激光辐射及应用课件：激光器

激光器3.1传统激光器3.2新型激光器习题

3.1传统激光器

激光器的分类方法有许多种,按照产生激光的工作物质的不同可以分成气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器、化学激光器、自由电子激光器等。根据这些类型激光器在军事上的应用程度和范围,本章着重介绍气体激光器、固体激光器和光纤激光器等。

3.1.1气体激光器

气体激光器是以气体或金属蒸气为工作物质的激光器。气体的光学均匀性好,激活粒子的谱线窄,使得气体激光器的方向性、单色性都远比固体激光器好。但气体的激活粒子密度远比固体小,需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出,因此气体激光器的体积一般比较庞大。

气体工作物质吸收谱线宽度小,不宜采用发射连续谱的非相干光源泵浦,通常采用气体放电泵浦方式。在放电过程中,通过高速电子与粒子碰撞将粒子激发到高能态,形成粒子数反转。此外,气体激光器还可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等方式。

1.中性原子气体激光器

中性原子气体激光器是利用稀有气体和金属蒸气作为工作物质的气体激光器。典型代表是氦氖(He－Ne)激光器和铜(Cu)蒸气激光器。

HeNe激光器是继红宝石激光器出现后最先(1961年)制成的气体激光器。图3-1(a)是内腔式He－Ne激光器示意图,属四能级系统;图3-1(b)是能级图。Ne是激活粒子,He是辅助气体,起提高泵浦效率的作用。阳极和阴极通电后,通过毛细管辉光放电形成粒子数反转。在可见和红外波段可产生多条激光谱线,其中最强的是632.8nm、1.15μm和3.39μm三条谱线,632.8nm谱线应用最多。放电管长数十厘米的HeNe激光器输出功率为毫瓦量级(亮度很高,不可用眼睛直视),1~2m时输出功率可达几十毫瓦至百毫瓦。由于具有光束质量好、结构简单、体积不大、价格低廉等优点,因此在准直、定位、全息照相、医学、精密计量等方面得到了广泛应用,但近年来逐渐被大功率红光半导体激光器取代。图3-1内腔式He－Ne激光器

2.分子气体激光器

利用分子气体作为工作物质的激光器称为分子气体激光器。原子构成分子,分子能级由分子的总能量决定,分子的总能量包括四个部分:电子绕核运动的能量、分子中原子的振动能量、分子的转动能量和分子平动能量。除平动外,前三种运动能量都是量子化的,电子运动能量最高,原子振动次之,分子转动最小。这些能量状态综合起来构成分子复杂的能级结构,分子在相应的能级之间跃迁而获得激光发射。

CO2激光器是分子气体激光器中最重要、结构最多、应用最广泛的激光器,也是四能级系统。其主要特点是输出功率大、能量转换效率高(15%~20%),输出波长(10.6μm)正好处于大气窗口,因此广泛应用于激光加工和医疗(光刀),也可用于大气通信、激光雷达以及激光武器等方面。

CO2激光器以CO2、N2和He等混合气体为工作物质,CO2分子是激活粒子,N2的作用是提高激光上能级的激励效率,He则有助于激光下能级的抽空。

(1)纵向慢流CO2激光器。纵向慢流CO2激光器的典型结构如图3-2所示。气体从放电管一端流入,由另一端抽走,气流、电流均与腔轴方向一致。气体流动的目的是排除CO2分子与电子碰撞时分解出来的CO气体,并补充新鲜气体。在最佳辉光放电条件下,激光器输出功率与放电管长度成比例,通常用每米功率大小作为评价参量,目前水平为50~60W/m。图3-2纵向慢流CO2激光器

(2)封离型CO2激光器。纵向慢流CO2激光器工作时离不了气瓶,使用上有些不便。封离型CO2激光器则类似HeNe激光器,充好气后两端封死,可以随意搬动。克服CO2气体分解的办法是加入少量的H2O或H2气体作催化剂,促使CO和O重新结合为CO2分子。器件结构及输出功率水平与纵向慢流激光器相似,其工作寿命已超过数千小时至一万小时。

(3)横向激励大气压CO2激光器。这种激光器简称TEACO2激光器,其中TE表示横向放电激励(与激光输出方向垂直),A表示大气压。由于气压高,放电不稳定,因此它通常采用脉冲工作方式。器件可以做得很大,也可以做得很小。输出能量与工作体积成比例,单位体积输出能量高达10~50J/L,总能量和峰值功率分别高达10000J和20TW(1TW=1012W)。小型TEACO2激光器主要用于激光测距机。

(4)气动CO2激光器。气动CO2激光器采用热泵浦方式。CO2混合气体在容器内燃烧以形成高温高压状态,由于温度很高,CO2激光上、下能级均具有较高的粒子数密度。混合气体通过喷管绝热膨胀时气体温度急剧下降,但由于上能级寿命较下能级长,粒子数密度减少的速率较下能级慢,于是在膨胀区的相当大的范围内可形成粒子数反转状态。气动CO2激光器的输出功率已高达80kW。CO2分子的振动如图3-3所示。各种CO2激光器分子振动能级如图3-4所示。CO2激光器主要发射波长为10.6μm和9.6μm,对人眼是无害的。图3-3-CO2分子的振动图3-4分子振动能级图

3.1.2固体激光器

固体激光器通常是指以均匀掺入少量激活离子的光学晶体或光学玻璃作为工作物质的激光器。真正发光的是激活离子,晶体或玻璃则作为提供一个合适配位场的基质材料,使激活离子的能级特性产生对激光运转有利的变化。

激活离子按元素周期表中所列可分为三类:

①过渡金属元素,如铬、锰、钴、镍、钒等;

②稀土元素如钕、铒、铥、镝、钬、镨等;

③个别放射性元素,如铀等。每种激活离子可具有与之相配位的一种或几种基质材料。晶体已有上百种,玻璃有上百种,但真正实用的基质材料只有红宝石、钇铝石榴石晶体以及硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物玻璃等几种。总体来讲,最常用且商品化的激光工作物质是红宝石(Cr+3:Al2O3)、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)和钕玻璃等。

1.光泵激励

固体激光器普遍采用光激励方式,以非相干的气体放电灯为激励光源。通常脉冲激光器采用脉冲氙灯,连续激光器采用氪弧灯作光泵。放电灯的发射光谱覆盖很宽的波长范围,其中只有与激光工作物质吸收波长相匹配的波段的光可有效地用于光激励,产生粒子数反转。采用非相干激励的固体激光器结构如图3-5所示。

为了使气体放电灯发出的非相干光有效地射入激光工作物质,聚光装置是必不可少的,并且通常采用椭圆柱聚光腔。在内壁镀有高反射层的椭圆柱聚光腔中,灯与激光棒分别置于两个焦轴上,这样从灯发出的光经聚光腔反射就会聚在激光棒上。相互平行的全反射镜和部分反射镜(激光输出镜)构成光学谐振腔。

图3-5固体激光器结构

2.红宝石激光器与钕激光器

红宝石激光器是世界上第一台可见光激光器。钕激光器包括Nd3+:YAG和钕玻璃激光器,是目前发展最为成熟、应用最成功的一种激光器。激光器的发光特性主要由激活离子的能级结构决定。红宝石是三能级系统,Nd3+:YAG是四能级系统,如图3-6所示。图3-6三能级和四能级系统

红宝石激光器属三能级运转,阈值泵浦能量高,红宝石晶体导热性差,通常只能以脉冲方式工作。由于它输出可见光,在动态全息、医学等方面仍有应用价值。Q开关红宝石激光器输出巨脉冲峰值功率可达10~50MW,脉宽为10~20ns。锁模红宝石激光器输出超短脉冲的峰值功率可达吉瓦(GW)级,脉宽可达10fs。

Nd3+:YAG激光器属四能级系统,其阈值泵浦能量比红宝石和钕玻璃激光器小得多,Nd3+:YAG晶体导热性好,易于散热,因此不仅可以单次脉冲运转,还可以高重复率或连续运转。其最大连续输出功率已超过1000W,每秒5000次重复频率激光器的输出峰值功率已达千瓦以上,每秒几十次重复频率的Q开关激光器的峰值功率可达几百兆瓦。

钕玻璃也是四能级系统,能级结构与Nd3+:YAG类似,只是泵浦吸收带稍宽,荧光寿命较长,荧光线宽较宽,易于积累激光上的能级粒子,又容易制成光学均匀性能优良的大尺寸材料,因此可用于大能量高功率激光器。大能量钕玻璃激光器的输出能量已达上万焦耳。其荧光线宽较宽,适于制成锁模激光器。钕玻璃锁模激光器可产生脉宽小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃激光器在激光核聚变实验中已获得重要应用。只是由于钕玻璃导热率低,振荡阈值又较Nd3+:YAG高,因此不宜用于连续和高重复率运转。

3.2新型激光器

3.2.1二极管泵浦固体激光器传统的固体激光器是由宽带弧光灯泵浦的,这些灯发出的辐射光谱带很宽。由于激光介质仅吸收窄谱带的光,因此大部分辐射没有利用上。二极管激光器经调定可在一特定的波长下发射光,因此二极管泵浦固体激光器对泵浦光的利用率大大超过了灯泵浦固体激光器。

泵浦效率的改进除了使效率以数量级提高外,同时也令激光介质的废热减少,从而改善了激光器输出特性,提高了光束质量。由于激光介质的废热减少,因此对制冷的要求也相应降低。但是,由于激光介质损耗的存在,二极管泵浦固体激光器也不可避免地存在热效应的问题。低功率的二极管泵浦固体激光器通常仅需一个导热面(如铝、铜)提供适当的热交换,当二极管泵浦固体激光器向高功率发展时,一般需要在闭环再循环制冷系统下工作。

随着二极管泵浦固体激光器功率的提高,热管理成为二极管泵浦固体激光器需要关注的主要问题,为处理废热而导致激光器能耗大大增加,因此虽然二极管泵浦固体激光器的光─光效率和电─光效率较高,但其插头效率不一定高。二极管泵浦固体激光器的优点主要有:可定标放大到高平均功率,已达到数千瓦,具有发展前途;有较高的光─光效率和电─光效率;可靠性高、寿命长;由于不用闪光灯,需要的维修少;结构紧凑、体积小、刚性好。

二极管泵浦固体激光器的光束质量除与谐振腔、泵浦光和腔模匹配等因素有关外,最主要的问题就是激光介质的选择及其几何构型和散热方式。常用于二极管泵浦固体激光器的激光介质有Nd3+:YAG晶体和Yb:YAG晶体等。Yb:YAG晶体的泵浦波长为940nm,它具有高光─光效率、宽吸收带宽(波长匹配易于实现)、低量子缺陷、高斜率效率、较长的上能级辐射寿命(达1ms)等优点。Yb:YAG晶体的主要缺点是要求泵浦功率密度高,同样增益下Yb:YAG晶体的泵浦功率比Nd3+:YAG晶体高3倍。

Nd:YV04晶体与Nd3+:YAG晶体相比具有较大的吸收系数(提高效率)和增益横截面,在入射泵浦功率固定时具有较大的腔内小信号环路增益,降低了Q开关脉冲的最小可能脉宽。在选择激光介质时,要综合考虑激光功率、泵浦耦合方式和散热方式等因素,同时,也要合理设计激光介质的几何构型。二极管泵浦激光器按照其激光介质几何构型的不同分为棒式、板条式、薄片式(圆盘式)和光纤式。

由于棒式和板条式激光器存在比较严重的废热问题,为了减小热效应,现在二极管泵浦激光器主要采用薄片式激光器和光纤式激光器。

1.棒式和板条式激光器

棒式激光器的优点是器件结构简单、稳定,便于加工,缺点是光束质量较差。为了减小热效应带来的激光器光束质量和效率的降低,并且向更高输出功率和高光束质量发展,1969年W.S.Martin等人提出采用矩形板条式的激光介质。1975年G.J.Hulme等提出采用“之”字形板条式激光介质,进一步降低了激光介质的热效应,改善了二极管泵浦固体激光器的光束质量,如图3-7所示为二极管阵列泵浦“之”字形板条激光器的结构示意图。

理论上“之”字形板条式激光器的热效应能完全补偿,前提是板条泵浦均匀,激光介质侧面无限大,温度梯度为严格垂直于泵浦面的一维分布。但实际上有限尺寸的板条存在周侧面绝热不彻底而造成的侧向温度梯度问题,以及因板条憾面与板条中心应力分布不同而导致的热聚焦等问题。因此板条激光器虽然前景看好,但由于其热问题难以控制,技术比较复杂,所以尚处于研究之中。

图3-7二极管阵列泵浦“之”字形板条激光器

2.薄片式激光器

当激光器的介质棒的长度缩短到远小于其直径时,称为圆盘式激光器或薄片式激光器。薄片式激光器激光晶体的废热不是由其圆周排除,而是由薄片表面排除的,因此在激光晶体内部建立的温度场的等温线垂直于激光晶体的光轴,由温度场引起的折射率变化实际上与径向无关,光束沿光轴传输时几乎没有径向相移,因此薄片式激光器在高输出功率情况下,也能得到高光束质量。由于薄片式激光器的热透镜效应可忽略,对同一种构型的谐振腔而言,其光束质量几乎与功率大小无关。

可通过改进谐振腔构型,在不引入功率或效率损耗的情况下提高系统的光束质量,因此薄片式激光器能同时获得高光束质量和高功率输出的激光。另外,薄片式激光器可通过增大薄片的泵浦尺寸或采用多薄片折叠腔来实现功率的定标放大,其输出功率将随着泵浦尺寸的增大或薄片个数的增加而线性放大。薄片式激光器克服了传统棒式激光器和板条式激光器的缺点,较好地解决了固体激光热效应的问题,同时具有高效率和高光束质量。

图3-8给出了一种适用于高功率二极管泵浦激光器的二极管泵浦薄片激光介质结构。薄片式激光晶体的一个端面固定在热沉(如铜微通道冷却器)上,薄片端面和热沉之间有一镀有高反膜的热传导层,大大降低了薄片式激光介质的温升。薄片式激光介质的冷却端面镀全反膜,另一端面镀增透膜,薄片式激光介质与输出镜构成了激光谐振腔。

图3-8二极管泵浦薄片结构示意图

3.泵浦耦合方式

泵浦光导入方式分为光纤导入泵浦和直接泵浦方式。由于存在耦合损耗,光纤导入方式的效率不高,为此,现在致力于研究更简单易行的直接导入方式。二极管泵浦激光器按照泵浦光和激光束方向的不同排列分为侧泵浦和端泵浦。在侧泵浦中,泵浦光垂直于激光束,热流也垂直于激光束。如图3-9所示为棒式激光器的侧泵浦示意图。图3-9棒式激光器的侧泵浦

侧泵浦结构导致了热透镜效应的产生,因而降低了光束质量和效率。但是,侧泵浦方式更易于实现功率的定标放大,因此侧泵浦的最大优点是具有较高的输出功率。侧泵浦和端泵浦固体激光器的结构及热补偿分别如图3-10和图3-11所示。图3-10侧泵浦固体激光器的结构及热补偿图3-11端泵浦固体激光器的结构及热补偿

4.冷却系统

为了保证高功率二极管泵浦激光器的正常运行并获超好的光束质量,必须对激光介质进行制冷。制冷方式有多种,其中水冷方式是最常用的制冷方式之一,采用循环冷却水带走激光晶体产生的废热,保持激光晶体的正常工作温度。美国利弗莫尔实验室、TRW和SDL等公司研制了基于湍流原理的冲击式冷却器和基于层流原理的硅微通道冷却器,因为铜的导热性比硅的好,冷却效率较高。

另外,铜微通道冷却器较硅微通道冷却器而言,具有工艺相对简单、成本较低等优点,因此铜微通道冷却器应用于高功率二极管泵浦激光器的前景较好。在激光系统中,将激光晶体板条安装在气动叶片上,堆叠叶片元件,在叶片之间形成冷却通道。利用近声速的氮气流通过气动叶片的冷却通道,去除激光晶体板条上产生的废热。

3.2.2飞秒钛宝石激光器的工作原理

飞秒(10-15s)激光技术是人类目前在实验室条件下所能获得超短脉冲的技术手段。其在瞬间发出的功率比全世界发电总功率还大。这是一种以脉冲形式运转的激光,使人们获得了飞秒级的时间分辨率。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。典型的飞秒激光器的主要结构包括泵浦源、增益介质和光谐振腔三个组成部分,如图3-12所示。由泵浦源所发射的泵浦激光入射到钛宝石晶体上,产生反转粒子;平面镜M1和半透镜OC构成谐振腔,腔内两个曲率半径相同的凹面镜M2、M3起到聚焦的作用;此外,在激光腔内还要有专门的色散补偿装置———切成布儒斯特角的棱镜组P1、P2。图3-12飞秒钛宝石激光振荡器

1.掺钛蓝宝石晶体的特性

Ti3+:S晶体是掺钛的Al2O3单晶,其空间结构如图3-13所示。它属六角晶系,空间群及物理化学性质与红宝石相似,稳定性好,热导率约为Nd:YAG的3-倍,熔点高(2050℃),硬度大(9级),折射率为1.76。在晶体结构中,Ti3+离子在Al2O3-置换具有三角对称的C位上的Al3+离子,置于一个正八面体的中心,Ti3+离子受到周围六个O2-离子形成的立方场的作用。图3-13-钛宝石晶体结构

Ti离子电子能级与周围蓝宝石晶格的振动能级间的耦合使激发态能级分裂成E1/2和E3/2两个能级,基态能级分裂成2E1/2、1E1/2及E3/2三个能级,如图3-14所示。这些振动能级间的能量间隔很小,因此,大量的振动能级构成了准连续的能带,使得基态和激发态能级分布范围很宽,如图3-15所示。因此,Ti的吸收跃迁谱带都很宽,分布较宽的基态能级是Ti:S激光器可调谐运转的关键。图3-14掺钛蓝宝石晶体中Ti离子的能级图图3-15掺钛蓝宝石晶体的能级跃迁图

Ti:S晶体的蓝绿吸收带对于不同偏振具有不同吸收截面,π表示的电矢量与晶体的光轴(C轴)平行,Σ表示光的电矢量与C轴垂直,晶体对π偏振光吸收要大得多,为使Ti:S晶体对泵浦光有最大的吸收,应使泵浦光的波矢k垂直于C轴,让电矢量E平行于C轴。图3-16表示Ti:S晶体吸收谱范围为430~580nm,峰值为490nm,所以用蓝绿波段的光。图3-16钛宝石晶体的吸收光谱

图3-17是其室温下荧光谱,峰值波长约为745nm,荧光谱有很强的偏振特性,π偏振光强度大于Σ偏振光。根据荧光强度与增益系数的关系,可以得到相应的增益曲线。增益峰值波长在795nm附近,增益波长范围为650~1200nm,带宽约为122nm,这是所有激光增益介质中最宽的。由于这种宽的荧光光谱,使它构成的锁模激光器具有极窄的脉宽。

图3-17钛宝石晶体的荧光光谱

2.自锁模原理

获得超短脉冲的主要方法就是运用调Q或锁模技术。在飞秒量级的激光技术中,获得超短脉冲的主要方法是锁模技术。锁模激光器脉宽可达10-11~10-14s,相应地具有很高的峰值功率。这部分内容详见5.3节。从时域角度看,任何带有被动性质的锁模激光器,腔内都存在这样的元件,它们首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子,然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小于1,而使脉冲中间的增益大于1,脉冲在腔内往返过程中,不断被整形放大,脉冲宽度被压缩,直到稳定锁模。掺钛蓝宝石激光器自锁模属于被动锁模。

在掺钛蓝宝石自锁模激光器中,掺钛蓝宝石介质折射率的非线性效应可表示为

式中,n0为与光强无关的折射率,n2为非线性折射率,I(t)为脉冲的光强。由于光强的高斯分布,当其通过介质时,就会产生自聚焦效应。取介质的某一小段ΔL,则自聚焦效应的焦距为

式中:ωm

为入射到该介质的光斑大小;α为一常量,大约为5.6~6.7;Δnm

为入射光轴线上折射率的变化,

式中,Im(t)为入射到ΔL介质上光束近轴的光强。从脉冲包络的时域上看,脉冲前后沿的光强小于脉冲中间的光强。

由于增益的存在,脉冲在腔内循环时,强度小的脉冲不断被抑制而消失,强度大的脉冲不断增强,而且使其前后沿不断损耗,脉冲中间部分被放大,脉冲宽度被压缩。当光脉冲通过掺钛蓝宝石晶体时,又引起了很大的二阶正群速色散(GVD)和三阶色散。在这一阶段中,增益介质的自振幅调制和增益放大仍起主要作用,只是由于脉冲功率增大,不可避免地要产生自相位调制和很大的正群速色散,不利于进一步压缩脉冲,而要用合适的负色散去补偿,才可以得到最短的脉冲宽度。

3.群速色散及色散补偿

光在真空中的传播速度约为300000km/s,在一束超短光脉冲的波包中含有许多不同波长(不同频率)的光子。它们在一个波包中同步传播。如果这束波包在一个折射率与波长有关的介质中传播,则其传播速度为

群速色散的作用可使光脉冲展宽,也可使光脉冲压缩。由于超短脉冲具有宽的光谱带宽,存在群速色散时,将使光脉冲在时间域内产生频率啁啾。对观察者而言,频率随时间的增加而升高,称为正啁啾;频率随时间的增加而降低,称为负啁啾。在超短脉冲的产生、放大与压缩技术中最常用的群速色散补偿器有棱镜组补偿器、光栅对补偿器、多层介质膜补偿器等。

4.飞秒激光放大

在某些激光应用中,往往要求激光具有很高的能量(或功率),如激光核聚变至少需要高达上万焦耳的能量,激光雷达需要大功率的调制激光等。但欲获得高能激光,仅靠激光(振荡)器来获取一般是很困难的,这是因为提高激光器的输出功率(能量)和其他指标(如光束发散角、单色性、脉宽、调制性能等)要求是相矛盾的。故要保持激光束优良的特性,又要获得具有高功率的激光,就要在原有的振荡器激光的基础上运用激光放大器。

激光放大器按其放大脉冲信号宽度的不同,可以分为长脉冲激光放大器(也称连续激光放大器)、脉冲激光放大器和超短脉冲激光放大器三种。在超短脉冲(即脉冲宽度τ<10-10s)的激光放大情况下,为避免畸变和元件的损伤而限制输出能量,飞秒脉冲放大常采取特殊的方法———啁啾脉冲放大(CPA)技术。此内容超出本书范围,这里不再介绍,可参看相关书籍。

3.2.3-光纤激光器

光纤激光器就是利用光纤制作的激光器。用于光纤激光器和光纤放大器的光纤多为单包层光纤,普通的掺稀土单模光纤的纤芯只有数微米,抽运光很难有效耦合到光纤纤芯中。因此,光纤激光器通常被认为是一种低功率的光子器件。近年来随着新型双包层光纤的出现和包层抽运技术的发展,光纤激光器的功率输出呈现指数级增长。最近,单模光纤激光器的激光输出功率已达到千瓦量级以上。目前,研究较多的光纤激光器主要为掺稀土光纤激光器。掺稀土光纤激光器所使用的光纤基质材料主要有石英玻璃和多组分玻璃两大类,而多组分玻璃又包括氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃以及混合系统玻璃等。

1.结构及工作原理

最简单的光纤是由折射率略低于纤芯的包层包裹着纤芯组成的。如图3-18所示,这种光纤通常称为阶跃折射率光纤,纤芯和包层的折射率分别记做n1和n2。描述光纤特性的两个参量是纤芯、包层相对折射率差Δ以及归一化频率ν,它们的计算公式为

式中,k0=2π/λ;a为纤芯半径;λ为光波波长。图3-18阶跃折射率光纤的横截面和折射率分布示意图

1)双包层光纤

在光纤通信中广泛应用的单模光纤只有一个纤芯和一个包层。常规的光纤激光器采用普通的单模光纤做增益介质,耦合效率极低,很难得到高功率。包层抽运技术的出现,极大提高了抽运光的耦合效率,使光纤激光器摆脱了低功率、低应用价值的困境,推动了高功率光纤激光器的发展。包层抽运技术是通过双包层光纤来实现的,双包层光纤的结构如图3-19所示,它由纤芯、内包层、外包层和保护层组成,折射率从纤心到外包层依次减小。图3-19双包层光纤结构、折射率分布和传光原理示意图

2)双包层光纤中的掺杂稀土离子

作为双包层光纤激光器的增益介质,双包层光纤纤芯中掺杂的稀土元素离子的类型和浓度决定了光纤激光器输出激光的特性。所谓稀土元素,即在元素周期表中位于第5行第3列的元素,也称镧系元素。它们在掺杂于石英或其他玻璃材料中时,通常形成正三价的离子,如铒(Er)、钕(Nd3+)、铥(Tm3+)、钬(Ho3+)、镱(Yb3+)等。不同的掺杂稀土离子决定了光纤激光器输出激光的波长。

镱离子(Yb3+)具有无激发态吸收、无浓度淬灭的优点,并且具有很高的吸收截面、较宽的吸收光谱(800~1100nm)以及较宽的发射光谱(975~1200nm),这都是由Yb3+离子的能级结构决定的。Yb3+离子的能级结构较简单,仅由基态2F7/2和激发态2F5/2两个能级族组成,如图3-20所示。图3-20Yb3+的能级结构图

由于Yb3+具有这种简单的能级结构,使得在泵浦波长处和信号波长处均不存在激发态吸收。激发态吸收是上能级离子吸收泵浦光子向更高能级跃迁的一种物理过程,是一种能量的无效消耗,不利于激光的产生和放大。

量上转换过程以及由多光子非辐射弛豫导致的浓度淬灭。Yb3+离子掺杂到石英玻璃光纤中时,由于基质材料中电场分布不均匀,其能级由于斯塔克效应发生分裂,能级结构见图3-21,基态能级有4个斯塔克分裂,即图3-21中的a、b、c(包括两个子能级)能级。与激光跃迁有关的激发态能级有三个斯塔克分裂,即图3-21中的d、e、f能级,其中斯塔克能级d和e分别对应于975nm和915nm吸收峰。图3-21石英玻璃基质中Yb3+离子的能级跃迁机制

室温下并非所有Yb3+的斯塔克能级都参与跃迁,从斯塔克能级d到能级2F7,可发生两种不同类型的激光跃迁:一种为三能级跃迁(从d到a的三能级跃迁,对应于短波长区域,即发射波长为975nm区域;另一种为准四能级跃迁(从e到b、c跃迁),发射波长范围为1010~1200nm。图3-21给出了石英玻璃基质中Yb3+离子的能级跃迁机制。

Yb3+离子的吸收截面和发射截面直接影响着掺Yb3+双包层光纤激光器的输出光谱特性。图3-22给出了石英玻璃基质中Yb3+离子的吸收截面和发射截面谱线。离子有两个吸收峰,分别对应于波长915nm和975nm。其中,915nm处的吸收峰对应的吸收截面相对较小,但其谱线较宽(约50nm),利用吸收谱宽的特性,Yb3+离子可以作为激光激活离子,与其他稀土元素离子(如Er3+、Ho3+等)共掺,作为中间介质吸收能量并传输给其他掺杂离子,在此过程中Yb3+离子不直接发生能级跃迁而产生激光,仅作为一个能量传递工具。975nm处的吸收峰对应的谱宽相对较窄(约8nm),但其吸收截面很大,约为915nm处谱宽的4倍。图3-22石英基质中镱离子的吸收(实线)截面和发射(虚线)截面

从图3-22中还可以看出,Yb3+离子在975nm和1030nm处有两个发射峰,其中,短波长跃迁对应于三能级系统,长波长跃迁对应于准四能级系统。研究测量表明,Yb3+离子的吸收截面和发射截面依赖于基质材料的组分,当改变光纤中各组分大小时,发射谱在990~1020nm范围有明显的变化,与图3-22所示谱线的偏移达30%左右;同时,由于存在不均匀展宽,发射光谱也会随泵浦光波长的改变而改变。

光纤激光器和其他激光器一