集成光电子器件lpl(第五章)

1、 5.1 5.1 光纤激光器基本概述光纤激光器基本概述 5.2 5.2 稀土掺杂光纤激光器稀土掺杂光纤激光器 5.2.1 5.2.1 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器 5.2.2 5.2.2 掺镱光纤激光器掺镱光纤激光器 5.2.3 Er/Yb5.2.3 Er/Yb共掺光纤激光器共掺光纤激光器 5.3 5.3 非线性光纤激光器非线性光纤激光器 5.4 5.4 双包层光纤激光器双包层光纤激光器 ： o 半导体激光器对温度敏感半导体激光器对温度敏感。环境温度的变化和注入电流的热效应。环境温度的变化和注入电流的热效应 都会使激光器的阈值电流、外微分量子效率发生变化，并产生结都会使激光器的阈值电流、外微分

2、量子效率发生变化，并产生结 发热效应，导致输出光功率发生变化。为此必须采取各种复杂的发热效应，导致输出光功率发生变化。为此必须采取各种复杂的 控制措施和插入各种必要的辅助设备。控制措施和插入各种必要的辅助设备。 o 半导体激光器与光纤的耦合比较困难半导体激光器与光纤的耦合比较困难，需要很高的工艺水平，即，需要很高的工艺水平，即 便如此，仍有较大的耦合损耗。便如此，仍有较大的耦合损耗。 o 某些半导体激光器在一定注入电流下，某些半导体激光器在一定注入电流下，输出光会出现自脉动现象输出光会出现自脉动现象， 严重影响着激光器的高速脉冲调制性能。严重影响着激光器的高速脉冲调制性能。 o 半导体激光器一

3、致性很差半导体激光器一致性很差，在作为，在作为WDMWDM系统用光源时筛选难度大。系统用光源时筛选难度大。 ： p 光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率光纤激光器具有波导式结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率 密度，使得密度，使得激光效率大幅度提高激光效率大幅度提高； p 基于的基于的SiOSiO2 2光纤的生产工艺现在也已经非常成熟，可以制作出光纤的生产工艺现在也已经非常成熟，可以制作出高高 精度、低损耗的光纤精度、低损耗的光纤。 p 光纤激光器基质是光纤激光器基质是SiOSiO2 2，具有极好的温度稳定性；而且光纤结构，具有极好的温度稳定性；而且光纤结构 具有较高的面积

4、体积比，所以其具有较高的面积体积比，所以其散热效果很好散热效果很好。 p 光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性，因此易于进光纤激光器与常规光纤具有自然的通融性和兼容性，因此易于进 行光纤集成，与通信线路行光纤集成，与通信线路耦合损耗低耦合损耗低，使用方便可靠。，使用方便可靠。 n 20 20世纪世纪6060年代初，法国的年代初，法国的SmitzerSmitzer首次提出光纤激光器的概念。首次提出光纤激光器的概念。 n 7070年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。 n 19751975年至年至19851985年，由于半导

5、体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟年，由于半导体激光器工艺和光纤制造工艺的成熟 和发展，光纤激光器开始腾飞：和发展，光纤激光器开始腾飞： 国外国外：英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、：英国的南安普敦大学和通信研究实验室、西德的汉堡大学、 日本的日本的NTTNTT、美国的斯坦福大学和、美国的斯坦福大学和BellBell实验室，相继开展了实验室，相继开展了 光纤激光器的研究工作，成果累累；光纤激光器的研究工作，成果累累； 国内国内：清华大学、北京大学、中国科技大学、南开大学、上海科：清华大学、北京大学、中国科技大学、南开大学、上海科 技大学、南京理工大学、天津大学、电子部和邮电部等

6、单技大学、南京理工大学、天津大学、电子部和邮电部等单 位的研究工作也取得了很大进展。位的研究工作也取得了很大进展。 n 20 20世纪世纪8080年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激年代后期，光纤光栅的问世和工艺的成熟，为光纤激 光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。光器注入了新的生命力，实现了光纤激光器的全光纤化。 n 9090年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功年代初，包层泵浦技术的发展，使传统的光纤激光器的功 率水平提高了率水平提高了4 45 5个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一 个里程碑。个里程碑。 u 按激

7、光产生机理分类按激光产生机理分类 掺稀土元素的光纤激光器掺稀土元素的光纤激光器： 掺铒（掺铒（ErEr3+ 3+）、 ）、镱（镱（YbYb3+ 3+）、钕（ ）、钕（NdNd3+ 3+）、 ）、 镨（镨（PrPr3+ 3+）、铥（ ）、铥（TmTm3+ 3+）等 ）等 非线性效应光纤激光器非线性效应光纤激光器： 受激拉曼散射光纤激光器受激拉曼散射光纤激光器 受激布里渊散射光纤激光器受激布里渊散射光纤激光器 u 按谐振腔结构分类按谐振腔结构分类 F-PF-P腔光纤激光器腔光纤激光器 DFBDFB光纤激光器光纤激光器 DBRDBR光纤激光器光纤激光器 u 按光纤结构分类按光纤结构分类 单包层光纤激

8、光器单包层光纤激光器 双包层光纤激光器双包层光纤激光器 n 稀土元素稀土元素包括包括1515种元素，在元素周期表中位于第五行。种元素，在元素周期表中位于第五行。 目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有ErEr3+ 3+、 、 YbYb3+ 3+、 、 PrPr3+ 3+、 、TmTm3+ 3+等。 等。 n 掺铒光纤掺铒光纤在在1.551.55 m m波段具有很高的增益，正对应低损耗波段具有很高的增益，正对应低损耗 第三通信窗口。由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光第三通信窗口。由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光 器发展十分迅速。器发展十分迅速。 n 掺

9、镱光纤掺镱光纤在在1.0-1.21.0-1.2 m m波长具有很高的增益，波长具有很高的增益，YbYb3+ 3+具有相 具有相 当宽的吸收带当宽的吸收带(800(8001064nm)1064nm)以及相当宽的激发带以及相当宽的激发带(970(970 1200nm)1200nm)，故泵浦源选择非常广泛，泵浦源和激光都没有，故泵浦源选择非常广泛，泵浦源和激光都没有 受激态吸收。受激态吸收。 n 掺铥光纤激光器掺铥光纤激光器的激射波长为的激射波长为1.41.4 m m波段，也是重要的光纤波段，也是重要的光纤 通信光源。通信光源。T TKomukaiKomukai等人获得了输出功率等人获得了输出功率1

10、00mw100mw、斜率效、斜率效 率率5959的的1.471.47 m m掺掺TmTm3+ 3+光纤激光器。 光纤激光器。 n 其他的掺杂光纤激光器其他的掺杂光纤激光器，如，如2.12.1 m m工作的掺钬工作的掺钬(Ho(Ho3+ 3+) )光纤激 光纤激 光器，由于水分子在光器，由于水分子在2.02.0 m m附近有很强的中红外吸收峰，对附近有很强的中红外吸收峰，对 邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全邻近组织的热损伤小、止血性好，且该波段对人眼是安全 的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。的，故在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。 掺铒光纤激光器的原理掺铒光纤激光

11、器的原理 产生激光的产生激光的三个先决条件三个先决条件： 增益介质增益介质 激励源激励源 光学谐振腔光学谐振腔 1. 1. 增益介质增益介质掺铒光纤掺铒光纤 Er3+离子产生光放大效离子产生光放大效 应的能级有三个：激发应的能级有三个：激发 态、亚稳态、基态，属态、亚稳态、基态，属 三能级系统；三能级系统； 泵浦光能量与激发态与泵浦光能量与激发态与 基态之间的能量差相同，基态之间的能量差相同， 亚稳态与基态之间的能亚稳态与基态之间的能 量差与量差与1550nm的光的光 子能量相同；子能量相同； 铒离子的能带结构图铒离子的能带结构图 铒离子（铒离子（Er3+）能级结构）能级结构 4I11/2 4

12、I13/2 4I15/2 980nm泵浦泵浦1480nm 泵浦泵浦 无辐射跃迁无辐射跃迁 1550nm 基态基态 高能态高能态 亚稳态亚稳态 在掺铒光纤中注入足够在掺铒光纤中注入足够 强的泵浦光，就可以将强的泵浦光，就可以将 大部分处于基态的大部分处于基态的Er3+ 离子泵浦到激发态上，离子泵浦到激发态上， 处于激发态的处于激发态的Er3+离子离子 又迅速无辐射地转移到又迅速无辐射地转移到 亚稳态上；亚稳态上； 由于由于Er3+离子在亚稳态离子在亚稳态 上能级寿命较长，很容上能级寿命较长，很容 易在亚稳态与基态之间易在亚稳态与基态之间 形成粒子数反转。形成粒子数反转。 铒离子（铒离子（Er3+

13、）能级结构）能级结构 4I11/2 4I13/2 4I15/2 980nm泵浦泵浦1480nm 泵浦泵浦 无辐射跃迁无辐射跃迁 1550nm 基态基态 高能态高能态 亚稳态亚稳态 2. 2. 泵浦方式泵浦方式光泵浦光泵浦 泵浦光波长有：泵浦光波长有： 820nm、980nm和和 1480nm三种。三种。 因为因为980nm的泵浦源具的泵浦源具 有突出有突出优点优点：噪声低、噪声低、 泵浦效率高、驱动电流泵浦效率高、驱动电流 小、增益平坦性好小、增益平坦性好等。等。 铒离子（铒离子（Er3+）能级结构）能级结构 4I11/2 4I13/2 4I15/2 980nm泵浦泵浦1480nm 泵浦泵浦

14、无辐射跃迁无辐射跃迁 1550nm 基态基态 高能态高能态 亚稳态亚稳态 应用最多的是应用最多的是980nm泵浦源。泵浦源。 F-PF-P腔、腔、DFBDFB和和DBRDBR3. 3. 光学谐振腔光学谐振腔 泵光 掺Er3石英光纤 激光输出 剩余泵光 F-P腔光纤激光器腔光纤激光器 优点优点：结构简单。：结构简单。 缺点缺点： 调制或泵浦功率变化时，不再维持原激射模式，出现调制或泵浦功率变化时，不再维持原激射模式，出现模式跳变和谱线展宽模式跳变和谱线展宽。 难以实现动态单纵模难以实现动态单纵模； 对泵浦光的对泵浦光的吸收效率和斜率效率低吸收效率和斜率效率低； 存在自脉动，导致存在自脉动，导致模

15、式跳变现象模式跳变现象。 是掺铒光纤激光器是掺铒光纤激光器共有的缺点共有的缺点 改进办法改进办法：采用光纤光栅激光器；：采用光纤光栅激光器； 采用共掺杂光纤激光器；采用共掺杂光纤激光器； 采用主振荡器和功率放大器一体化和有源反馈技术；采用主振荡器和功率放大器一体化和有源反馈技术； 采用共振泵浦，可有效抑制自脉动。采用共振泵浦，可有效抑制自脉动。 DBR光纤光栅激光器光纤光栅激光器 泵浦泵浦 隔离器隔离器 FBG1 EDF FBG2 输出输出 利用一段掺铒光纤和一对光纤光栅（其利用一段掺铒光纤和一对光纤光栅（其Bragg波长相等）构成谐振腔。波长相等）构成谐振腔。 利用光纤光栅与纵向拉力的关系，

16、可以实现输出波长可调。利用光纤光栅与纵向拉力的关系，可以实现输出波长可调。 优点优点：能比较准确地选波长，成本较低。：能比较准确地选波长，成本较低。 缺点缺点：需要两个光栅实现反馈和波长选择，：需要两个光栅实现反馈和波长选择，频率稳定性受限频率稳定性受限； 存在掺铒光纤与光栅的存在掺铒光纤与光栅的熔接损耗熔接损耗； 对泵浦光的对泵浦光的吸收效率和斜率效率低吸收效率和斜率效率低，谱线较环形激光器要宽谱线较环形激光器要宽； 存在自脉动，导致存在自脉动，导致模式跳变现象模式跳变现象。 改进办法改进办法：采用：采用DFB光纤光栅激光器；光纤光栅激光器； 采用共掺杂光纤激光器；采用共掺杂光纤激光器； 采

17、用主振荡器和功率放大器一体化和有源反馈技术；采用主振荡器和功率放大器一体化和有源反馈技术； 采用共振泵浦，可有效抑制自脉动。采用共振泵浦，可有效抑制自脉动。 DFB光纤光栅激光器光纤光栅激光器 泵浦泵浦 隔离器隔离器 FBGEDF 输出输出 直接在掺铒光纤中写入光栅构成谐振腔，有源区和反馈区同为一体直接在掺铒光纤中写入光栅构成谐振腔，有源区和反馈区同为一体。 优点优点：只用一个光栅实现反馈和波长选择，频率稳定性更好，旁瓣抑制比高；：只用一个光栅实现反馈和波长选择，频率稳定性更好，旁瓣抑制比高； 避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。 缺点缺点：光栅写入较困难。也存在着

18、如：光栅写入较困难。也存在着如DBR光纤激光器一样的问题，改进方法光纤激光器一样的问题，改进方法 也与也与DBR光纤激光器相同。光纤激光器相同。 掺镱光纤掺镱光纤是这种光纤激光器的激活介质。是这种光纤激光器的激活介质。 oYb3+离子的能带结构比离子的能带结构比 较简单，在整个可见和红较简单，在整个可见和红 外区只有一个基态外区只有一个基态2F7/2 和激发态和激发态2F5/2 两个能级两个能级 族组成，其它能级都在紫族组成，其它能级都在紫 外区；外区； o由于没有高能级的存在，由于没有高能级的存在， 掺镱光纤中没有多光子弛掺镱光纤中没有多光子弛 豫和激发态吸收，豫和激发态吸收，适于发适于发

19、展高功率激光器件展高功率激光器件； 镱离子的能带结构图镱离子的能带结构图 镱离子的能带结构图镱离子的能带结构图 o掺镱光纤激光器一般被泵掺镱光纤激光器一般被泵 浦到激发态中的子能级浦到激发态中的子能级f； 然后然后Yb3+离子快速无辐射离子快速无辐射 跃迁到激发态的子能级跃迁到激发态的子能级e， 在子能级在子能级e上具有较长的寿上具有较长的寿 命；形成粒子数反转。命；形成粒子数反转。 o镱离子的基态和激发态都镱离子的基态和激发态都 有较宽的能带，因此具有有较宽的能带，因此具有 很宽的吸收谱和发射谱，很宽的吸收谱和发射谱， 可以采用不同波长的抽运可以采用不同波长的抽运 源，在源，在9701200

20、nm波波 段获得激光；段获得激光； 实验结果：实验结果： 单波长、窄线宽掺单波长、窄线宽掺YbYb3+ 3+光纤激光器 光纤激光器 泵浦泵浦 隔离器隔离器 FBG1 FBG2 YDF 输出输出 掺镱光纤激光器的结构掺镱光纤激光器的结构 C掺掺Yb3+光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源，光纤有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源， 在在9701200nm波段获得激光，并可进行宽带调谐；波段获得激光，并可进行宽带调谐； C同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、多声子跃迁等同时，这种光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭、多声子跃迁等 消激发过程，量子效率高，能够

21、获得很高的能量转化效率。消激发过程，量子效率高，能够获得很高的能量转化效率。 由于以上优点及其广阔的应用前景，掺由于以上优点及其广阔的应用前景，掺Yb3+光纤激光器受到越光纤激光器受到越 来越多研究者的关注。来越多研究者的关注。 掺镱光纤激光器的优点：掺镱光纤激光器的优点： 掺铒光纤激光器的缺点：掺铒光纤激光器的缺点： 对泵浦光的吸收效率和斜率效率低；对泵浦光的吸收效率和斜率效率低； 频率不太稳定，出现跳模现象。频率不太稳定，出现跳模现象。 为解决这些问题，采用为解决这些问题，采用Er/YbEr/Yb共掺光纤作为增益介质。共掺光纤作为增益介质。 2F5/2 2F7/2 4I11/2 4I13/

22、2 4I15/2 Yb3 Er3 Er/Yb共掺光纤就是在掺共掺光纤就是在掺Er3 光纤中掺入 光纤中掺入Yb3 。 。 由于由于Yb3 具有较大的峰值吸收，它吸收泵浦光（ 具有较大的峰值吸收，它吸收泵浦光（980nm），然后迅），然后迅 速转移给速转移给Er3 离子，以实现 离子，以实现Er3 的粒子数反转。 的粒子数反转。 Er/Yb离子的能带结构图离子的能带结构图 u 使使Er3 在低掺杂下， 在低掺杂下，对泵浦光的吸收能力可提高对泵浦光的吸收能力可提高2个数量级，个数量级， 提供更大的增益；提供更大的增益； u Er/Yb共掺光纤中共掺光纤中Er3 的低掺杂抑制了激光器的自脉冲效应 的

23、低掺杂抑制了激光器的自脉冲效应。 这大大提高了激光器的效率和输出功率的稳定性，可以在这大大提高了激光器的效率和输出功率的稳定性，可以在 无需放大和反馈的条件下实现高功率高效率输出。无需放大和反馈的条件下实现高功率高效率输出。 5.3 非线性效应光纤激光器非线性效应光纤激光器 非线性效应光纤激光器的优点：非线性效应光纤激光器的优点： C 比稀土掺杂光纤激光器具有更高的饱和功率；比稀土掺杂光纤激光器具有更高的饱和功率； C 没有泵浦源的限制。没有泵浦源的限制。 主要分为两类：主要分为两类： 光纤受激拉曼散射激光器光纤受激拉曼散射激光器 光纤受激布里渊散射激光器光纤受激布里渊散射激光器 1. 光纤受

24、激拉曼散射激光器光纤受激拉曼散射激光器 受激拉曼散射受激拉曼散射：强激光与介质分子强激光与介质分子 相互作用所产生的受激声子对入射相互作用所产生的受激声子对入射 光的散射。属三阶非线性效应。光的散射。属三阶非线性效应。 散射光的频率下移，频移量等散射光的频率下移，频移量等 于被辐射介质的振动频率，这种类于被辐射介质的振动频率，这种类 型的散射为型的散射为斯托克斯散射斯托克斯散射； 散射光的频率上移，频移量等散射光的频率上移，频移量等 于被辐射介质的振动频率，这种类于被辐射介质的振动频率，这种类 型的散射为型的散射为反斯托克斯散射反斯托克斯散射。 大功率大功率 泵浦泵浦 隔离器隔离器 FBG1

25、EDF FBG2 输出输出 光纤受激拉曼散射激光器的结构示意图光纤受激拉曼散射激光器的结构示意图 光纤拉曼散射激光输出光谱图光纤拉曼散射激光输出光谱图 随入射泵浦光功率的增大，输出泵浦光减弱，拉曼散射光增强。随入射泵浦光功率的增大，输出泵浦光减弱，拉曼散射光增强。 2. 光纤受激布里渊散射激光器光纤受激布里渊散射激光器 受激拉曼散射受激拉曼散射：是强激光与介质中的弹性声波场发生相互作用产生：是强激光与介质中的弹性声波场发生相互作用产生 的一种光散射现象。散射光中除包含入射光频外，的一种光散射现象。散射光中除包含入射光频外， 其两侧还有频移线（布里渊双重线）。频率偏移量其两侧还有频移线（布里渊双

26、重线）。频率偏移量 由介质决定。由介质决定。 光纤受激布里渊散射环形激光器结构图光纤受激布里渊散射环形激光器结构图 所以，一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级。所以，一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级。 5.4 双包层光纤激光器双包层光纤激光器 单包层光纤激光器的缺点：单包层光纤激光器的缺点： L 泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内，泵浦光较难有效地耦合到几何尺寸只有几微米的光纤芯内， 光光转换效率较低；光光转换效率较低； L 常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这常规的单模光纤激光器要求泵光的输出模式必须为基模，这 也限制了其输出功率的水平。也限制了其

27、输出功率的水平。 80年代后期，年代后期，美国宝丽来公司美国宝丽来公司的研究者们作出了开创性的工的研究者们作出了开创性的工 作，发展了一种作，发展了一种包层泵浦技术包层泵浦技术，大大促进了高功率光纤激光器的，大大促进了高功率光纤激光器的 发展。发展。 所谓所谓包层泵浦技术包层泵浦技术，就是采用，就是采用双包层光纤双包层光纤做为激光器的增益做为激光器的增益 介质，泵浦光不能直接耦合到光纤芯内，而是将泵浦光耦合到内介质，泵浦光不能直接耦合到光纤芯内，而是将泵浦光耦合到内 包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯被 其吸收。其吸收

28、。 双包层掺杂光纤的结构双包层掺杂光纤的结构 光纤芯光纤芯 外包层外包层 保护层保护层 激光输出激光输出 泵浦光泵浦光 外包层外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成； 保护层保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。 光纤芯光纤芯：由掺稀土元素由掺稀土元素 的的SiO2构成，它作为构成，它作为 激光振荡的通道，对激光振荡的通道，对 相关波长为单模；相关波长为单模； 内包层内包层：内包层由横向尺内包层由横向尺 寸和数值孔径比纤芯大寸和数值孔径比纤芯大 的多、折射率比纤芯小的多、折射率比纤芯小 的纯的纯S

29、iO2构成，它是构成，它是 泵光通道，对泵光波长泵光通道，对泵光波长 是多模的；是多模的； | 包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内；包绕纤芯，将激光辐射限制在光纤芯内； | 泵浦光的传输通道，把多模泵浦光转换为单模激光输出。泵浦光的传输通道，把多模泵浦光转换为单模激光输出。 泵浦光的能量不是直接耦合到光纤芯内，而是将泵浦光耦合泵浦光的能量不是直接耦合到光纤芯内，而是将泵浦光耦合 到内包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤到内包层，光在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤 芯被其吸收。这种结构的光纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵浦光是单模激光不要求泵浦光是单模激光，而且，

30、而且可可 对光纤的全长度泵浦对光纤的全长度泵浦，因此，因此可选用大功率的多模激光二极管阵列可选用大功率的多模激光二极管阵列 作作泵浦源，泵浦源，将约将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大 大提高了泵浦效率。大提高了泵浦效率。 双包层光纤的内包层形状：双包层光纤的内包层形状： 双包层光纤内包层的形状双包层光纤内包层的形状 内包层的形状有：内包层的形状有： 圆形圆形 偏心形偏心形 D形形 长方形长方形 正方向正方向 梅花形梅花形 内包层的内包层的横截面积横截面积、形状形状和和 数值孔径数值孔径都是限制吸收泵浦都是限制吸收泵浦 光功率的主要因素。光功率的主

31、要因素。 圆形、偏心、圆形、偏心、D形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率的比较形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率的比较 俄罗斯普物所研制的内包层为俄罗斯普物所研制的内包层为方形方形的掺的掺Yb双包层光纤；双包层光纤； 美国宝丽来公司研制的内包层为美国宝丽来公司研制的内包层为矩形矩形的掺的掺Yb双包层光纤；双包层光纤； 美国朗讯公司研制的内包层为美国朗讯公司研制的内包层为星形星形的掺的掺Yb双包层光纤；双包层光纤； 德国研制的内包层为德国研制的内包层为D形形的掺的掺Yb和和Nd双包层光纤；双包层光纤； 中国武汉邮电科学研究院研制了掺中国武汉邮电科学研究院研制了掺Yb双包层光纤；双包层光纤； 中国天

32、津中国天津46所和南开大学合作研制成功掺所和南开大学合作研制成功掺Yb双包层光纤。双包层光纤。 双包层光纤激光器的结构双包层光纤激光器的结构 双包层光纤激光器有许多的优点：双包层光纤激光器有许多的优点： o可实现可实现极高功率输出的光纤激光器极高功率输出的光纤激光器； o由于光纤的表面积与体积之比很大，高功率光纤激光器工作时一般由于光纤的表面积与体积之比很大，高功率光纤激光器工作时一般无无 需复杂的冷却装置需复杂的冷却装置； o多模二极管泵浦源的稳定性多模二极管泵浦源的稳定性(其可靠运转寿命超过其可靠运转寿命超过l00万小时万小时)决定了决定了 这种激光器具有这种激光器具有高可靠性高可靠性；

33、o转换效率高；转换效率高； o结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境。结构紧凑、牢固、不需精密的光学平台，能够适应恶劣的工作环境。 双包层光纤激光器有许多的缺点：双包层光纤激光器有许多的缺点： 石英双包层光纤的石英双包层光纤的原料制备复杂原料制备复杂、要求纯度高要求纯度高，拉丝困难拉丝困难，并，并 且且不能做到高掺杂不能做到高掺杂（掺杂浓度小于（掺杂浓度小于0.2，一般是，一般是0.15），）， 使使光纤激光器所需的光纤长度较大光纤激光器所需的光纤长度较大，一般为，一般为2050m，因此，因此， 。 高功率掺镱双包层光纤激光器高功率掺镱双包层光纤激光器 美国朗讯公司美国朗讯

34、公司S.Kosinki和和D.Inniss在在98 CLEO会议上报会议上报 导，用一种内包层为星形的双包层单模导，用一种内包层为星形的双包层单模Yb3+光纤激光器得到光纤激光器得到20W 的激光输出的激光输出 加州圣何塞光谱二极管实验室工程师加州圣何塞光谱二极管实验室工程师V.Dominic等人在等人在99 年年CLEO会议上报道在一个掺会议上报道在一个掺Yb3+的双包层光纤激光器上，实现的双包层光纤激光器上，实现 了连续输出功率大于了连续输出功率大于110W的单模输出。其光的单模输出。其光光转换效率为光转换效率为 58.3%。实验装置如图所示：。实验装置如图所示： 美国美国IPGIPG公司

35、的掺公司的掺YbYb双包层高功率激光器的输出功率水平超过双包层高功率激光器的输出功率水平超过 700700瓦，几十瓦几百瓦的双包层光纤激光器的商品也已问世。瓦，几十瓦几百瓦的双包层光纤激光器的商品也已问世。 国内国内上海光机所上海光机所用大于用大于10瓦的瓦的915nm LD泵浦内包层泵浦内包层 为矩形的掺为矩形的掺Yb双包层光纤获得双包层光纤获得1060nm、4.9瓦的激光输出。瓦的激光输出。 光光-光转换效率为光转换效率为43.6%。 南开大学南开大学对高功率光纤激光器进行了研究。对高功率光纤激光器进行了研究。 Dichroic mirror (HT(976nm)，HR(1064nm) L

36、Ds D-shaped double clad fiber 400m 350m Output Coupler 光纤光纤：选用了内包层形状为：选用了内包层形状为D D形的掺形的掺YbYb3+ 3+双包层光纤，几何尺寸为 双包层光纤，几何尺寸为 400m400m340m340m，数值孔径，数值孔径0.380.38。掺杂浓度。掺杂浓度0.65mol%0.65mol%。光纤长。光纤长 度度2020米。米。 谐振腔谐振腔：二色镜（对：二色镜（对976nm泵光高透、对泵光高透、对1060nm激光高反）和激光高反）和 光纤端面（费涅尔反射光纤端面（费涅尔反射3.5%）构成驻波腔。）构成驻波腔。 泵浦源泵浦源

37、：采用输出尾纤直径为：采用输出尾纤直径为800m、数值孔径小于、数值孔径小于0.22、输出波、输出波 长长 976nm的多模大功率的多模大功率LD作泵源。用精心设计光束耦合作泵源。用精心设计光束耦合 系统从右端面泵入腔内。系统从右端面泵入腔内。 性能指标性能指标： 阈值功率：阈值功率： 570mW 输出功率：输出功率： 6.8W 耦合效率：耦合效率： 40 斜率效率：斜率效率： 86.5 中心波长：中心波长： 1098nm 光谱半宽：光谱半宽： 1.6nm 高功率的光纤激光器一般仍采用高功率的光纤激光器一般仍采用二色镜二色镜等传统的体器件构成谐等传统的体器件构成谐 振腔，振腔，未能实现全光纤化未能实现全光纤化，这不仅极大地限制了光纤激光器的结构，这不仅极大地限制了光纤激光器的结构 紧凑性和工作可靠性，也增加了抽运光的耦合难度，同时不利于光紧凑性和工作可靠性，也增加了抽运光的耦合难度，同时不利于光 纤激光器与后续光纤光学系统的匹配兼容。纤激光器与后续光纤光学系统的匹配兼容。 为解决上述问题，采用光纤为解决上述问题，采用光纤Bragg光栅（光栅（FBG）作为腔镜的全）作为腔镜的全 光纤高功率激光器。光纤高功率激光器。 光纤光纤：掺Yb双包层光纤的内包层形状为正方形，截面尺寸为 125m125m，数值孔径约为0.38。单模纤芯的模场半径 为7m，数