集成光电子器件lpl第三章光纤激光器.pptx

1、第三章 光纤激光器3.1 光纤激光器基本概述 3.2 稀土掺杂光纤激光器 3.2.1 掺铒光纤激光器 3.2.2 掺镱光纤激光器 3.2.3 Er/Yb共掺光纤激光器3.3 非线性光纤激光器 3.4 双包层光纤激光器 3.1 光纤激光器基本概述 半导体激光器的缺点：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。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，即便如此，仍有较大的耦合损耗。某些半导体激光器在一定注入电流下，输出光会出现自

2、脉动现象，严重影响着激光器的高速脉冲调制性能。光纤激光器的优点：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，使得激光效率大幅度提高；基于SiO2光纤的生产工艺现在也已经非常成熟，可以制作出高精度、低损耗的光纤。光纤激光器基质是SiO2，具有极好的温度稳定性；而且光纤结构具有较高的面积体积比，所以其散热效果很好。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，与通信线路耦合损耗低，使用方便可靠。 20世纪60年代初，法国的Smitzer首次提出光纤激光器的概念。 70年代初美国、苏联等国的研究机关开展了一般性研究工作。 1975年至1985年，由于半导体激光

3、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： 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、 日本的NTT、美国的斯坦福大学和Bell实验室，相继开展了 光纤激光器的研究工作，成果累累； 国内：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、电子部和邮电部等单 位的研究工作也取得了很大进展。光纤激光器的发展 20世纪80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。 90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45个数量级，可谓光纤激光器发展史上的又一 个里程

4、碑。光纤激光器的分类 按激光产生机理分类 掺稀土元素的光纤激光器： 掺铒（Er3+）、镱（Yb3+）、钕（Nd3+）、 镨（Pr3+）、铥（Tm3+）等 非线性效应光纤激光器： 受激拉曼散射光纤激光器 受激布里渊散射光纤激光器 按谐振腔结构分类 F-P腔光纤激光器 DFB光纤激光器 DBR光纤激光器 按光纤结构分类 单包层光纤激光器 双包层光纤激光器3.2 稀土掺杂光纤激光器 稀土元素包括15种元素。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、 Yb3+、Pr3+、Tm3+等。掺铒光纤激光器在1.55m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，掺铒光纤激光器发展

5、十分迅速。掺镱光纤激光器在1.0-1.2m波长具有很高的增益，Yb3+具有相当宽的吸收带(8001064nm)以及相当宽的激发带(9701200nm)，故泵浦源选择非常广泛，泵浦源和激光都没有受激态吸收。掺铥光纤激光器的激射波长为1.4m波段，也是重要的光纤通信光源。TKomukai等人获得了输出功率100mw、斜率效率59的1.47m掺Tm3+光纤激光器。其它的掺杂光纤激光器，如2.1m工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器，由于水分子在2.0m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。掺铒光纤激光器工作在石英光纤最低

6、损耗波长1.55m处，调谐范围50nm，可供多路光频复用，适于通讯应用，是目前研究最彻底、应用最广泛的一种光纤激光器。3.2.1 掺铒光纤激光器激光器产生激光的三个先决条件： 增益介质 激励源 光学谐振腔1. 增益介质Er3+离子产生光放大效应的能级有三个：激发态、亚稳态、基态，属三能级系统；铒离子的能级结构铒离子（Er3+）能级结构4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦无辐射跃迁1550nm基态高能态亚稳态 掺铒光纤强泵浦光将大部分处于基态的Er3+离子泵浦到激发态上;处于激发态的Er3+离子又迅速无辐射地转移到亚稳态上；由于Er3+离子在亚稳态上能级寿命较长，很

7、容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转。用1550nm波长的光信号激发亚稳态的电子，发生受激辐射，产生与输入信号光完全相同的光子，实现信号光放大。产生光放大的过程：铒离子（Er3+）能级结构4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦无辐射跃迁1550nm基态高能态亚稳态2. 泵浦方式泵浦光波长有：820nm、980nm和1480nm三种。因为980nm的泵浦源具有突出优点：噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等。铒离子（Er3+）能带结构4I11/24I13/24I15/2980nm泵浦1480nm泵浦无辐射跃迁1550nm基态高能态亚稳态应用最多的是980nm泵

8、浦源。光泵浦 F-P腔、DFB和DBR3. 光学谐振腔泵光掺Er3石英光纤激光输出剩余泵光F-P腔光纤激光器优点：结构简单。缺点： 调制或泵浦功率变化时，出现模式跳变和谱线展宽，难以实现动态单纵模； 对泵浦光的吸收效率和斜率效率低； 存在自脉动，导致模式跳变现象。改进办法： 采用光纤光栅激光器； 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； 采用共振泵浦，可有效抑制自脉动。DFB光纤光栅激光器泵浦隔离器FBG1EDFFBG2输出 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。优点：能比较准确地选波长，成本较低。缺点：需要两个光栅实现反馈和波长选择，

9、频率稳定性受限； 存在掺铒光纤与光栅的熔接损耗。DBR光纤光栅激光器泵浦隔离器FBGEDF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。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； 避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。缺点：光栅写入较困难。3.2.2 掺镱光纤激光器激活介质在整个可见和红外区只有一个基态2F7/2和激发态2F5/2 两个能级族组成，其它能级都在紫外区；由于没有高能级的存在，掺镱光纤中没有激发态吸收和多光子弛豫，适于发展高功率激光器件；镱离子的能带结构图镱离子的能带结构：掺镱光纤镱离子的能带结构图掺镱光纤激光器一般被泵浦到激发态中的子能级f；

10、然后Yb3+离子快速无辐射跃迁到激发态的子能级e，在子能级e上具有较长的寿命；形成粒子数反转。镱离子的基态和激发态都有较宽的能带，因此具有很宽的吸收谱和发射谱，可以采用不同波长的抽运源，在9701200nm波段获得激光；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， 在9701200nm波段获得激光，并可进行宽带调谐；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Yb3+光纤激光器受到越来越多研究者的关注。掺镱光纤激光器的优点： 3.2.3 Er/Yb共掺光纤激光器 掺铒光纤

11、激光器的缺点： 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。 提出了采用Er/Yb共掺光纤为增益介质激光器。而掺镱光纤激光器的工作波长不在1550nm波段。2F5/22F7/24I11/24I13/24I15/2Yb3Er3Er/Yb共掺光纤就是在掺Er3光纤中掺入Yb3。 由于Yb3具有较大的峰值吸收，它吸收泵浦光（980nm），然后迅速转移给Er3离子，以实现Er3的粒子数反转。Er/Yb离子的能带结构图 使Er3在低掺杂下，对泵浦光的吸收能力可提高2个数量级， 提供更大的增益； Er/Yb共掺光纤中Er3的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

12、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。3.3 非线性效应光纤激光器 主要分为两类： 受激拉曼散射光纤激光器 受激布里渊散射光纤激光器光纤受激拉曼散射激光器散射光的频率下移，频移量等于被辐射介质的振动频率，这种类型的散射为斯托克斯散射；受激拉曼散射：强激光与介质分子相互作用，产生受激声子，声子 对入射光的散射。散射光的频率上移，频移量等于被辐射介质的振动频率，这种类型的散射为反斯托克斯散射。大功率 泵浦隔离器FBG1EDFFBG2输出光纤受激拉曼散射激光器的结构示意图缺点：属三阶非线性效应，需大功率泵浦。非线性效应光纤激光器的优点： 比稀土掺杂光纤激光器具有更高的饱和功率

13、； 没有泵浦源的限制。所以，一般常规光纤激光器的输出功率仅在毫瓦量级。 3.4 双包层光纤激光器 单包层光纤激光器（缺点）： 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； 常规的单模光纤激光器要求泵浦光的输出模式必须为基模， 这也限制了其输出功率的水平。 80年代后期，美国宝丽来公司的研究者们作出了开创性的工作，发展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。 所谓包层泵浦技术，就是采用双包层光纤做为激光器的增益介质，泵浦光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，多次穿过单模纤芯被其吸收。双包层掺杂光纤的结构内包层

14、光纤芯外包层保护层激光输出泵浦光外包层：外包层由折射率比内包层小的软塑材料构成；保护层：最外层由硬塑材料包围，构成光纤的保护层。光纤芯：由掺稀土元素 的SiO2构成，它作为 激光振荡的通道，对 相关波长为单模；内包层：由横向尺寸和数 值孔径比纤芯大的多、 折射率比纤芯小的纯 SiO2构成，它是泵浦 光通道，对泵浦光波长 是多模的；双包层光纤内包层的作用：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，多次穿过单模纤芯被其吸收。 这种结构的光纤不要求泵浦光是单模激

15、光，而且可对光纤的全长度泵浦，因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵浦源，将约70%以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。双包层光纤的内包层形状：双包层光纤内包层的形状内包层的形状有： 圆形 偏心形 D形 长方形 正方向 梅花形内包层的横截面积、形状和数值孔径都是限制吸收泵浦光功率的主要因素。圆形、偏心、D形、矩形内包层的双包层光纤吸收效率的比较双包层光纤的研究进展 俄罗斯普物所研制的内包层为方形的掺Yb双包层光纤； 美国宝丽来公司研制的内包层为矩形的掺Yb双包层光纤； 美国朗讯公司研制的内包层为星形的掺Yb双包层光纤； 德国研制的内包层为D形的掺Yb和Nd双包层光纤； 中国

16、武汉邮电科学研究院研制了掺Yb双包层光纤； 中国天津46所和南开大学合作研制成功掺Yb双包层光纤。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：可实现极高功率输出的光纤激光器； 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需复杂的冷却装置； 多模二极管泵浦源的稳定性(其可靠运转寿命超过l00万小时)决定了这种激光器具有高可靠性； 转换效率高； 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： 石英双包层光纤的原料制备复杂、要求纯度高，拉丝困难； 不能做到高掺杂（掺杂浓度小于0.2，一般是0.15），使光纤激光器所需的光纤长度较大，

17、一般为2050m。 因此，双包层光纤激光器的价格非常贵。高功率掺镱双包层光纤激光器 美国朗讯公司S.Kosinki和D.Inniss在98 CLEO会议上报导，用一种内包层为星形的双包层单模Yb3+光纤激光器得到20W的激光输出。 加州圣何塞光谱二极管实验室工程师V.Dominic等人在99年CLEO会议上报道在一个掺Yb3+的双包层光纤激光器上，实现了连续输出功率大于110W的单模输出。其光光转换效率为58.3%。实验装置如图所示： 国内上海光机所用大于10瓦的915nm LD泵浦内包层为矩形的掺Yb双包层光纤获得1060nm、4.9瓦的激光输出。光-光转换效率为43.6%。 南开大学对高功

18、率光纤激光器进行了研究。 美国IPG公司的掺Yb双包层高功率激光器的输出功率水平超过700瓦，几十瓦几百瓦的双包层光纤激光器的商品也已问世。 窄线宽、可调谐、高功率掺Yb3+双包层光纤激光器有着广阔的应用前景，研究工作进展很快。英国南安普敦大学采用空气包层Yb3+双包层光纤，在Littrow结构中得到的调谐范围1010nm1120nm;法国的Ammar Hideur等人在全光纤环行腔掺Yb3+双包层光纤激光器得到的调谐范围1040nm 1100nm，输出功率大于800mW; 德国M.Auerbach等人采用Littman-Littrow外腔结构(双光栅结构)，在1040nm 1100nm范围内获得了调谐输出，输出功率大于2