1摻鐿光纖雷射器發展歷史
在雷射器發明不久後，在 1961 年美國的 Snitzer 報導了世界上第一個稀土離子在玻璃中產生雷射現象，並提出了光纖雷射器方面的構想。他採用氙燈泵浦釹鋇冕玻璃介質，實現了波長為 1.06μm 的雷射輸出。
1962 年，H. W. Etzel 等人就實現了在摻 Yb玻璃中的雷射產生。在雷射發展的初期，Yb 離子並沒有得到套用，而摻釹離子（Nd）雷射介質得到了迅速的發展。後來 Yb 離子只是作為一種雷射的激活離子，與其他稀土離子共摻，以此來提高其他離子的吸收效率。
1989 年，英國Sounthampton 大學的Hanna 研究小組首次報導了摻鐿單模光纖雷射器獲得連續雷射輸出。Hanna 採用 840nm 的染料雷射器作為泵浦源，實現了4mW 的雷射輸出，相對應的其斜率效率為 15% 。同時實現了輸出雷射在1015-1140nm 範圍內可調諧。儘管當時實驗中光纖的吸收效率較低，但 Hanna 這一工作使人們認識到鐿離子的獨特優勢。
1989 年，英國電信實驗室的 J. R. Armitage 等人使用 8.6cm 的摻 Yb3+光纖作為增益介質，泵浦源採用 890nm 的 AlGaAs 半導體雷射器，實現了鐿離子三能級雷射躍遷輸出雷射，斜率效率接近40%。
隨著人們對鐿離子的關注，科學家們開始對 Yb特性進行深入研究，Yb的能級結構，基態2F7/2 和激發態2F5/2 這兩個能級族是鐿離子中參與雷射產生的主要能級。在室溫（25℃）下，由於強烈的均勻和非均 勻展寬，Yb離子在基態斯托克能級中有三個支能級，其中有兩個支能級能被分開，分別為 a、b 能級；激發態有兩個斯托克能級，其中只有一個 e 能級被分開，因此鐿離子具有連續的吸收光譜和輻射光譜。
英國南安普頓大學的 Hanna 等人利用摻 Yb石英光纖的光譜特性，採用多種泵浦方案實現了雷射器的運轉。Hanna 使用 FP 腔結構，將光纖的一端緊貼高反射率鏡，另一端利用光纖端面自身的 4%反射率構成諧振腔，使用波長900nm泵浦源，光纖長度為0.5m。最大輸出功率為15.7mW，輸出波長為 1036nm，斜率效率為 77%。 隨後，Hanna 等人使用摻Yb3+光纖還實現了在1083nm 的雷射功率放大。
該小組還發現了不同成分摻鐿石英光纖鐿離子（介於 1%和 90%比例之間）的一小部分激發態的壽命具有很小的值。這意外的行為可能是一個尚不明確的雜質或結構上的缺陷（色心）引起。它可以嚴重降低了摻鐿雷射器和放大器的性能（包括 ER/Yb共摻光纖作為通信放大器），特別是如果泵或信號波長 976 納米左右。Hanna 小組測試 Yb 離子在激發態的壽命約為 0.76ms。
此外，法國的科學家也開展了很多工作。例如：1993 年，Bayon 在首次實現了在摻鐿光纖中刻寫光纖光柵，並以光纖光柵做腔鏡，實現了雷射波長在 1020nm 的高功率（> 0.2 瓦）和高量子效率（> 80%）石英光纖雷射器，泵浦波長範圍為 850nm。2002 年，S. Magne 對摻鐿光纖的發射和吸收截面進行研究，得出實驗數據，並得出激發態壽命和自發輻射壽命。通過這些數據，建立光纖雷射器的增益模型，並且最佳化了泵浦光為 976nm 的三能級光纖雷射器的光纖長度。
2 摻Yb雙包層光纖雷射器
隨著大功率半導體雷射器以及摻雜稀土離子的雙包層光纖製作工藝的日漸成熟,光纖雷射器得到了迅速的發展。脈衝雷射輸出的光纖雷射器由於具有接近衍射極限的良好的光束質量、較高的單脈衝能量、體積小等優點,在雷射加工、光纖通信、醫療以及非線性光學等領域得到了廣泛的套用。摻Yb雙包層光纖是在1um波段獲得高功率雷射輸出的最重要的產品之一。
雙包層光纖的基本結構
1985年,南安普頓大學的Poole等用化學氣相沉積法(MCVD)製成了低損耗的摻鉺光纖,並用這種單模光纖研製了光纖雷射器,使得光纖雷射器得到了迅速地發展。
早期的光纖雷射器採用單模光纖作為增益介質,光纖由摻雜稀土元素的纖芯、包層和塗覆層組成。纖芯的折射率比包層的折射率大,滿足一定條件時,光被限制在纖芯中傳播,泵浦光和信號光在纖芯中長距離範圍內相互作用,使得光纖的增益係數很大,理論上可以得到高功率的雷射輸出。然而,利用單模光纖製作光纖雷射器,要求系浦光必須被精合到纖芯中才能被摻雜離子吸收,從而轉換為信號光輸出,這就要求果浦半導體雷射器必須是單模輸出。但是這種單模輸出的半導體雷射器價格昂貴,且難以實現高功率的雷射輸出。這就使光纖雷射器的輸出功率受到很大限制。
80年代末期,美國麻省Polaroid Corporation和南安普頓大學的研究人員發展了包層系浦光纖雷射器,不再將系浦光直接耦合到纖芯中,而是禍合到尺寸較大的內包層裡面,改變光在內包層中的傳輸特性,使光透過纖芯時能夠被摻雜離子吸收。包層泵浦技術的使用使得光纖雷射器的功率和效率大大改善,為光纖雷射器的進一步發展奠定了基礎。光纖雷射器的包層泵浦技術採用雙包層稀土摻雜的光纖作為增益介質。雙包層光纖由纖芯、內包層、外包層和塗覆層四部分組成,其纖芯的折射率最高,可保證雷射在纖芯中振盪,輸出的雷射模式由纖芯決定。內包層的折射率高於外包層的折射率,使泵浦光在內包層中傳播。光纖的塗覆層構成光纖的保護層。雙包層光纖雷射器工作時,系浦光被直接耦合到內包層中,因而泵浦效率較高。泵浦光在內包層以多模形式傳播,多次透過纖芯,從而被摻雜離子吸收,實現雙包層光纖的全長度系浦。這裡,內包層主要起到兩個作用:(1)將雷射限制在纖芯中;(2)傳導多模泵浦光,使其被纖芯吸收並轉換為雷射輸出。內包層具有較大的橫向尺寸和數值孔徑(NA)時,降低了泵浦光稱合難度,可把更大功率的系浦光導入光纖,與傳統的單包層光纖雷射器相比,大大提高了禍合效率和入纖系浦功率,從而獲得高功率的雷射輸出。通過改變內包層和外包層的折射率可以獲得較大的內包層的NA值,通常情況下,使用較低折射率的材料作外包層來提高內包層的NA值。
摻雜離子吸收的泵浦光越多,雷射器輸出的雷射功率就會越大。最初設計的雙包層光纖採用圓形的內包層,具有製作工藝簡單,容易B接等優點。但是由於內包層的圓對稱性,泵浦雷射在光纖中傳輸時,大部分光為弧矢光,不會透過纖芯,只有很少一部分12光會透過纖芯,導致摻雜離子對泵光吸收很小,輸出的雷射功率不大。這就需要改進雙包層光纖的結構和材料,使更多的泵浦光能夠通過纖芯。
為了解決這一問題人們主要採用了兩種方案。一是採用偏心法,將纖芯放置在偏離圓心的位置,使大量的弧矢光線的系浦光可以通過纖芯;二是改變內包層的幾何形狀,打破了內包層的圓對稱結構,有效地提高了雙包層光纖對系浦光的吸收效率。
3 光纖雷射器的果浦技術
雙包層光纖雷射器的主要系浦源是大功率的多模半導體雷射器。一種為Oclaro公司的帶尾纖輸出的多模帶保護半導體雷射器,輸出波長為975nm,輸出最大功率為25W,實驗中是作為種子源的系浦源。另外一種是JDSU的帶尾纖輸出的單管多模半導體雷射器,中心波長為915nm,最高輸出功率為10W,實驗中是做為放大器的泵浦源。這兩種半導體雷射器的輸出光纖尺寸均為105/125^im,NA為0.22,輸出光纖為裸纖,容易與標準光纖器件進行輝接,並且在1.06|am附近均鍍了保護膜,可以防止光纖中產生的雷射返回到泵浦源中損壞半導體雷射器。
經過幾十年的發展,光纖雷射器的包層泵浦方式主要採用端面泵浦技術、V型槽側面系浦技術、角度側面系浦精合、嵌入反射鏡式泵浦禍合、多模光纖融錐側面系浦技術以及GT--Wave光纖式泵浦技術等。其中,端面泵浦技術最為簡單,系浦光經過一個聚焦透鏡後賴合到雙包層光纖的內包層中,選擇合適的聚焦透鏡可以提高禍合效率。這種泵浦方式比較適合於實驗室使用,可以選擇正向果浦、反向錄浦或者是雙向泵浦三種方式。但是利用這種泵浦方式的光纖雷射器與其他光纖器件無法直接融合,需要通過空間耦合,因此對環境要求比較高,穩定性較差。而使用尾纖輸出的光纖器件可以有效地解決這一問題,帶有尾纖輸出的系浦半導體雷射器可以直接熔接,便於實現光纖雷射器的全光纖化,且容易與其他的光纖器件相匹配。
4 Yb離子在石英坡璃中的基本特性
1985年,南安普頓大學S.B.Poole等人成功製成了低損耗摻雜稀土離子的光纖，隨後該小組又利用摻Er光纖研製了摻鉺光纖放大器(EDFA),使光纖通信真正發展起來。在研究EDFA的同時,人們發現有很多其他的稀土摻雜離子能夠產生雷射,例如Er、Nd、Yb、Tm等摻雜離子,因此將目光轉向摻雜這些稀土離子的光纖放大器的研究,期望得到相應波長的高功率雷射輸出。在後來的研究中,人們發現摻Yb光纖具有很多優勢,利用摻Yb光纖研製的光纖雷射器具有較高的斜率效率和光光轉換效率,可以在1um波段得到高功率的雷射輸出,從而使摻Yb的光纖雷射器迅速發展起來。本論文主要研究的是利用摻Yb光纖實現高功率的脈衝雷射輸出。
與其他摻雜離子相比,摻Yb光纖具有諸多優點,首先其能級結構簡單,只有兩個多重態展開的能級:基能級2F7/2和上能級2F5/2。與氟化物材料相比,石英坡璃是Yb離子首選的基底材料,摻雜在石英坡璃中,由於石英坡璃中電場分布不均勻,Yb離子的能級會發生明顯的Stark分裂,使基級變成四個分裂能級,上能級變成三個分裂能級。兩個能級間隔較遠,約在1000cm左右,難以發生交叉地豫現象,可以有效抑制濃度淬滅效應,由於沒有更高的能級結構而沒有激發態吸收(ESA)。
與其能級結構想對應的石英光纖中的Yb離子的吸收和發射截面,Yb離子具有很寬的吸收譜線,在915nm和975nm附近有兩個吸收峰,在975nrn和1040nm附近有兩個發射峰。Yb離子在975nm處的吸收截面很高,比在915nm處約大三倍,選用975nm的半導體雷射器作為泵浦源有利於縮短腔長,但是其吸收譜很窄,受泵浦雷射波長變化影響很大,因此需要進行嚴格的溫度控制。相比之下,採用915nm輸出的半導體雷射器作為泵浦源時,泵浦波長漂移幾個納米對Yb離子的吸收影響不大,因此不需要溫度控制。
5 摻鐿增益介質
Yb 離子的能級結構很簡單，只有兩個多重態展開的能級2F7/2和2F5/2，由於 Stark 效應，2F7/2展寬成四個子能級，2F5/2則展寬成三個子能級，由於 Yb 離子的能級結構中沒有其它的上能級存在，因此在泵浦波長和雷射波長處不存在激發態吸收。正因為它的粒子損耗很小，使得雷射器在高功率運轉情況下有較高的轉換效率和較低的熱效應；而且 Stark 能級的展寬使得雷射器的增益頻寬很大(975nm~1200nm)；Yb離子的上能級壽命比較長(通常在1毫秒左右)，上述因素都有利於調 Q 技術。然而這種很小的粒子損耗同樣有它的弊端——在短波長有顯著的三能級行為。激發態2F5/2的 Stark 子能級 e 和 f 分別對應於 975nm 和 915nm 的吸收峰，而波長 915nm 的泵浦到能級 f上的粒子會快速地無輻射躍遷弛豫到能級 e 上。從能級 e 到基態2F7/2可發生兩種不同類型的雷射躍遷：
(1)三能級躍遷：雷射波長為 975nm(從 Stark 能級 e 躍遷到 Stark 能級 a)；
(2)四能級躍遷：雷射波長從1010nm 到 1200nm(從Stark 能級 e躍遷到 Stark能級 b、c、d)。
一般地，雷射器工作在三能級系統還是四能級系統與雷射波長、抽運波長及光纖長度有關。大致可以認為工作波長在 1μm 以下時，雷射系統以三能級工作，工作波長在 1μm 以上時，雷射系統以四能級工作。本文主要涉及光纖雷射器的工作波長在 1μm 以上，因此以四能級系統為模型。
在室溫下，Yb 離子的吸收截面和發射截面，吸收峰主要對應于波長 915nm(譜寬大約為 50nm)和波長 976nm(譜寬大約為10nm)，發射峰對應於三能級的 975nm(譜寬大約為 10nm)和四能級的 1036nm(譜寬大約為 50nm)。由於它的吸收譜帶較寬，使得泵浦光源的選擇具有更多的靈活性，而寬的發射譜帶利於實現很寬的波長調諧範圍和超短光脈衝的雷射輸出。還可以看出，在 975nm 處的吸收峰和發射峰重合，因此，當用 915nm 的半導體雷射器泵浦時，在 976nm 處會出現很強的放大自發輻射(ASE)效應；而用 980nm的半導體雷射器泵浦時，雖然泵浦的效率會降低，但能有效地抑制 975nm 處很強的放大自發輻射(ASE)效應；正因為 980nm 泵浦波段靠近吸收峰和發射峰，使得它的泵浦效率隨波長變化明顯。
