光纤激光器的研究

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1、光纤激光器的研究赵尚森（河北工程大学信息与电气工程学院，河北邯郸056038）摘要：稀土掺杂光纤激光器是光电子技术领域的先进课题。本文分析了掺稀土光纤激光器的光学物理过程。关键词：光纤激光器；高功率STUDYONTHEFIBERLASERAbstract:Theresearchofrare-earth-dopedfiberlasersisoneofthefrontierssubjectsofoptoelectronictechnology.Thetheoreticalanalysisoftheopticalphysicalprocessindopedrare-ear

2、th-fiberwasgiven.Keywords:fiberlaser;highpower0引言激光是近代科学技术中的重大发明之一。从1960年第一台红宝石激光器出现至今已经有50余年，激光器件及激光技术已发展到相对高的水平，激光器件的种类很多，包括固体、气体、半导体、液体、化学、自由电子等激光器。固体激光器的工作物质是掺杂的晶体和玻璃，种类很多有百余种。固体激光器件整体具有结构紧凑、牢固耐用等优点，最大输出单脉冲功率很高，另外也可以利用某些晶体实现倍频。近年来，光纤激光器受到了广泛的关注，其主要优势有：散热性能好、转换效率高、可调谐范围宽、泵浦阈值低、光束质量高

3、等。1光纤激光器简介同传统激光器一样，光纤激光器也由泵浦原、增益介质和光学谐振腔构成。但光纤激光器的增益介质为光纤，是利用光纤端面、光纤环形镜或光纤光栅等作为反射镜来构成反射腔镜。1.1光纤激光器分类光纤激光器按照光纤材料的种类可以分为以下几类：⑴掺稀土元素的光纤激光器，在SiO2光纤中掺杂稀土类元素离子，例如Yb3+、Nd3+、Er3+等，制成特定波长传输的光纤激光器；⑵非线性效应光纤激光器，利用光纤本身的非线性效应制作而成，主要有受激拉曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器；⑶晶体光纤激光器，其增益介质为激光晶体光纤，如红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:YA

4、G单晶光纤激光器等；⑷塑料光纤激光器，在塑料光纤纤芯或包层内掺入激光染料作为增益介质制成光纤激光器；⑸光子晶体光纤激光器，即利用光子晶体光纤的特性制成的稀土掺杂光纤激光器。在这几类光纤激光器中，掺稀土元素的光纤激光器发展最早、最常见，同时也是利用最广泛的。其典型的工作机理如下：掺杂光纤中的稀土离子吸收泵浦光光子，从而被激励到较高能级；这些离子经过无辐射跃迁到亚稳态的激光上能级，并可通过受激辐射跃迁到下能级产生一个与信号光光子等同的光子。当泵浦光足够强时，可在激光上、下能级间形成粒子数反转，使得掺杂光纤具有光放大的功能，即光增益。光纤激光器的基本构造如图1-1所示：1

5、-1光纤激光器基本构造示意图激光谐振腔就是为增益提供一个光学反馈，使得光信号在光纤中多次往返、放大后形成激光输出。掺杂的元素可以决定输出的激光波长，即泵浦光输入后有相应的波长激光输出，所以光纤激光器本质上就是一种可以实现波长转换功能的有源光器件。1.2光纤激光器的特点光纤激光器在近年来备受关注，主要是因为它有着其他激光器无法比拟的优点：⑴光纤激光器中，光纤是介质同时也是导波介质，所以泵浦光有很高的耦合率，加上光纤激光器能延长增益长度，泵浦光吸收充分，进而总的光-光转换率可超过60%；⑵光纤的几何形状有较大的表面积/体积比，散热较快，其工作物质热负荷相当小，可以产生高

6、亮度和高峰值功率；⑶光纤激光器的体积小，结构简单，可以设计得小巧灵活；⑷作为激光介质的掺杂光纤，掺杂稀土离子和承受掺杂的基质具有相当多的可调参数和选择性，光纤激光器可在很宽光谱范围内设计。玻璃光纤的荧光谱很宽，插入适当的波长选择器即可得到可调谐光纤激光器，调谐范围达80nm；⑸容易实现单模、单频运转和超短脉冲；⑹光纤激光器有很高的增益，而且噪声很小，目前光耦合技术也比较成熟，连接损耗小；⑺光纤激光器的光束质量好，有较好的单色性、方向性、稳定性；⑻光纤激光器基于硅光纤的工艺现在非常成熟，可以制作出高精度、低损耗的光纤，降低了光纤激光器的成本。2光纤激光器工作原理2.1

7、稀土元素及其离子在光纤中掺杂稀土离子就可以制成激光介质，不同的离子又有着不同的特性。一般稀土元素的电离是以三价态发生的，其能级覆盖了从紫外线到红外的波长，最短的激光波长是室温条件下泵浦Nd3+离子的4f-5d能级跃迁，最长的激光波长是5.15um，是由Nd3+离子的阶梯跃迁产生的。光纤激光器最大的优越性就是可以变化基质种类或成分，以促进掺杂离子所处环境发生变化，或者改变离子掺杂浓度，进而使光谱发生变化，这样就可以人为地选择适合的泵浦波长，并在特定波长上产生激光。2,2稀土掺杂光纤激光原理光在通过掺杂光纤介质时会有部分光子被介质吸收，这些被吸收的光子的能量会促使处