1概述
光纖雷射器的發展狀況
1961年出現的第一台光纖雷射器是採用芯徑為300um,長度為lm的摻釹離子光纖做為增益介質,輸出了波長為1.06um的雷射。1966年高餛和Hockham提出利用光纖做為通信介質的想法,從此光纖被廣泛用於通信領域。其後的20幾年山於泵浦源技術不成熟、光纖製造工藝水平較低等因素制約使得光纖雷射器的發展變得非常緩慢。直到80年代初隨著光通信的飛速發展,帶動了光纖製造工藝和半一導體雷射器生產技術的成熟,從而加快了光纖雷射器的發展。從此世界各國包括英國、日本、德國、美國等都分別展開了對光纖雷射器的大力研究。在1987年,英國Southampton大學的S.B.Pooles等人採用自己研製的低損耗摻餌單模光纖實現了雷射輸出。對於光纖雷射器來說1988年是一個至關重要的轉折點,在這一年美國寶麗來公司的Snitzer等人提出了雙包層光纖的概念,並研製成了摻Nd3+雙包層光纖雷射器。在雙包層光纖雷射器中泵浦光在內包層中傳輸,而雷射在纖芯里傳輸,該結構相比單模光纖吸收效率和輸出功率都有了極大提高,從此光纖雷射器的輸出功率不在局限在瓦級。1999年美國的V.Domini等人採用雙端泵浦技術在波長1120nm處獲得了110W的雷射輸出,表明光纖雷射器已經達到百瓦級別。由於高功率光纖雷射器在焊接、打標等工業領域的大量需求,所以逐漸變為人們研究的熱點,目前光纖雷射器的輸出功率己經可以達到kw量級,2003年8月英國南安普敦大學的vJeon等人研製成1kw的光纖雷射器,並在12月獲得1.36kw的雷射輸出。
光纖放大器非線性折射率依賴於摻雜濃度、抽運功率、信號功率等參數的變化對非線性、噪聲係數、色散等參量的影響, 為短波傳輸、級聯光纖、孤子傳輸等方面的最佳化設計帶來重要的指導意義。非線性折射率在光開關、信號處理系統、信號放大等方面也得到了廣泛的重視。而由非線性折射率引起的相位變化對於設計光纖環行鎖模雷射器 , 多根光纖放大器的相干放大輸出等套用方面也是相當重要的。在相關的實驗研究方面,Bet ts等利用一根雙芯光纖(一個芯區摻有鉺粒子而另一個是普通光纖), 根據干涉法對摻鉺光纖折射率進行了測量, 梁銓廷利用單芯摻鉺光纖構成一個環行諧振器, 根據輸出光強的變化對摻鉺光纖的折射率進行了測量。Ghisler等從實驗上研究了摻釹光纖放大器的相位變化。
摻釹光纖放大器在1300 nm 波段處具有很強的激發態吸收, 限制了它在1300 nm 波段通信上的套用, 但是在1064 nm 波段處的摻釹光纖放大器能夠為半導體雷射器抽運的Nd∶YAG 雷射光源提供緊湊耐用和偏振態無關的信號放大, 它沒有像摻鉺、摻鉺鐿光纖放大器那樣嚴重的受激吸收現象, 可以達到量子噪聲係數的極限, 這是因為內包層可比單模芯區的面積大100 多倍, 適用於較大面積的雷射二極體抽運, 從而可以得到大功率信號的輸出。而摻鉺、摻鉺鐿光纖放大器內包層直徑只能比單模芯區直徑大幾倍。另外摻釹光纖放大器還具有抽運閾值低、噪聲係數小、摻雜濃度高等優點, 近年來在空間通信和高功率放大等套用中得到了廣泛重視。
2摻釹光纖雷射器的研究進展
人們研製出的第一台光纖雷射器就是摻Nd3+光纖雷射器,但發展比較成熟的卻是摻鐿光纖雷射器,因為人們發現鐿離子更容易產生雷射振盪。但是近二十多年來,國內外對摻Nd3+光纖雷射器的研究並不少,相對來說,國外的研究更為先進成熟一些。
摻釹光纖雷射器雖然最早被人們研製出來,並且早期獲得了大量的關注,但後來人們發現Yb離子相比Nd離子具有更大的受激輻射面積而更容易產生雷射振盪,所以目前摻鐿光纖雷射器發展比較成熟。而目前國外對摻釹光纖雷射器的研究較多,1985年R.J.Mears等人採用GaAIAs二極體泵浦摻Nd3+光纖雷射器獲得了連續單模的雷射,其閉值低於1mW。1990年德國的G.Geister和R.Ulrich研製成了採用LiNbO晶體的電光調Q摻Nd3+光纖雷射器,其輸出波長為1088nrn、脈衝寬度為50ps、峰值功率為200w。1993年MHober、MHofer、uKeller等人研製出了摻Nd3+離子的波長在1o64nm處6ofs的飛秒光纖雷射器。1995年採用摻Nd3+光纖雷射器獲得了9.2w的雷射輸出。1997年澳大利亞的R.Hofer等人研製成摻N子+波長為92olun的鎖模光纖雷射器,脈衝寬度為53ps,輸出能量為soopjf,2,1。2002年R.selvas等人採用sosnm的半導體雷射器泵浦摻Nd3+光纖雷射器獲得了可調諧雷射輸出。2002年,Platonov和Limpert分別報導了摻Nd3+雙包層光纖雷射器和Yb/Nd離子共摻雙包層光纖雷射器在1.01um波段連續輸出率為135w和150w。2003年FoIlday等人用摻Na3+光纖雷射器在l.03um波段處獲得了50fs、1nJ的脈衝雷射輸出。同一年英國南安普頓大學的J.Nllsson等人用摻Nd3+光纖雷射器獲得了波段在1057~1118nm之間的可調諧雷射輸出。2004年DBssoh等人採用D型雙包層光纖雷射器獲得了波長範圍在908-938nm的可調諧摻Nd光纖雷射器。2005年韓國的SYoo等人採用w型摻Nd光纖雷射器獲得了輸出波長為900nm的雷射。2009年BHitz等人採用摻Nd3+光纖雷射器輸出了脈衝寬度為360fs,輸出波長為900nln的雷射。相比國外的發展狀況,國內在摻Nd光纖雷射器方面的研究方面在技術水平和輸出功率等方面都尚有欠缺,1995年西安交通大學的姚保利研製成了摻Nd單模調Q光纖雷射器。2003年南開大學的樊亞仙等人採用摻Nd3+聲光調Q光纖雷射器在波長為1O64nm處得到了光譜線寬約為0.08nln穩定的雷射脈衝序列,脈衝重複頻率從1-10kH。在重複頻率1kHz時得到脈衝寬度約800ns,最大單脈衝能量180μJ,脈衝峰值功率225w。次年該小組又採用摻Nd雙包層光纖雷射器進行了實驗研究,得到了波長在1064lun處超過1.2w的連續雷射輸出,斜率效率為18.6%。2007年天津大學的任廣軍等人在實驗中發現保偏摻Nd3光纖雷射器輸出的雷射在1060nm和1092nln處有兩個峰值,並在波長1060nln處獲得了7.35W的連續偏振雷射輸出,斜率效率為58.3%。雖然摻Yb光纖雷射器在許多方面具有優越性,但也有局限性,例如易出現光學非線性效應、吸收譜很寬、存在由於信一號光再吸收而導致的自脈動現象、較難連續運轉等。而摻Nd雙包層光纖雷射器不論在作為良好的連續雷射光源有廣泛的套用前景,而月`脈衝的Nd光纖雷射器也較易實現和控制。目前,國外報導的採用摻Nd的雙包層光纖雷射器己經獲得w級的連續雷射輸出,而國內對摻Nd3+光纖雷射器的研究還尚未很好開展。
1993年澳大利亞的M.H.Ober等人得到了脈寬為60fs,波長為1064nm的摻Nd3+光纖雷射器。1994年,美國麻省寶麗來(Polaroid,Cambridge, MA)成功研製出一種在1060nm波長處連續單橫模輸出可達到5W,斜率效率為51 %的摻Nd3+光纖雷射器。1995年德國的H. Zellmer等人通過泵浦摻Nd3+雙包層光纖在1.06nm獲得了斜率效率為25%,功率為9.5W的連續輸出。1999年奧地利成功研製了在1.095μm處重複頻率為17MHz,平均功率為68mW,脈寬為940fs的雙包層摻Nd3+光纖雷射器2003年,南開大學的樊亞仙等人用摻Nd3+雙包層光纖作為增益介質,釆用AQM調Q得到了線寬為0.08mn的穩定的雷射脈衝序列,在重複頻率為10kHz時脈寬為800ns,平均功率為180mW的雷射輸出;同年,該校的董法傑等人通過粟浦D型內包層的摻Nd3+雙包層光纖,得到了功率為1.2W,斜率效率為18.6%的雷射輸出[氣2004年,南安普頓大學的D.B. S. Sohl等人成功研製出在908-938nm可調摻Nd3+雙包層光纖雷射器,並且在926nm波長處獲得最大功率2.4W; M.Moenster等人報導了脈寬為25ps,峰值功率為4W的鎖模摻Nd3+光纖雷射器。2006年,M.Moenster和RJliew等人報導了脈寬為179fs,能量為0.1 nJ的摻Nd3+微結構光纖雷射器。2007年,P.Jelger和RLaurell報導了利用布拉格體光柵鎖模的摻Nd3+光纖雷射器,其斜率效率為51%,線寬小於0.07mn,中心波長為1066mn,最大輸出功率為166mW; 2008年,上光所的唐玉龍等人成功實現了平均功率為5W,斜率效率為10%的摻Nd3+;天津理工大的任廣軍等人將自製的皮秒鎖模雷射器作為種子源,對摻Nd3+雙包層保偏光纖進行脈衝光纖放大器的研究,獲得了脈寬為80ps,平均功率為5W的穩定輸出。2009年,法國的C61iaBartolaccil等人通過倍頻基於主振盪功率放大的摻Nd3+光纖雷射器,得到了在464nm波長處功率為308mW的單模雷射輸出,其脈衝寬度只有90ps,重複頻率41MHz。2010年,M. Murakami等人採用由沸石法製得的5cm摻Nd3+石英光纖在1062nm波長取得了10mW的雷射輸出。2011年,X.DSlen等人通過泵浦Nd:YAG單晶光纖,得到了波長為946nm,最大輸出功率為34W,斜率效率為53%的雷射輸出。
3摻Nd3+離子能級結構
摻雜離子光纖雷射器的吸收譜帶和輸出光譜特性取決於摻雜激活離子的能級結構,而Nd3+離子光纖的能級結構和固體雷射器中常用的Nds+:YAG的能級結構略有差別,造成輸出譜線也略有不同。為討論方便我們首先分析一下雷射振盪的幾種類型:(a)四能級躍遷:雷射躍遷的下能級不是增益介質基態,較易產生粒子數反轉和雷射振盪;(b)三能級躍遷:雷射躍遷的下能級為增益介質基態,由於基態粒子數較多,較難產生粒子數反轉和雷射振盪。(c)準四能級躍遷:雷射躍遷的下能級為增益介質基態產生斯塔克能級分裂效應的最上邊的能級,與三能級相比一般產生振盪時其上能級粒子數不需要多於全部粒子數的一半,所以雷射振盪的難易程度介於(a)、(b)之間。
1)Nds+:YAG的能級結構,它最主要的吸收譜帶為810nm處,而摻Nd3+光纖的吸收譜帶與其基本相同,所以都可採用輸出波長為808nln的半導體雷射器作為泵浦源。
對摻Nd3+:YAG的固體雷射器較常見的輸出波段為屬於四能級躍遷的1064nm、1319nm波段和屬於準四能級躍遷的946nm波段,它們共用一個上能級。由圖2.1可見基態粒子在808nLIn波段泵浦光作用下,先躍遷到F,然後迅速無輻射躍遷到亞穩態的雷射上能級F,最後躍遷到雷射下能級。由於能級的斯塔克分裂,導致雷射輸出譜線存在很多條,其中雷射上能級F分裂為兩個能級,雷射下能級在I,趁處分裂為6個能級,對應的輸出譜線範圍為1.052-1.1228um,在能級“19/2處分裂為5個能級,對應的輸出譜線範圍為569-946nm。
(2)摻Nd3+離子光纖的能級結構。可見其斯塔克分裂後的能級數和能級所對應的能量都與Nd3+:YAG不同,從而導致輸出譜線範圍略有區別,其中雷射上能級F雖然也分裂為兩個能級,但能量發生了改變,而輸出波段在1um附近的雷射下能級I分裂為2個能級,經計算得到其對應的輸出譜線範圍為1.047-1.095um,輸出波段在0.9um附近的雷射下能級I分裂為4個能級,經計算得到其對應的輸出譜線範圍為907-938nm。實驗中雷射振盪輸出的2088nm信號光是從11500cm到2260cm的躍遷。
其中1.06um波段的螢光相較0.9um、1.35um波段的螢光強很多,對於1.35um波段由於激發態吸收信號光效應較強,所以很難實現該波段的振盪輸出,而800nm波段屬於準四能級,可通過彎曲光纖或合理鍍膜來抑制較易振盪的1.06um波段,同時分析發現該波段存在再吸收效應從而使得雷射起振閡值增加,所以還需合理設計摻雜離子濃度。
20世紀60年代雷射器的出現,受到人們廣泛關注,目前固體雷射器己經在各方面都比較成熟,而隨後發展起來的光纖雷射器則由於具有很多優點,例如散熱效果好、體積小、可調諧、光束質量好、效率高、閉值低、可集成等而逐漸成為研究的熱點。光纖雷射器是在半導體泵浦源、光纖製造工藝等技術成熟的基礎上發展起來的,其輸出功率己不再局限於幾瓦,而是上升到kw量級,並在焊接、印刷、打標、醫療、軍事和通信等領域中得到廣泛套用。目前光纖雷射器輸出波段在455nm-3500nm之間,其中用於產生綠光波段的摻Nd3+光纖雷射器在國內不是很成熟,而綠光雷射器又在數據存儲、軍事、醫療、印刷等領域有廣泛套用。
