閾值、高效率、窄線寬和可調諧等 顯著優(yōu)勢備受人們的青睞。該激光器利用包層泵浦技術，高功率激光二 極管陣列能對包層光纖進行有效的端面泵浦。纖芯的稀土離子吸收多模 泵浦激光并輻射出單模激光，使高功率、低亮度的激光二極管發(fā)出的泵 浦激光轉換成衍射極限的強激光輸出。雙包層光纖由纖芯、內包層、外 包層和保護層4 個層次組成，雙包層光纖與常規(guī)光纖的區(qū)別在于能提供 包層波導，耦合進包層的泵浦光在其中傳播，并被纖芯中的摻雜元素所 吸收。在高功率激光器應用方面，雙包層光纖激光器現已成為人們的首 選產品?，F已有包括美國s d l 和俄羅斯i r e p o l u s 在內的幾家公司，能 提供高功率的雙包層光纖激光器產品t 2 6 】。該激光器的種類大致有3 種： 高功率連續(xù)運轉的雙包層光纖激光器、調q 運轉的雙包層光纖激光器和 波長可調諧的雙包層光纖激光器。 輸出1 圖1 2 包層泵浦調q 光纖激光器結構示意圖 圖1 2 所示為包層泵浦調q 光纖激光器的結構示意圖。該激光器可 使峰值功率提高一個量級，脈寬可壓縮到2 n s 。它是在雙包層光纖的一端 接入常規(guī)單模摻雜光纖，采用一個全反射鏡和一個二相色鏡構成駐波結 構，在腔內插入聲光調制器使激光的重復頻率可調【2 7 l 。 1 3 光纖激光器的應用 光纖激光器在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、激光印 刷和全色顯示等領域具有廣泛的應用。 l - 3 1 通信 在光纖通信的兩個主要窗口1 3 ，血和1 5 ，棚以及在s ，c 到l 波段 ( s - 波段( 1 2 8 0 1 3 50 1 1 m ) 、c 波段( 1 5 2 8 1 5 6 5 n m ) 、和l 波段( 1 5 6 l 1 6 2 0 m ) ) 中，特別需要低噪聲、高功率和窄線寬的光源?？梢苑糯髮?波段信號的喇曼放大器需要大功率的泵浦源，而光纖激光器的層腔疊腔 技術為其提供了良好的技術基礎。光纖激光器是目前光纖通信研究最為 活躍的研究領域之一，它不僅能夠產生連續(xù)的激光輸出，而且能夠產生 p s f s 級的超短光脈沖，在d w d m ( 密集波分復用) 系統(tǒng)中有巨大的潛 在應用。如外調制的摻鉺光纖激光器在1 9 9 6 年就能提供傳輸距離6 4 5 k m ， 速率為2 0 5 g 6 s 的信號，其誤碼率為l o 。9 ，與d b f 半導體激光器性能 相同，但后者難以實現波長特定【2 8 】。光纖激光器用于現有的通信系統(tǒng)并 使之支持更高的傳輸速率，在未來高碼率通信系統(tǒng)中具有不可替代的重 要地位。 1 3 2 軍事 美國空軍實驗室的科學家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高 到千瓦數量級。定向瞄準項目中的激光集成技術分項目的研究人員正與 加州s a i lj o 市的s d l 公司展開合作研究，試圖開發(fā)一種高亮度、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被人看好的化學激 光器?！? 9 】 1 3 3 工業(yè)加工 激光波長在1 0 8 0 i 】m 附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密 度使其在材料加工方面可與傳統(tǒng)的y a g 激光器相媲美【3 0 1 。光纖激光器用 于先進加工產業(yè)可使許多大型的激光加工設備包括切割、焊接、熱處理、 激光打標、激光雕刻、精密打孔等設備以及激光醫(yī)療器械的整機小型化 和輕量化甚至是便攜式的靈巧系統(tǒng)得以實現。 1 3 4 激光印刷 雙包層光纖激光器因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉換效率而大量進入 印刷市場，印刷廠可以利用它進行校樣的制模。 1 3 5 醫(yī)療 功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術中扮演了十分重要的角 色，它能為外科手術提供較大的高能輻射源。 綜上所述，由于光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導體激光器 和大型激光器( 如各種體積龐大的、普通激光加工和打標使用的c d ：和 y a g 激光器) 擁有更多的優(yōu)勢。光纖激光器不僅在光纖通信領域中占有 越來越重要的地位，亦是目前激光技術領域中人們競相研究的激光光源 之一，其中高功率雙包層摻雜光纖激光器已成為近幾年研發(fā)的熱點。 1 4 本論文的工作 本論文第一章將對光纖激光器做了一個全局性的概述，使人們對光 纖激光器的概念、分類和技術特點有一個基本的了解，同時回顧光纖激 光器的歷史，結合目前國內外發(fā)展的現狀，對光纖激光器的發(fā)展做出展 望。第二章將從光纖激光器的基本原理出發(fā)，運用速率方程等理論，利 用解析的方法，闡述e d f a 工作原理，并介紹當今e d f a 的主要技術。 第三章將討論e d f a 的增益、噪聲、閾值和輸出功率等重要的性能參數， 為e d f a 性能參數的測量提供理論依據。第四章將在前面討論的基礎上， 優(yōu)化設計一套光纖激光器各項性能參數的測試方法，通過改進后的插入 法對9 8 0 眥波長泵浦的e d f a 在1 5 3 0 n m 1 5 6 0 螄間的增益和噪聲系數 進行測量，并繪制出性能曲線。 第二章e d e a 的原理及其主要技術 2 1e d e a 的基本原理 2 1 1 光纖激光器的基本原理 光纖激光器和其它激光器一樣，都是由產生光子的增益介質、使光 予得到反饋并在增益介質中進行諧振放大的光學諧振腔和激勵光躍遷的 泵浦源三部分組成。 利用摻雜稀土元素的光纖研制成的光纖放大器給光波技術領域帶 來了革命性的變化。由于任何光放大器都可以通過恰當的反饋機制形成 激光器，因此光纖激光器也可在光纖放大器的基礎上開發(fā)。目前開發(fā)研 制的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質。由于光纖激 光器中光纖纖芯很細，在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度， 造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”。因此，當適當加入正反 饋回路( 構成諧振腔) 便可形成激光振蕩。另外由于光纖基質具有很寬 的熒光譜，因此光纖激光器一般都可做成可調諧的，非常適合于w d m 系統(tǒng)應用【3 l 】?！? 2 】。 縱向泵浦的光纖激光器的結構如圖2 1 所示【”j 。一段摻雜稀土元素 離子的光纖被放置在兩個反射率經過選擇的腔鏡之間，泵浦光從左面腔 鏡耦合進入光纖。左面腔鏡對于泵浦光全部透射，同時對于激射光全部 反射，以便于有效利用泵浦光并防止泵浦光產生諧振麗造成輸出光的不 穩(wěn)定。右面腔鏡對于激射光部分透射，以便造成激射光子的反饋并獲得 激光輸出。這種結構實際上就是f a b r y p e m t 諧振腔結構。泵浦波長上 的光子被介質吸收，形成粒子數反轉，最后在摻雜光纖介質中產生受激 發(fā)射而輸出激光。 泵浦光 廣 l _ 1 7 r 修爾尤 r 7 么么 圖2 1 光纖激光的基本結構示意圖 8 詈一 激光輸出可以是連續(xù)的，也可以是脈沖形式的，依賴于激光工作介 質。對于連續(xù)輸出，激光上能級的自發(fā)發(fā)射壽命必須長于激光下能級， 以獲得較高的粒子數反轉。通常當激光下能級的壽命超過上能級時，只 能獲得脈沖輸出。 泵浦帶泵浦帶 基態(tài) 能級 ( a ) 三能級( b ) 四b l 級 圖2 2 三能級和四能級的簡化能級圖 光纖激光器有兩種激射狀態(tài)，一種是三能級激射，另一種是四能級 激射。圖2 2 ( a ) 和( b ) 分別表示了三能級和四能級躍遷系統(tǒng)的簡化能 級圖。 兩者的差別在于較低能級所處的位置。在三能級系統(tǒng)中，激光下能 級即為基態(tài)，或者是極其靠近基態(tài)的能級。而在四能級系統(tǒng)中，激光下 能級和基態(tài)能級之間仍然存在一個躍遷，通常為無輻射躍遷。電子從基 態(tài)提升到高于激光上能級的一個或多個泵浦帶，一般通過非輻射躍遷到 達。泵浦帶上的電子很快豫弛到壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上積累電 子，造成電予數多于激光下能級，即形成粒子數反轉。電子以輻射光子 的形式放出能量回到基態(tài)。這種自發(fā)發(fā)射的光子被光學諧振腔反饋回增 益介質中誘發(fā)受激發(fā)射，產生出與誘發(fā)這一過程的光子性質完全相同的 光子。當光子在諧振腔內所獲得的增益大于其在腔內的損耗時，就會產 生激光輸出。理論上四能級光纖激光器的閾值低于三能級系統(tǒng) ”i - 【”】。 當光通過摻雜稀土元素的光纖介質時，其部分光子將被介質吸收， 這些光子能量促使介質的電子躍遷到激發(fā)態(tài)。其后處于激發(fā)態(tài)的電子可 以通過輻射或非輻射過程回到基態(tài)，并將能量釋放。輻射過程有兩類， 自發(fā)輻射和受激輻射，后者是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相 干性極好的激光。激光發(fā)射是受激輻射遠遠超過自發(fā)輻射的物理過程， 9 為了使這個過程持續(xù)發(fā)生，必須造成“粒子數反轉”。因此要求參與過程 的能級應超過兩個，還要有泵浦源提供能量。 2 1 2e d l l a 的工作原理 對于e d f a 的理論分析應基于激光理論與光纖理論的結合。e d f a 可以視為三能級工作系統(tǒng)。當泵浦光光子和西”離子碰撞時，將一定數 目的基態(tài)黿上的粒子激發(fā)至能級較高的激發(fā)態(tài)霹上，由于粒子在激發(fā)態(tài) 上的壽命很短( 一般在1 0 。1 1 1 0 j ) ，激活的d “粒子很快以輻射躍遷的 方式轉移到亞穩(wěn)態(tài)e ；上( e ；壽命。一般在聊5 量級) ，在霹和e ；間形成 粒子數反轉。激光的過程正是霹和茸能級之間受激躍遷的結果。因此可 以將e d f a 的三能級系統(tǒng)簡化為二能級考慮，如圖2 3 所示口刀。 圖2 3 簡化的二能級系統(tǒng) 二能級系統(tǒng)中。、2 分別為態(tài)e ：和e ；上的粒子分布數；y 。和l ，分 別為泵浦光和激光的頻率；彬：，代表由于泵浦過程而使能級e ；上粒子 數減少的速率，其中的作用項：代表一個正比于泵浦光光子數的量； 。2 則是代表由于自發(fā)輻射使能級劇上粒子數增加的速率，。是能級 l o 霹上粒子壽命的倒數，即。= 二；項刪：和刪，分別代表受激發(fā)射和 z ， 受激吸收過程；根據愛因斯坦理論正比于激光光場中的光子數。 正是以上四個過程維持了霹和霹能級之間的粒子躍遷，從而產生激 光，所以e d f a 三能級速率方程為 礦( 2 一1 ) + 2 一z - _ 曇l = 一曇z 一 ( 2 1 ) 由于光纖放大是激光產生和光波傳播的綜合過程，所以必須寫出速 率方程的局域形態(tài)，為此引入以下變量：泵浦光光子數密度五( 圮f ) ，激 光光子數密度s ( 圮r ) ，鼢“粒子數密度 ，( 均，下能級粒子數密度”。( e f ) ， 上能級粒子數密度珂：( 圮f ) 。這里玎。+ 擰：= ”，反轉粒子數密度 ( e r ) = ”：一n 。，泵浦光同西“離子作用截面盯，以及泵浦光光速c ，激光同摻雜 離子作用截面盯，和激光光速c 。( 尸是空間位置矢量) 。 由于泵浦光和激光在光纖中傳輸的色散，故c 。c 。因此寫出光纖中 泵浦光和激光沿軸向傳輸時的局域速率方程( 碰撞理論) 3 剮。 叩渺魯 叩鏟魯一魯= 一曇竹： ( 2 2 ) 激光和泵浦光均為連續(xù)情況下經歷一段時間而使得光纖進入穩(wěn)態(tài) f 旦：o ， l 研 速率方程為： c 。0 0 5 h + 蘭生= c 。盯。胄一 ( 2 3 ) ， 光在光纖中的傳輸包括激光產生和介質損耗過程，后者是指除了躍 遷量子吸收以外的一切吸收損失，遵從比爾定律，故可用吸收系數描述。 激光過程對泵浦光傳輸而言是吸收過程，對激光則要視粒子數反轉的情 況咖芷。以撒尤為修找1 f j 取出這一小段光紳采者! 激光光于密度s ( ，f ) 的 局域變化率豢 詈= ( 魯 。+ ( 署 i + ( 署) 。 c ：舢 其中a ) 1 是指激光產生引起的要，在e d f a 三能級系統(tǒng)中 講 ( 等) ，= q 吒心，西) ：項是光在介質中損耗對等的貢獻，遵從比爾定 律陋a ) ：= 一q s ，卉) ，項是由光予在z 端和z + 出端通量差引起 的。 咖啦飛砘鼬) _ _ q 薯 ( 2 s ) 考慮以上三個過程，得出 【專曇+ 魯j s = 盯。心一，s c z s ， 對于泵浦光也有類似的關系 ( 毒言+ 魯 r = 一盯，r 一以r c z ， 這里以，兒分別是激光、泵浦光的比爾吸收系數。 在連續(xù)波穩(wěn)態(tài)時( 導= o ) ，我們可得穩(wěn)態(tài)傳輸方程 從幾何光學的觀點來看，由于各種方向( 模式) 的光線反射和相互 干涉，光纖對橫模起著一種“組織”作用，可近似認為光功率橫向分布 曲 趣腫 邢 刪 1 i | | 微一如8一融 與坐標z 無關，這樣我們可以引入兩個歸一化分布函數，和g ，其定義 如下( 其中0 和只分別為泵浦光和激光的光功率) 矗g ，y ，z ，f )掣， 廳礦p c ， ( 2 9 ) s b 列) = 籌g ( 2 1 0 ) ，和g 滿足歸一化條件j p ( 五y ) 出砂= j b ( x ，j ，) 出方= l ，在柱坐標下改寫 為 r = 士，p ，口) ( 2 1 1 ) s = g p ) ( 2 1 2 ) 九p j c j 其中，o ，目) ，g o ) 反映光纖中的模式特征；對于階躍型光纖，它們分別 表示為 刪= 艋戮高細咖：坩籬眩 g p ) ： ，叫口) c 0 8 2 7 ，硼 ( 2 1 4 ) g 妒j 2 撼( “) ( 礦) 】2 籪( 盼口) o ，r 甜 旺1 4 其中口為纖芯半徑，u ，為光纖橫向歸一化傳播常數。對西“離子而言， 徑向也有分布 ( r ，口，z ) = 0 竹( r ) ( 已假定縱向均勻) n ( ，) 滿足歸一化條件r 聆( ，) 砌一1 ，。是量綱為所一1 特征量。下面我們 引入光強函數 下 7 ，2 r l ，= v ，c ，s ，p p = l l i p 蛐 ，p s = 弧出匆 ( 2 1 5 ) 根據上述的討論可將用于討論穩(wěn)態(tài)下e d f a 放大的基本方程歸納如 速率方程：c ，吒砌+ 2 盯，r ”， 罷珥卵饑r 黼旆： 垂吒三9 【瑟 5 “ 離子數方程：咒：+ n t 2 ”， 化簡上面諸式解得 ( 2 1 6 ) 一警1 r 瓦焉畿殺”彬 如 9 2 c 5 盯，f ，s + c p 仃p r ，r + 1 。 9 等一，s 瓦籌曠艫 如 6 2 c 5 口i f ，s + c p 盯p f ，r + 1 ”： 壘壘! 墨二! h ，( 2 1 7 ) 2 c j 仃，f ，j + c p 仃p f ，r + l c 。盯。fr s + l 玎1 = l 一 t i 2 c ，盯$ f ，s + c ，盯p f ，r + 1 m ：生生塵翌! 塵竺九， 以上即是對光子密度的耦合放大方程及粒子數分布方程。為了得到 關于光強的耦合放大方程，先定義飽和光強，。和，。以及兩個無量綱數 爿和口 j j ，。2 = 廳p ，f ；1 i 口。j 1爿= ，? ，。 ( 2 1 8 ) l ，= 匕f ；1 d ，【曰= t ， 。 嚴格地說，。應稱為閾值【4 們。下面是光強的耦合放大方程 1 4 這里假設泵浦光和激光是單橫模，將式( 2 1 9 ) 和( 2 1 2 ) 代入光子數密 度耦合放大方程( 2 1 7 ) 并對橫截面作積分ff ”塒m p 由由 蓋印舢rf 。刪目 硒焉赫器 ，( ，口) 以( ，) + 心 蓋印川rf 。刪p 面焉端籌簪品 。g ( ，p ) ”( r ) + ，。 ( 2 2 0 ) 此即光功率的耦合放大方程。仿照光強方程的討論引入飽和光功率昂。和 只。以及無量綱數口和盧 麓：髓鷥紡 眨z - ， l ，il 1 只0 2 ，盯i = 只p 一 這里盯= 勰2 是總面積，光功率方程可以化為 一專警：( 睪) 0 嘣礎， 掰韶 口 去警= ( 眥( 郵一， 其中以，以是兩個復合積分 ( 2 2 2 ) b “ 簿 也 觸一如船一如 這個方程只能依賴計算機求得數值解。 從式( 2 2 2 ) 可以看出，由于泵浦光初期( 剛進入光纖時) 較大， 故以 ，) 是正的，且( 以盯) o 以 ，) 以，即此時激光得到放大， 隨著z 增加泵浦功率隨之減弱，當( 盯。肛) 。，( 口，) = 以時激光進入負 增益( 即衰減) 階段。換句話說，存在個最佳的長度，激光在此具有 一個最大的增益。從方程中知道，即使幾= o ，隨著瑾減少至j ，( 臼，) = 0 ， 激光也會從放大過程過渡到衰減，可見兒的存在減少了最佳長度a 為了 進一步探討方程的特性，令加，臼) = g o ，口) = l ，= ，。= o ，即拋棄橫 模特性忽略介質吸收，即得 一警= c 和赫 眩2 4 ， 古警= c o 署鼉 這樣簡化并非毫無意義，可以驗證上面的方程組和光強方程。 在光纖輸入端泵浦光很大而激光很小時，可以認為口 1 ， 口時，泵浦光指數衰減?？谒p至很小時( 口 1 ) ，口雖 已進入負增益階段但仍很大時 即泵浦光指數衰減激光線性下降 上面的理論只是一種近似，由于摻雜光纖激光器的放大過程中影響 的因素很多，且較為復雜，因此理論還有待于進一步研究。【4 1 】 2 2e d f a 的主要技術 2 2 1e d f a 的調諧 e d f a 在運轉時，在腔處于最佳狀態(tài)的譜線上獲得激光輸出。為了 使輸出在一定的頻譜范圍內調諧，需要在腔內插入波長選擇器，或直接 使用具有波長選擇性的反射鏡。由于摻鉺光纖具有寬熒光譜特性，因此 波長選擇器以某種方式調諧即可在寬范圍內得到相應的激光輸出。 激光輸出 諧光譜 圖2 4 反射式光柵可調諧e d f a 使用的第一種調諧方法是將輸出鏡代以反射式衍射光柵，并插入適當 的分束器、準直器等光學元件，如圖2 4 所示 州。這里準直透鏡起著擴 束作用，以保證大部分光柵盡可能被利用，從而得到最大的分辨率。這 樣，轉動光柵改變光束與光柵的角度，即可達到選擇波長進而達到輸出 1 7 妣 “ 鶘扣等爭 可以調諧的目的。顯然，這種方法與別的固體激光器情況完全相同。它 的主要缺點是，由于腔內插入了透鏡等光學元件，致使腔內損耗增加， 因此閾值明顯提高。 另一種調諧方法是使用前面已經介紹過的光纖環(huán)反射器。由于這種 反射器的反射率與耦合比k 有依賴關系，k 又與通過耦合器的光波波長 有關。因此，如能通過某種外部手段( 例如調節(jié)溫度) 改變k 值，則輸出 波長即可得到調諧。耦合區(qū)被置于熱導封裝混合物中，這可以保證很好 的熱接觸；并安裝有珀爾帖器件，借以改變耦合區(qū)的溫度，通過改變溫 度即可得到相應波長的激光輸出。用這種方法改變溫度6 0 0 c ，得到的調 諧范圍可以達到3 3 m m 】。 2 2 2e d f a 的輸出線寬壓窄 在相干光通信等應用領域要求激光輸出具有很高的單色性能，即要 求很窄的線寬。用上述調諧方法得到的輸出線寬典型值在o 1 1 m 。對 于高比特率的光纖傳輸來說，這個數值顯然是太寬了。這里我們介紹兩 種可導致e d f a 單縱模輸出的壓縮線寬方法。 第一種是光柵反射器方法。這是一種利用拋光石英塊蒸鍍光柵反射 器來獲得極窄線寬輸出的有效方法。首先在石英塊中刻槽，將光纖嵌入， 石英塊的典型尺寸為幾個厘米，然后將嵌有光纖的石英塊表面拋磨，致 使纖芯區(qū)域裸露出來，這時將光致抗蝕劑附著在其表面上，并借助擴束 激光束交迭產生的波前干涉作用形成光柵，經光致抗蝕劑顯影后，則在 裸露的光纖芯表面印上了周期性掩模，其長度為lm m 左右。這種光柵 起到了分布反饋反射器的作用，它對窄的波長帶產生反射。具有最大反 射率的波長由光柵的周期決定，反射的帶寬則由光柵的長度和質量決定 【4 6 1 。 圖2 5 福克斯一史密斯諧振腔 第二種是?？怂挂皇访芩怪C振腔方法。這是使用摻鉺光纖，而又無 需高摻雜來獲得單縱模輸出的一種重要方法。圖2 5 給出了這種諧振腔 的示意圖。如果構成復合腔的兩個子腔之間的耦合被消除，我們將可以 得到在兩個頻率“梳”中任意頻率上的響應輸出。在高透射輸出之間是 一個自由光譜區(qū)的間隔。在?？讼犚皇访芩怪C振腔中，這兩個頻率“梳” 將共同決定諧振腔的響應。子腔的長度近似相等，而不是精確相等。實 際上它們是兩個整數的比值。兩個子腔長度比值為4 5 ，它們各自對應的 響應頻率也有類似關系。如果諧振腔是摻雜光纖制作的，并且以超過閾 值的功率泵浦，那么同時滿足兩個子腔頻率的縱模將優(yōu)先產生激光振蕩。 因此，這種情況下的縱模間距將大大加寬。這時，如果用反射光柵代替 腔鏡，置于一光纖尾端，單縱模激光將產生m j 。 。 2 2 3e d 量a 的調q 和鎖模 和其它激光器一樣，e d f a 也可以運轉在調q 和鎖模狀態(tài)，它們分 別給出幾十納秒和幾十個皮秒或更窄的光脈沖