（光学专业论文）调q光纤激光器的研究.pdf

南开大学硕士论文 abs tract ab s t r act b e c a u s e o f i t s p o t e n t i a l a p p l ic a t i o n s i n l a s e r m e d i c i n e , l a s e r m a c h i n i n g a n d o p t ic a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , q - s w i t c h e d f i b e r l a s e r h a s b e e n d e v e l o p i n g r a p i d l y i n r e c e n t y e a r s . i n t h i s p a p e r , t h e l a t e s t d e v e l o p m e n t o f q - s w i t c h e d f i b e r l a s e r s a n d s e v e r a l k i n d s o f q - s w i t c h i n g w e r e f i r s t l y g e n e r a l i z e d . t h e p a r a m e t e r s o f t h e q - s w i t c h e d f i b e r l a s e r u s i n g a l l f i b e r m- z i n t e r f e r o m e t e r a s q - s w i t c h i n g w a s o p t i m i z e d b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s . t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e t h r e s h o l d p o w e r o f t h e p u m p s o u r c e a n d t h e p a r a m e t e r s o f t h e f i b e r f o r s b s w a s d e d u c e d . u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f o u r l a b o r a t o ry , w e h a v e s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y e r - d o p e d q - s w i t c h e d f i b e r l as e r s a n d y b - d o p e d d o u b l e - c l a d d i n g f i b e r l a s e r s . t h e m a i n c o n t e n t i s f o l l o w i n g : ( 1 ) . t h e f u n d a m e n t a l w o r k i n g p r i n c i p l e o f s e v e r a l k i n d s o f q - s w i t c h i n g a n d t h e ir a p p l i c a t i o n s f o r f i b e r l ase r s w e r e s u m m a r iz e d . w e a l s o i n t r o d u c e d t h r e e s o rt s o f a l l f i b e r q - s w i t c h i n g , a n d c o m p a r e d t h e m w i t h t h e c o m m o n o n e s . a s a n e m p h a s i s , a s p e c i a l k i n d o f q - s w i t c h i n g w a s i n t r o d u c e d w h i c h w as b a s e d o n s t i m u l a t e d b r i l l o u in s c a tt e r i n g i n f i b e r . ( 2 ) .u s i n g t h e b a s i c t h e o ry o f q - s w i t c h e d f i b e r l a s e r s , t h e p a r a m e t e r s o f f i b e r l a s e r s u s i n g a l l f i b e r m- z i n t e r f e r o m e t e r as q - s w it c h i n g w a s o p t i m i z e d . i n o u r e x p e r i m e n t s , s t e a d y o p t i c a l p u l s e s , w h o s e f u l l w i d t h a t h a l f m a x i m u m ( f wh m) i s a b o u t q .8 p 5 , a n d p e a k p o w e r i s a b o u t 2 .6 w, w e r e o b t a i n e d . ( 3 ) . t h e p o w e r t h r e s h o l d c o n d i t i o n o f s b s i n f i b e r h a s b e e n s t u d i e d . i n t h i s p a p e r , t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e p u m p i n g t h r e s h o l d p o w e r a n d t h e f i b e r l e n g t h a n d t h e f i b e r r a d i u s w as s t u d i e d b a s e d o n n o n - l i n e a r s b s t h e o ry. t h i s r e l a t i o n w a s n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d a n d g r a p h i c a l l y e x p r e s s e d f o r t w o t y p e s o f r e f r a c t i v e i n d e x d i s t r i b u t i o n . ( 4 ) . b a s e d o n s b s i n fi b e r , s t e a d y n a n o s e c o n d m a g n i t u d e o p t i c a l p u l s e s h a v e b e e n o b t a i n e d f o r e r - d o p e d fi b e r l ase r a n d d o u b l e - c l a d d i n g f ib e r l as e r . t h e r e p e t i t i o n r a t e i s a b o u t s e v e r a l t e n s o f mhz . ( 5 ) . t h e p h e n o m e n o n o f s e l f - p u l s e i n e r - d o p e d h e a v i l y f i b e r l a s e r h a s b e e n s t u d i e d . a p r o p e r e x p la n a t i o n f o r o u r e x p e r im e n t a l r e s u l t s w a s p r o v i d e d b y m o d e l o f i o n p a i r s . ( 6 ) . w i t h b l a z e d g r a t i n g f o r w a v e l e n g th s e l e c t i n g a n d a c o u s t o - o p t i c a l m o d u l a t i o n d e v i c e f o r q - s w i t c h i n g , s t e a d y o p t i c a l p u l s e s h a v e b e e n o b t a i n e d f o r y b - d o p e d d o u b l e - c l a d d i n g f i b e r l a s e r . k e y w o r d s : s t i m u l a t e d b r i l l o u i n s c a tt e r i n g , q - s w i t c h i n g , d o u b l e - c l a d d i n g f i b e r , f ib e r b r a g g g r a t i n g , a c o u s t o - o p t i c a l m o d u l a t i o n 二 右 二 孟 二 二 二 盆 二 二 二 二 舀 留 留 二 二二 昌 留 昌 二二 盆 二 留 日 二 - 1 1- 南开大学硕士论文 绪论 第一章绪论 夸 1 . 1光纤激光器简介 激光器于1 9 6 0 年问世后，1 9 6 1 年e l i a s s n i t z e r 就发现了 钱掺杂玻璃包层中 的激光现象m ，接着 wo o d c o c k等人又报导了饵、臆等掺杂光纤的激光输出12 1 可以说光纤激光器的发展史几乎和激光器本身的发展史同样长。与通用的半导 体激光器比 较，光纤激光器具有其独特的优点:由 于掺稀土元素的激活光纤常 用硅基光纤，因此，它与通信光纤兼容性好、插入损耗低。 用现有的熔接技术 普通光纤熔接损耗已 经小于0 .0 2 d b ; 石英的热系数小， 激光振荡波长十分稳定; 可以在整根增益光纤中实现泵浦，因此，泵浦阐值低，效率高:增益光纤 的表面积与体积比非常大，所以散热问题容易解决，一般不必要水冷和电制冷， 并且基本避免了热透镜效应。四十年来，科学工作者为研制出高质量的光纤激 光器付出了艰辛的劳动，随着光纤的掺杂技术提高13 ,4 1 、半导体工艺的完善以及 光纤光栅的研制成功， 使光纤激光器的设计和制作技术日 趋成熟。到目 前为止， 已 经出 现了多种各具特色的光纤激光器，与8 0 年代初期的光纤激光器比 较，其 性能都有了巨大的提高。并且，光纤激光器在光通信、光传感、激光加工和激 光医学等领域得到了广泛应用。 二十世纪八十年代，由于泵光较难有效地祸合到光纤芯中，因此光纤激光 器通常被认为是一种低功率的光子源，研究工作大都集中在通信领域。后来的 研究工作表明， 采用新的泵浦方案能将大功率多模泵光有效地转换为单模激光， 在单模光纤中提取高能量的激光输出是完全可能的。二十世纪八十年代后期， 美国 p o l a r io d公司的研究者们发明了一种包层泵浦技术，大大促进了高功率光 纤激光器的发展。1 9 9 3 年， h . p 。 等研制的高功率n d 光纤激光器， 在1 0 6 4 n m 波长获得了 近5 w的单模连续激光输出， 斜率效率达到5 1 % 1 1 o p o l a r i o d 公司的 研究者们则在9 7激光电光学 ( c l e o)会议上报道了输出功率为 1 6 - - 3 5 w、波 长为1 0 6 5 1 4 7 2 n m的包层泵浦掺e r / y b + 光纤激光器6 1 . 1 9 9 9 年，v d o m i n i c 等人，在双包层掺镜光纤中获得了大于 1 1 0 w 的连续输出功率，效率效率约为 5 8 % 1 0 在连续输出光纤激光器研究基础上，其它相关技术也获得了高速发展。 z .j .c h e n等用包层泵浦技术研制出了峰值功率 3 .7 k w、脉宽2 n s的掺n d 脉冲 激光器18 1 。高功率激光在光纤中传输时，纤芯内的光功率密度可达到每平方厘 米百兆瓦量级，使光纤中出现了多种非线性现象，对这些非线性效应的有效利 1， a 过 鳖 里 e t 一 一 一 一一.三-i 用 则 可 推 动 激 光 技 术 和 应 用 的 发 展。 譬 如 ， 光 纤 中 的 受 激 喇 曼 散 射 效 应( s r s ) 和 频率 上 转 换 现 象 提 供了 拓 宽 光 纤 激光 器输出 波 长 范 围 的 有 效 途 径。 d . i n n i s s 研 制 成 功了 包 层 泵 浦串 级r a m a n 光 纤 激 光 器 6 , u w e b r i n k m a n n 制 作了 包 层 泵 浦频率上转换光纤激光器 (9 在 现 代光 通 信、 光 传 感、 激光 测 距、 激 光医 疗 和工 业 加工 等领 域， 短 脉 冲 光 纤激光器被看 成 是最有前 途的 光源之一 10 - 1 1 1 芬 1 . 2调q光纤激光器概述 互 1 . 2 . 1调q光纤 激光 器国内 外研究 进展 近年来， 光纤激光器调 q技术得到了飞速发展。一方面是调 q装置 ( 器 件) 方面的进展， 人们研制出了 性能更加优良的q开关。 最初， 人们把声光 ( 或 电 光) q开关直接应用到调q光纤激光 器中。 后来， 研制了 全光纤型的q开关， 全光纤 q开关的 应用， 大大地降 低了 插入损耗。另一方面， 掺稀土离子增益光 纤的研制有了 新的突破， 如大模面积光纤 ( l a r g e - m o d e - f i b e r ) 、 双包层光纤等。 调q器 件 和 特种 光 纤 的 有 机结 合可以 得到 高 峰 值功 率、 高 脉 冲 能 量 的 调q光 脉 冲。 g .p .l e e 等人利用电 光调制器 ( e o m) 在掺饵光纤中实现了 脉宽4 n s ， 重复 频率2 0 0 h z ， 峰值功率5 4 0 w的 调q光脉冲输出 o 2 1 ， 所用电 光调制器的开关时 间 为i o n s ， 重复 率可 达1 k h z。 m y d l i n k i 等人利用声光调制器 ( a o m ) 得到峰 值功率为2 9 0 w、 脉宽2 0 n s ， 重复频率为5 0 0 h z 的调q光脉 冲 1 o c . c .r e n a u d 等人利用声光调制器 ( a o m)在双包层掺镜光纤中得到了峰值功率2 k w，脉冲 能量接近 1 7 0 时 的脉冲。 而且利用闪耀光栅实现了4 0 n m的 波长调谐输出 1a r .p a s c h o tt a 等人 利 用半导 体 饱 和吸收体作为 调q元件， 在掺饵大模面 积光纤中 得 到了 波 长 在1 .5 3 w， 重 复 频率 大 于1 k h z ， 能 量 可 达o . 1 m j 的 脉 冲 10 o a la in c h a n d o n n e t 等人利用非线性全光纤强 度调制器 ( i n t e n s i t y m o d u l a t o r ) ， 在掺饵光 纤中实现了脉宽 ( f wh m) 1 5 n s ，峰值功率 4 0 0 w 的脉冲输出p 5 3 。国内，华南 师大杜卫冲等采用光纤光栅迈克尔逊千涉仪作 q开关，得到了峰值功率为 5 0 0 m w， 脉宽1 .3 a s ， 重复频率l 7 k h z ， 输出 波长为1 5 4 5 . 7 m n 的 稳定激光脉冲 ! 。 南开大学利用光纤光栅马赫一 曾 特尔干涉仪作为q开关， 在掺饵光纤激光器中实 现了 脉 宽小于1 p， 峰值功 率大于1 w, 输出 线宽 约1 g h z 的 稳定 脉冲 输出 。 其 可调谐范围为 5 .7 n m ，脉冲重复频率在 1 0 0 - 9 0 0 h z之间连续可调。 z .j . c h e n等 人利用光纤中的 s b s ， 在掺钦双包层光纤中 得到了 脉宽为 2 n s ， 峰值功率 2 k w 的窄脉冲8 ) =二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 吕 二 二 二 圈 留 2 南开大学硕士论文 绪论 1 .2 .2 q开关 调q光纤 激光 器和 普通的 调q激光器一 样， 都是在 激光 谐振腔内 插入 调q 器件， 通过周期性改变 腔的 损耗， 实 现调q激光脉冲 输出 。 选用q开 关时， 有 几个因素必须考虑:首先是开关在高损耗状态和低损耗状态的消光比，为防止 在高 损耗状态下激光器产生连续辐射，消光比 必须足够高: 其次， 为使调q激 光器有效运转，开关时间 ( 开关从高损耗到低损耗或从低损耗到高损耗的时间) 应尽可能短; 最后，为获得高 峰值功率输出q开关的插入损耗要尽量小。常用 的q开关有声光q开关、电 光q开关、 可饱和吸收体和机械转镜等。 对于光 纤激光器可以 把以上装置置于激光腔中进行调 q ， 但以上装置和光纤的祸合效 率低、插入损耗大，这增加了激光器的泵浦闽值，降低了激光器的泵浦效率。 解决这一问题最好的方法是利用全光纤型 q开关，如单模光纤和光纤藕合器构 成的马赫一 曾特尔干涉仪1 6 .17 ) 、光纤迈克尔逊干涉仪，或者利用光纤中的受激布 里 渊散 射 ( s b s ) 实 现n s 量 级 的 被 动 调q运转 (8 ,18 1 。 下 面 介 绍 几 种 常 用 的q开 关的工作原理及其特点。 一、 声光q开关11 9 1 当声波在介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间 周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率周期性变化，形成“ 相位光栅” ， 其 光 栅常 数等 于 声 波 波长r ,. 。 当 激光 束 经 过该 介 质时 就 会发生 衍 射， 一 部分 光 偏离原来方向。当声波频率较高，声光作用长度d 足够大， 满足 、 : 2 兰( 1 .2 - 1 ) 时( 几和又 分别为声 波与 光 波波长) ， 如果入射光与 声波波面的 夹角0 满 足 ( 1 . 2 - 2 ) 则透射光束分裂为 0级与+ 1 级或一 1 级 ( 视光束入射方向而定) 衍射光，+ 1 级 或一 1级衍射光与声波波面的夹角亦为0 ，如图 1 . 1所示。这种现象称作布喇格 衍 射， 一 级衍射光光 强1 , ( 或1 _ , ) 与入 射光光强i ， 之比 为 1 , . 2 . 0 o . 一 =s i n t ) 了 ，2 ( 1 . 2 - 3 ) 二 二 二 二 二 吕 右 二二 二 二 石 孟 二 二 奋 臼 二 二 二 - 3 .曰.曰. 南开大学硕士论文 绪论 图1 . 1 声光布拉格衍射示意图 式中 必 是经过长度为d 的 相位光栅后光波相位变化的幅度。 2 ; r 0=- an d二 又 )c ( 2 兰 m p ) i2 凡 h ( 1 . 2 - 4 ) 其中d o 是介质折射率变化的幅值;d与h分别为换能器的长度与宽度;m是 声光介质的品质因数;尸是超声波驱动功率。增加超声波驱动功率可得到较高 的衍射效率。 声光q开关由 一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成。常用的 声光 介质有熔融石英、铝酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由 妮酸铿、石 英等压电材料薄片制成的换能器， 换能器的作用是将高频电 信号转换为超声波。 声光开关置于激光器中，在超声场作用下激光发生衍射，由于一级衍射光偏离 谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难以形成，激光高能级大量积累粒子。 若这时突然撤除超声场，则衍射效应即可消失，谐振腔损耗突然下降，激光巨 脉冲遂即形成。 声光q开关的开关时间 ( 1 0 - 1 0 0 n s ) 一般小于光脉冲建立时间， 属快开关 类型。由于开关的调制电压只需 1 0 0多伏，所以可用于低增益的连续激光器。 但是声光q开关在 1 5 5 0 n m波段衍射效率较低， 约6 0 % - 8 0 % ，从而在 1 5 5 0 n m 光纤激光 器中 使 用时 具有消 光比 较低或插入损耗大的 缺点。 但是， 对于 1 . 0 6 tm 包层泵浦掺镜光纤激光器， 声光 q开关除了 插入损耗较大以 外， 仍是常用的 优 质调q器件。 二、 电 光q开关 某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的不同偏振 方向的光之间产生相位差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为电光效应。 其中折射率的变化和电 场成正比的电光效应称为普克尔效应，折射率的变化和 -4- 南开人学硕士 论文绪论 =巴=巴=巴，=二=巴早尸巴巴巴巴三二二巴二二二=，二=二，= .一一 二一 -一一 电 场强度平方成正比的电 光效应称为克尔效应。电 光 q开关就是利用晶体的普 克尔效应来实现激光器 q值突变的。 现以 最常用的电 光晶体之一的磷酸二 氖钾 ( k d * p )晶体为例说明q开关工作原理。 电 光 调q激光 器如图1 . 2 所示。 未加电 场前晶 体的 折射率 主轴为x , y , : 。 沿晶 体光 轴方向: 施加一外电 场 e ，由 于普克 尔效 应， 主 轴变为x , y , :。 令 光束沿z 轴方向传播，经偏振器后变为平行于x 轴的线偏振光，入射到晶体表 面 时 分 解 为 等 幅 的 二 柳 方向 的 偏 振 光 ， 在 晶 体 中 二 者 具 有 不 同 的 折 射 率n和 n 。经过晶体长度d 距离后，二偏振分量产生了相位差s ( 快轴) 伯振片 电光晶体 ( 慢轴) dn 图1 . 2电 光调q激光器示意图 8 = 里 7r v d ( n ， 一 n s 、2 1i m 03 y 63 - )= 乃“ 2 )r m 3o y 6 3 ， ， 二 二y c ( 1 . 2 - 5 ) 式中n 。 为晶 体寻常光 折射率， y 6 3 是晶 体的电 光系 数， v 是加 在晶 体两 端的电 压。 当s = 二 / 2 时， 所需电 压称作四分之一波电 压，记作岭a 。图 1 .2中电 光晶体上 施以电 压v , ; 时， 从偏振 器出 射的 线偏振光经电 光晶 体 后， 沿工 柳 方向 的偏 振 分 量产生了 习2 位相延 迟， 经 全反镜 反 射后再次 通 过电 光晶 体后又 将产生到2 延迟，合成后虽仍是线偏振光，但偏振方向垂直于偏振器的透光方向，因此不 能 通过偏振器。 这种情况下谐振腔的损耗很大， 处于低 q值状态， 激光器不能 振荡，激光上能级不断积累粒子。如果在某一时刻，突然撤去电光晶体两端的 电 压， 则谐振腔突变至低损耗、 高q值状态， 于是激光器形成巨 脉冲激光输出。 电光 q开关是目 前使用最广泛的 q开关之一，其主要特点是开关时间短 5 南开大学硕士论文 绪论 ( 约1 0 - 9 秒) ， 属快 开 关 型; 而 且， 其消 光比 高( 9 5 % ) 。 电 光调q激 光 器 可以 获得脉宽窄、峰值功率高的巨 脉冲。如: n d - . y a g电 光调q激光器的 输出光 脉冲宽度为 1 0 - - 2 0 n s ，峰值功率可达数十兆瓦。 但是电光调 q需要几千伏的高 电压，将对附近的设备产生严重的电磁干扰。 三、 可饱和吸收体q开关 可饱和吸收体调q激光器是利用可饱和吸收体对入射光具有强烈的非线性 吸收而起到调q目 的。 可饱和吸收体有可饱和吸收染料和晶 体两种口我们可近 似地把饱和吸收体看成是两能级系统，利用稳态二能级速率方程，可求出中心 频率处的吸收系数 几 p =丁 一 一 了一 万 t +1 1 , ( 1 . 2 - 6 ) 式中几是中 心频率小 信号 吸收 系数;了 和i 、 分别为入 射光强 和饱和光强。 兼并 度相 等的 二 能 级 系 统 的 饱 和光 强i 、 二 h v / 2 v ,2 7 1 。 其 中6 ,， 为 吸 收 截 面，z 2 为 高 能级寿命。由 式 ( 1 .2 - 6 )可见，吸收系数随光强的增加而减少，当光强很大时， 吸收系数为0 ， 入射光几乎全部透过。 饱和吸收体的透过率随光强的变化如图1 . 3 所示。当把染料溶液或染料薄膜置于激光谐振腔中，泵浦初期，工作物质发出 较弱的荧光， 染料吸收很强， 谐振腔处于低q状态，腔内 不能形成振荡。 随着 泵浦增强，腔内工作物质荧光变强，染料透过率增大。当染料吸收达到饱和值 时， 染料突然被 “ 漂白” 而成为透明。 这时腔内q值猛增， 产生极强的振荡， 形成激光巨脉冲输出。 可饱和吸收体的选择应注意如下几点:首先，染料吸收峰中心波长应与激 了1.0“q.604 1 0 一 1 0 1 . 1 0 l 1 4 1 0 图1 . 3 染料盒透过率随光强的变化曲线 二二二二台二二二二奋曰盖二吕曰布 - 6 里鳖望里选一一一一一一一一 一 婆 光的 波 长 基 本 一 致， 这 是 最重 要的。目 前 与 激 光器 工 作 波 长 相 一 致的 染 料 很 有 限， 因 此限 制了 可 饱和染料调q的 应用; 其次， 要 选择合适的 饱和光强 值。 饱 和光强太小，光强很弱就能将染料 “ 漂白” 透明，不利于反转粒子数的积累， 太大时， 染料不易达到饱和状态，开关速度太慢。一般，改 变染料的浓度可以 调整染料的 饱和光强值: 最后， 染料溶液要有一定的 稳定性。这也是目 前限制 染料开关广泛使用的因素之一。 用被动调q激光器可实现峰值功率千兆瓦， 脉 宽数十纳秒的激光巨脉冲。 四、 全光纤型主、被动q开关 近年来，随 着光纤激光器的发展， 在调q光纤激光器中出 现了 全光纤型q 开关” ” 。其中光纤迈克尔逊干涉仪和马赫一 曾特尔干涉仪是最具代表性的两种主 动q开 关。 利用 光纤中 的背向 受激布里渊散 射实 现光纤 激光器脉冲输出 是一 种 典型的被动q开关。 1 . 光纤迈克尔 逊干涉仪q开关 用光纤型迈克尔逊干涉仪构成调q光纤激光器的 基本结构如图1 .4 所示n b i 两个光纤光栅相当于普通迈克尔逊千涉仪中的反射镜，其基本原理是利用双光 束干涉。 设干涉仪的双臂差为l ，则两臂中的激光相遇发生相干获得极大值满 足下式 2 n l二k .1( 1 . 2 - 7 ) 其中k 为自然数，a 为激光波长，n 为纤芯折射率。由 ( 1 .2 - 7 )式可以看出， 通过压电陶瓷周期性地改变双臂差l 时，对一特定波长起到了q开关作用。 g r a d n g p u mp edf wi d e - b a n d m i r ro r , s i已 n a l s o u r c e 图1 .4 光纤光栅迈克尔逊干涉仪q开关 激光器 二二 奋目曰 二二二 二二二 二二留 留右 .，- 南开大学硕士论文 绪论 2 . 光纤马赫一 曾 特尔干涉仪q开 关 光纤马赫一 曾 特尔干涉仪环行腔调q光纤激光器典型光路如图 1 .5 所示n , 由马赫一 曾特尔千涉仪作为腔的调 q装置， 掺稀土离子光纤作增益介质， l d泵 浦激光功率通过波分复用器( wd m) 馈入增益光纤， 光纤光栅作为腔镜， 用3 d b a合器祸合输出。马赫一 曾 特尔( m - z ) 干涉仪基本结构如图 1 .6所示， m - z干涉 仪由两个 3 d b藕合器和两段通信光纤 干涉仪的双臂)构成，这两段通信光纤 的长度基本相等，入射光由3 d b祸合器一端输入，经第一个3 d b藕合器分成两 部分，进入干涉仪的两臂， 在第二个 3 d b藕合器处相遇并形成干涉。 根据干涉 理论，产生千涉应满足相位条件: n ff 此十 p = u ( 1 . 2 - 8 ) 式 中 n 了 为 光 纤 纤 芯 的 有 效 折 射 率 ， a l 为 干 涉 仪 的 双 臂 长 度 差， p 是 由 于 光 祸 合时产生的相位变化，a 是光波工作波长。利用光谱仪观测干涉仪端口 3或 4 的输出光谱，由于输入的是连续波， 观测到的干涉极大值级次应当是随波长变 长依次变小。由式 ( 1 .2 - 8 )可见，马赫一 曾特尔干涉仪应当是梳妆滤波器。图1 .7 就是 用 1 .5 5 p. m宽带 光源测量马 赫 一 曾 特尔干涉仪输出 所得实 验结果。 对于工作 波长几 不变的 激光器， 周期性地改变干涉仪的双臂差，可以 起到q开关的作用， 并实现激光器调q运转。 调q光纤激光器用的马 赫一 曾 特尔干涉仪是一 臂作参 考臂，另一臂粘在压电陶瓷上，用锯齿电 压信号驱动压电陶瓷，使得二千涉臂 的光程差发生周期性变化，从而引起腔内损耗的周期性变化，使马赫一 曾特尔干 涉仪调q光纤激光器实现微妙量级脉冲运转。 9 8 0买 浦 图1 . 5 马 赫一 曾 特尔干涉仪q开关激光器 奋舀二二目奋孟二二奋二留留二盖留 - 8- 南开大学硕士论文 绪论 图 1 . 6光纤马赫一 增特尔干涉仪 5dbidi v 书幽 - 6 5 一 5 3。 3 8 1 . 5 3 51 . 54 5 图1 . 7光纤马赫一 曾 特尔干涉仪的输出特性 3 . 蓦 于 光 纤 中 的s b s 效 应 调q原 理 8 .18 1 基于光纤中的s b s 效应的q开关是光纤型q开关的一种 特例。 它利用了 光纤中的背向受激布里渊散射现象，当满足一定条件时，可以使背向散射光成 为比较稳定的脉冲光。而且，反向散射脉冲光一般为n s 量级，这相当于激光腔 的q值在极短时间增长了 几个数量级， 从而起到周期性改变腔q值的目 的。受 激布里渊散 射后向 放大输出 激光的 光束质量远 远优于 普通的 饱和吸收 体调q激 光光源， 这种被动式q开关与可饱和吸收体相比具有一些独特优点:受激布里 渊散射q开关可用于任何波长，不受激光波长限 制。 这是因为光纤中的受激布 里渊散射效应的增益系数几乎与泵浦波长无关:其次，所需要的泵浦阂值较低， 二二奋二二二二二奋吕二二二告曰二二石奋石石二石奋石益二奋石石石石币石石石二蔺石石石曰 石 石石 奋二 面石 石石 函 石石 石奋面石 石石 石面 苗 石 石 石 百面面 石 石 石 百 石舀 己 石 石 面曰 日 日 石 百舀 石 面 一9. 南开大 学硕士论文 绪论 容易实现。相对于其他的非线性现象，光纤中的受激布里渊散射效应的闭值功 率极低。一般比受激喇曼散射 ( s r s )闽值小三个数量级，有时可达到o d b m; ( a) y wl o p a d肠 b e ,s . v(-d e t i n t , . 自f 目 ， 扣 、 口 心 . 月 . ” a t 1 0 5 0 一 ， 曰们n m 号 臼川曰枷盯朋 . 叫 卜 图1 .8 两种基于光纤中s b s 的调q光纤激光器示意图 用光纤中的s b s 现象，调制光纤激光器的q值，结构简单， 插入损耗小， 调制 效率高。 这种调 q激光器的 基本结构如图 1 . 8 所示。图中的单模光纤作为受激 布里渊散射 ( s b s ) 增益介质。由于受激布里渊散射 ( s b s ) 是非线性散射具有 一定的随机性，故在上图的 ( a )中所产生的脉冲不稳定。在图 ( b )中，通过 光纤干涉环稳定了 光脉冲。 也就是说 此种调q激光器， 要得到稳定的脉冲输出， 一般要利用其它的附加装置达到稳定脉冲的作用。 夸 1 .3本论文的主要工作 由于在激光医学、激光微加工和光纤通讯系统中的潜在应用前景，近年来 调q光纤激光器得到了 迅猛的发展。 本文首先综述了国内 外发展动态，接着通 过理论分析对全光纤马赫一 曾 特尔干涉仪调q光纤激光器进行了 优化设计，并对 光纤中的受激布里渊散射 ( s b s )闽值与光纤参数之间的关系进行了理论推导。 在实验上充分利用实 验室现有条件， 对掺饵调 q光纤激光器和掺镜双包层光纤 激光器进行了实验研究。本论文主要内容有: 一、 概 述了 几 种q开关的 基本原理、 及其在 光纤激 光器中的 应用。 介绍了 三种全光纤q开关，并与 通常的q开关进行了比 较，重点介绍了 基于光纤中的 受激布里渊散射效 应实现被动调q的 基本机制。 二、从调 q光纤激光器基本理论出发，对用马赫一 曾 特尔千涉仪作为 q开 二二二盖吕奋二二二盖昌留奋吕二二二二吕吕吕二二二二告吕合苗石石曰奋右石石亩奋右曰石石亩石曰石石亩亩 面 石石 石亩 亩百 函 石 石 石 ! 0- 3 迄 婆 熟 关的 掺 饵光 纤 激光 器进 行了 理论 分 析， 从实 验中曾 经 得到 峰 值功 率 达2 .6 w ， 脉 冲占 空比 为1 0 0 0 : 1 ， 脉 宽( f w h m ) 约为0 .8 g s 的 稳定 光 脉 冲 输出 ， 理 论 和实 验基本相符。 三、 对在光纤中 产生受激布里渊散射的闭值条件进行了 研究。 从 s b s产生 机理出发推导了 纤芯折射率分布呈阶跃型和平方率型两种光纤的s b s闭值与光 纤长度和纤芯半径的函 数关系，并 进行了 数值模拟。 四、基于光纤中的s b s 现象，分别利用掺饵光纤和双包层掺镜光纤，未加 任何主动器件的条件下得到了 稳定的n s 量级光脉冲输出。脉冲重复频率为几十 兆赫兹。 五、对高掺饵光纤激光器中的自 脉动现象进行了实验研究，并利用离子对 模型对实验结果进行了定性分析。 六、 利用声光调制器作为调q元件、闪耀光栅作为波长调谐元件，在双包 层掺德光纤激光器中得到了稳定的脉冲输出。脉冲重复频率可调，波长调谐范 围达 4 2 n m e 二 二 二 二 二 臼 台 二二 二 告 留 留 二 二 二 臼二 二 二 二 吕 右 二 吕 吕 吕 曰 二 二 留 留 1 1 ， 南开大学硕上论文 调q光纤激光器的理论分析 第二章 全光纤调q激光器的理论分析 激光调 q技术的 发展和应用是激光发展史上的一个重要突破。 通过 q开 关把光波能量压缩到宽度很窄的脉冲中输出，使激光输出的峰值功率提高了 几 个数量级。 调 q激光器的出 现， 大大推动了非线性光学领域的 研究12 0 1 。 早在二 十世纪七十年代就实现了光波倍频、参量放大、参量振荡和光波频率上转换， 观察到了 光的受激r a m a n 散射、受激$ r i l l o u i n 散射现象; q开关技术大大地推 动了激光雷达、激光测距和激光微加工等应用技术的发展;在现代光纤通信系 统中，高峰值功率、 窄脉冲宽度的调 q光纤激光器也起着举足轻重的作用四， 特别是调q光纤激光器的 全固化和全光纤化更能 适应现代发达的 光纤通信网的 要求。自 从a l c o c k 于1 9 8 6 年首次在掺钦光纤激光器中实现调q脉冲输出以 来 (2 2 1 ，调q光纤激光器在世界范围内 得到了 广泛的 研究， 调q激光器理论和实验 都有了 大的发展。 本章首先对光纤调 q激光器的 一般理论进行了 介绍。 然后， 将其应用于全光纤调 q激光器中， 对全光纤马赫一 曾 特尔干涉仪调 q光纤激光 器进行了 理论分析， 给出了 调 q脉冲特性对纤芯半径、 腔的 往返损耗以 及泵浦 功率等参数的依赖关系，理论计算结果与实验符合得很好。 芬 2 . 1调q光纤激光器基本理论12 3 1 调 q 的基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗 6或 q 值 ( q = 2 m l v 0 / c s . n , l , s 分 别为 增益介 质的 折射率、 长 度和损耗) 按 照特 定程序变化，在泵浦激励开始时，先使激光腔具有高损耗，激光器由于阂值高 不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。然后在 适当的时刻，使腔的损耗突然降低，激光器的阐值也随之突然降低，此时反转 集居粒子数大大超过阐值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上 能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端实现了强激光巨脉冲 输出。 首先假定拟研究的激光器的增益介质是一段放在谐振腔中的掺杂光纤，腔 内 放置q开关， 并 假定 所用q开关的厚 度非 常薄， 可以 认为 光 纤的 长度就是 激 光器腔长。 用三维坐标 ( x , y , z ) 表示腔的空间 位置， 其中: 轴与光纤轴重合。 二 二 盖 二 二 二 二 二 二 吕 日 奋 孟 孟二二 1 2- p 3 f l : 鳖f ie j l 一 一一 一 一 一一 一一 一 一 泵浦光由 增益光纤的一 端面入 射。 对于 一 个给定的 横 模i ， 令s , ( x , y , z , t ) 代 表( x , y , z ) 处 和时 刻t 的 光 子 密 度， s o , ( x , y , z ) 为 归 一 化 的 模 能 量 密 度 分 布 ， 对 于 整 个 腔 体 积 分 为t o 在 腔 内 由 这 个 模所携带的光子数s , = s , ( t ) 为 s = 拼 切 ， y s , (x , y , z , t )d x d y d z 一 s () 爪 山 ， y s o, (x , y , z )d x d y d z ( 2 . 一 ， 泵浦光在光纤内的分布; ( x , y , z ) 可由下式给出 r ( x , y , z ) = r - r o ( x , y , z ) = r ， 、 “ ， e x p ( - a , z ) r . l x , y ) -一 一 一二 ， 了 下 下 1 一 e x p k - ( z o e ) ( 2 . 1 - 2 ) 其 中 r , ( x , y , z ) 为 归 一 化的 泵 浦 分 布( 对 整 个 光 纤 体 积 归 一 ) ， 可 分 解 为 两 个 分 量: ( 1 ) 横向 分布r , ( x , y ) 对光 纤截面归 一化， 通常为光纤横 模的 线性组合。 ( 2 ) 对z 方向的归一化，这里己 考虑到泵浦功率从: = 0 到z = 1 成指数衰减形式。r 是 泵 浦 速 率 ， r 一 p l h v p ， 其 中 b y ， 为 泵 浦 光 子 能 量 ， p 是 光 纤 的 工 作 区 所 吸 收 的 泵 浦 总 功 率， 由 吸 收 系 数 a ， 所 决 定 。 反 转粒子数的空间 分布d n ( x , y , z , t ) ， 与 在光纤工作区 的 泵浦分 布相 似， 而 在其他区域为0 。因此 a n ( x , y , z , t ) = an ( t ) - r . ( x , y ) a p e x p ( 一 “ p z ) a ( x , y ) 1 一 e x p ( - a p l ) i 7 p ( 2 . 1 - 3 ) 式 中 17 ， 为 光 纤 工 作 区 的 泵 浦 能 量 占 光 纤 内 总 泵 浦 能 量 的 比 例 系 数 ， a ( x , y ) 在 光 纤工作区为1 ，在其它区域为0 。即 。 ， 一 价 _ ,ry r, (x , y )a (x , y )d x d y ( 2 .1 -4 ) 由( 2 . 1 - 3 ) 式所定义的d 1 v ( x , y , z , t ) 中a n ( t ) 代表时 刻r 时 光纤中 总反 转粒子数。 利用下述假设可以建立与粒子数反转和光子密度有关的速率方程。首先， 高q 腔 和低q 腔的 开关时 间 与 脉冲的 建立时间 相比 要短得多。 其次， 在脉冲发 射时可以忽略光学泵浦和反转粒子通过自 发发射驰豫带来的影响。在这样的条 件下速率方程为 吕二 吕留二 二吕吕 吕吕吕 吕吕 二二曰 .1 3 南开大学硕士论文 调q光纤激光器的理论分析 d a n ( x , y , z , t ) = d i _n 一 里艺s , ( x , y , z , t ) a n ( x , y , z , t ) n i , _ l ( 2 . 1 - 5 ) _ds,dt 一 ca jjf_ ,_ ,u.an (x,y,z,t)s,(x,y ,z,t)n,一 s,zc ( 2 . 1 - 6 ) 其中: 。 = 2 n ,1 1 c 或是 腔中 光 子的 寿命， 。 为 真 空中 的 光 速， n 。 是 增 益介 质的 折射 率，a 是有效激发截面，s ， 是高q 腔对第i 个模的 往返损耗。 用方程 ( 2 . 1 - 1 ) 一( 2 . 1 - 3 )中的归一化值代替a n 和s，并且对腔中的工 作区进行积分得 d w 一n 一 时 。 将 这 个 条 件 带 入( 2 .