1、北京交通大学硕士学位论文掺铥光纤激光器的研究姓名：孙欣欣申请学位级别：硕士专业：光通信与移动通信指导教师：延凤平201012中文摘要摘要：掺铥光纤激光器可以产生2pm波段的激光，由于2m激光对人眼安全、水分子在这个波段有很强的中红外吸收峰，窗口，因此掺铥光纤激光器在激光手术、并且2“m激光处于大气光传输的低损耗空间光通信、激光雷达、光电对抗等领域有着重要的应用前景。同时，2pm波段的掺铥光纤激光器还可以作为泵浦源去泵浦其它工作物质，获得4m5pm波段的激光输出。本论文从理论和实验两个方面对掺铥光纤激光器进行了研究，主要工作如下：(1)分析了掺铥光纤激光器各个组成部分。主要包括双包层光纤的结构特
2、性、双包层光纤的吸收效率、谐振腔结构以及泵浦耦合技术。(2)研究了Tm3+离子能级结构的特点，在此基础上对2Hm掺铥光纤激光器的三种泵浦方案(3H6lF4、3H6_3H5、3H6_3H4)的泵浦过程进行了分析。采用速率方程的稳态分析方法建立了3H6_3H4泵浦方案的理论模型，并利用Matlab对该模型进行了数值模拟。着重分析了泵浦光沿光纤长度方向上的分布情况，以及前、后腔镜反射率和掺杂浓度对激光器输出功率的影响。(3)利用实验室现有条件搭建了793rm激光泵浦下的掺铥光纤激光器系统。完成了泵浦源输出功率的测试和掺铥光纤激光器输出光谱的测试，并对实验结果进行了分析。关键词：光纤激光器；掺铥光纤；
3、速率方程分类号：TN248AB STRACTABSTRACT：111ulium-doped 6ber l粥er c锄launch l嬲er at t11c waVelengm of 2肛m2pm is inle mgc of eye-safe waveleIlgm，water molecules have a sn0ng midiIlmm耐abso巾tion peak at mat waveleIlgm，alld 2“m is ill nle lowloss optical仃allsmissiona恤osph耐c window，so血llli啪-doped助er laser h蠲iII】岬rt
4、ant印plicatioIls in me缸eld of laSer驯rg饼y，sapce optical commuIlications，laSer radar aIld photoelectriccount朗neasurcsBesides，mllliumdoped舳er lascr c粕be used鹪a pump source t0pllInp other work materials趾d伍lally promlces l嬲er w量lich waVelengtll is from 4Hm t05pmh11is p印we咖dy me tbllli啪-doped舶ef l弱贫血吼廿1e0鲥
5、cal趾deXp甜mentalThe II础l rese疵h work i11 tbis paper鹊follows：(1)The basic me0巧andle s咖cture ofmemlium-d叩ed砧er laser is researchedWe discuSs me s仃ucture and abso巾tion e伍cieIlcy of doubleclad丘btlle cavity andme C0upling te6hnolog弦(2)Study on吐le Charact耐Stic of me eIl锄gy 1cvd s缸ucture ofmlium，锄d孤alysistt
6、le plmlping process of tllrkinds of pmnp scheme of muli啪一doped 6bcrl嬲呱3H6_3F4、3H6_3H5、3H63H4)Study on1e 3H6_3H4 pump sch锄e of me廿】uli啪-doped fmer l嬲er by啪retically analyziIlg it wim the rate equatio玛t11en buildt11e mattl锄atical model of mis plmlp sChemeSiIImlate tlle ck吡耐erstics of themli啪一doped丘bcr
7、 laser uIlder。H6一H4 pump scheme using Matlab，AnalySis nlep啪p powcr distrib妇0n along也e矗b廿1e relatioIlsllip bet傥n coupler couplingmtion懿well嬲me dopiIlg conc锄仃ation aIld the o州powe(3)Build tlle syst锄of舢lillIndoped舶er l嬲er廿lat lls啦793IllIl pnp sou耽under t11e cI】I仃即t condition of laborato彤Complete me cru
8、印ut power test of the pmnpsourCe，me test of l嬲er Spec咖，and aIlalysis me exp咖ent phenomeIlon1YWoRDS：Fiber L舔er；11mlium-doped Fiber；Rate EquationCLASSNo：TN248致谢本论文的工作是在我的导师延风平教授的悉心指导下完成的，延风平教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来延老师对我的关心和指导。延凤平教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向延老师表示衷心的谢意。在实验
9、室工作及撰写论文期间，李琦、刘鹏、张蕙峰等同学对我论文中的实验和仿真研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。1引言光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，与传统激光器相比，光纤激光器具有效率高、光束质量好、体积紧凑、易于集成、抗干扰能力强、散热性好等优点。近年来，光纤激光器的输出功率得到很大提高，已经在材料处理、医疗、激光测距等许多领域有了重要的应用。其中以掺铥光纤为增益介质的掺铥光纤激光器以其在2“m波段的重要地位，已在医疗、激光遥感、激光测距、光谱分析、空间光通信和军事等方面凸显优势，成为相关领域的研
10、究热点。本章介绍了掺铥光纤激光器的研究背景和意义、特点和应用以及国内外研究进展，最后对论文主要内容进行了概述。11研究背景和意义铥元素是元素周期表中第69号元素，具有丰富的能级结构。掺Tm”光纤激光器输出的2m波段位于人眼安全波长区且处于大气光传输的低损耗窗口，在医疗和军事等领域非常具有吸引力，已经成为2m波长区域的研究热点。然而国内目前研究掺铥光纤激光器和掺铥光纤的科研院所还很少，研究也仅处于起步阶段。虽然近两年，北京交通大学、上海光机所等研究机构也自主研制出掺铥光纤，但光纤的质量不太好，高质量的掺铥光纤几乎全部依靠进口，其价格十分昂贵，这极大限制了国内对掺铥光纤激光器的研究【I】。高功率掺
11、铥光纤激光器系统的研究，对推动我国激光在军用领域的发展，具有重要的战略意义，而在此方面的研究，国内目前最高输出功率是华中科技大学和深圳大学报道的61w，远远落后于国外，要赶上世界先进水平，还有很长的路要走。本论文通过理论和实验两方面的研究，掌握了掺铥光纤及其激光器的相关特性，为后续课题研究中通过设置相关参数实现对掺铥光纤激光器性能的优化，以及为高性能掺铥光纤激光器的研制奠定基础。12掺铥光纤激光器的特点和应用激光产生的基本条件可归纳为：形成粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件。因而激光器通常由激光工作介质(增益介质)、泵浦源、光学谐振腔组成。光纤激光器的基本结构如图11所示，虽然与其
12、他类型的激光器在形态、材料以及内部构造等方面大相径庭，但其基本工作原理相同，都是由泵浦源、增益介质和谐振腔三部分构成。光纤激光器一般选用大功率的LD二极管阵列作为泵浦源。光纤激光器的增益介质为掺杂光纤，掺杂光纤放置在两个反射率经过选择和设计的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的前腔镜耦合进入掺杂光纤。这里的谐振腔由两个二色镜构成，可以直接在光纤端面上镀膜，另外也可以采用光纤光栅或者定向耦合器的方式构成谐振腔。为了充分利用泵浦光，获得高功率的激光输出，要求前腔镜对泵浦光高透低反，而对信号光高反，后腔镜对泵浦光高反，而对信号光部分透过，但实际上，由于后腔镜很难同时满足对激光和泵浦光的透射和反射要求，不可
13、避免的会有少量泵浦光从后腔镜输出【ZJ。掺杂光纤泵浦光 激光腔镜1 腔镜2图11光纤激光器结构不意图Fig11 Schemadc diag阳m of tlle fber l勰er configI】mtion光纤激光器的工作原理为：泵浦光通过掺杂光纤时，就会被光纤纤芯中的稀土离子所吸收，吸收了光子能量的稀土离子就会跃迁到激光上能级，在形成激光的上下两个能级之间形成粒子数反转。反转后的粒子数又以自发辐射或者受激辐射等形式跃迁到激光下能级，并且释放光子，当加入反馈回路(构成谐振腔)便会形成激光振荡，并输出激光。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，比起目前其他类型的激光器，无论在效率、体积、冷却和光束
14、质量等方面均具有无可比拟的优势。主要表现在：(1)结构简单，体积小巧，使用灵活方便。光纤激光器的泵浦源采用体积小巧易于模块化的高功率半导体激光器，并利用光纤本身作为增益介质，由于光纤柔软，几乎可以弯曲成任意形状。(2)输出光束质量好。光纤激光器光束质量是由纤芯的波导结构(纤芯直径d和数值孔径NA)决定，不会因热变形而变化，易于实现高光束质量的激光输出。(3)易于实现高效率和高功率。就双包层光纤激光器而言，由于双包层光纤内包层的横截面尺寸和数值孔径(NA)都比较大，高功率多模泵浦光很容易高效地耦合进入内包层，通过选择合理的内包层形状和参数，可以使大量泵浦光被纤芯吸收，进而实现高效率、高功率的激光
15、输出【2】。2(4)散热性能好。光纤激光器采用掺杂光纤本身作为增益介质，掺杂光纤表面积体积比很大，因而散热性能好。掺铥光纤激光器作为光纤激光器的一种，不仅继承了光纤激光器上述优点，而且铥离子丰富的能级结构和光谱特性决定了掺铥光纤激光器在2肚m波段光纤激光器研究领域的重要地位【31。由于水分子在2“m波段的激光附近有很强的中红外吸收峰，因此，利用该波段的激光器进行手术时，激光照射部位血液会迅速凝固，手术创面小，止血性好，加上该波段激光对人眼是安全的，所以2“m掺铥光纤激光器在医疗和生物学研究方面具有广泛的应用前景。掺铥光纤激光器集CO，激光器现有特性、Nd：YAG激光器的止血效果、以及Ho：YA
16、G激光器损失组织小的特性于一身，在医疗上的主要应用有：在眼科手术中，高功率掺铥光纤激光器能使角膜成形手术成功率很高，同时还可以治疗近视、远视等眼科疾病；在整形美容手术中，高功率2pm激光在治疗皮肤癌和去纹身方面已取得了良好效果；在心血管手术中，利用光纤的柔韧性和光纤激光器光束质量好的特点，可以使光纤很方便地进入人体内排除肿瘤和各种淤积物【4】。另外2pm激光正好处于大气光传输的低损耗窗口，因此掺铥光纤激光器在遥感和光通信方面也有着很好的应用前景，是激光测距机、相干多普勒测风雷达、激光雷达系统等的理想光源【5】。13掺铥光纤激光器的国内外研究进展铥离子具有非常丰富的能级结构，在石英光纤中存在几个
17、吸收波段，针对不同的吸收波段可以采用不同的光源泵浦掺铥光纤。这些光源主要包括：O78Llm10m LD抽运Tm3+的3H4能级，1064m和1319肛m掺Yb”光纤激光器和Nd：YAG激光器抽运1m”的3H5能级，164“m的色心激光器与157pm掺铒光纤激光器抽运TIn3+的3F4能级。20世纪80年代末和90年代初，掺铥光纤激光器连续波输出功率已经达到毫瓦到瓦量级【61。但是由于当时掺铥光纤采用的是单模光纤，加上泵浦光源大多为小功率输出的激光二极管和染料激光器，这些都使得光纤激光器输出功率的提高受到极大限制。90年代中期以后，随着包层泵浦技术的出现和发展，掺铥光纤激光器的输出功率有了极大的
18、提高，从单包层掺铥光纤激光器连续波输出毫瓦量级发展到双包层掺铥光纤激光器百瓦量级的输出。1998年，SturdDJackson等报道了用波长79011IIl二极管激光阵列作为泵浦源，采用双通泵浦的结构，获得的输出功率达到54w，斜率效率3l【7】。2000年，英国南安普顿大学的RAHayward等人报道了用787胁激光二极管泵浦掺铥双包层光纤，激光器输出功率高达14w，斜率效率达到46【81。2001年，东京大学基于单包层环形腔光纤激光器技术，将掺Tm3+光纤的输出端磨成450放在输入端，实现了双包层环形腔115w的连续波输出【9】。2002年，英国南安普顿大学的WAClarkson等报道了用
19、两个光束成形和偏振耦合宽条激光二极管作为泵浦源，采用外腔衍射光栅作为调谐元件，实现了18602090Ilm的可调谐运转，获得了7w的1940nm的激光输出【lo】。2005年澳大利亚FRllH等人用793nm激光二极管作为泵浦源抽运掺铥氟硅酸盐光纤，在入纤功率为160w时得到了85w的激光输出【11】。2007年，Evgu饥i s10bodtcllikov等报道了利用793衄二极管双端泵浦掺铥石英光纤激光器，输出功率高达263“12】。国内关于掺铥光纤激光器的研究，尽管起步比较晚，基础相对薄弱，但是近年来也有了长足进步，并取得了不小的成绩。2004年，西安光机所董淑福等人报道了在1mHo共掺石
20、英光纤激光器的研究成果。实验采用了中心波长为796nm、最大功率可达2w的圆对称单模激光去泵浦共掺单模光纤，获得了功率为240I删的1870nm的高性能单模激光【”】。2007年，中科院上海光机所唐玉龙等人报道了自行研制的重掺杂短长度瓦特量级输出的掺铥光纤激光器，泵浦光波长790nm，在2“m波段附近最大输出功率为109w，斜率效率达到96【141。2008年华中科技大学和深圳大学的杜戈果等人报道了采用包层泵浦的掺铥光纤激光器，在泵浦功率为30w时，获得了61w的2pm激光输出功率，斜率效率高达556【15】。除了对单掺Tm”光纤激光器进行了大量研究外，采用Tm”与其它稀土元素共掺的光纤激光器
21、也有很多的报道。双掺Tm”光纤激光器研究最多最早的是Tm：Ho共掺激光器【16171。1m：Ho共掺光纤激光器主要是利用1m3+的3F4能级敏化H03+的517能级获得2“m的激光输出，从而解决了直接泵浦Ho”难以找到合适泵浦源的问题，能级图如图12所示。另外掺铥光纤中通常共掺m3+，灿3+的掺入减少了Tm”团簇的形成，有利于进一步提高TIn3+的掺杂浓度。悉尼大学光学光纤技术中心SDJackson研究发现1m”：舢3+浓度比为9：1时可获得较高的效率【18】。H03+517m518图12 1m3+和H03+能量传输能级图F培12 Encf薹；)，leVel diagram ofTm3+aIl
22、d H03+eneIj盯衄ns衙process414本文主要工作论文从理论和实验两个方面对掺铥光纤激光器进行了研究。论文的主要内容如下： 第一章引言部分，介绍课题研究的背景和意义，阐述了掺Tm3+光纤激光器的结构、特点、应用及国内外研究进展，最后对论文的主要工作进行了概述。 第二章介绍了掺Tm3+光纤激光器的各个组成部分，主要包括双包层光纤的基本结构和工作原理、双包层光纤的基质材料、光纤掺杂浓度、双包层光纤的吸收效率、谐振腔类型和泵浦耦合方式。第三章从Tln3+能级结构出发，介绍分析了掺Tm3+光纤激光器的三种泵浦方式(3H63F4、3H6-3H5、3H60H4)，利用速率方程的稳态分析方法建
23、立了3H6-3H4泵浦方案所对应的理论模型，并在Matlab仿真环境下对该理论模型进行模拟仿真，根据仿真结果，对泵浦光功率沿光纤长度方向上的分布，前、后腔镜反射率和掺杂浓度对激光输出功率的影响进行了分析。 第四章对掺Tm3+光纤激光器进行实验研究，完成了793nm泵浦源输出功率的测试，并在此基础上连入掺1m3+光纤进行了掺1m3+光纤激光器输出光谱的测试。第五章对本论文所做研究工作和尚待解决的问题进行了总结和展望。2掺铥光纤激光器的基本理论本章从掺铥光纤激光器的组成部分出发，共分三节介绍掺铥光纤激光器的基本理论，包括双包层光纤的结构特性、基质材料、掺杂浓度、光纤吸收效率、常用谐振腔类型和泵浦耦
24、合方式。21 增益介质增益介质是产生激光的三个基本条件之一，增益介质是激光器的心脏，它的物理性质由基质材料决定，光谱性质由激活离子的能级结构决定。光纤激光器采用掺杂光纤作为增益介质，通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子(Nd3+、H03+、E一、Tm3+、Yb3+)，依据掺杂离子特性的不同，而获得不同波段的激光输出。最初光纤激光器增益介质采用的是单模光纤，由于单模光纤的纤芯很细，高功率的多模泵浦光很难有效耦合进入纤芯，导致激光器的输出功率很低，光纤激光器一度被误认为是低功率、没有多大应用价值的激光器。1988年，美国宝丽莱公司的SIlitzer等人首次报道了由独特双包层结构的掺杂光纤构成的掺
25、Nd3+双包层光纤激光器【19】。双包层光纤的提出，解决了光纤激光器由于采用单模光纤所导致的低泵浦光耦合效率和低激光输出功率的问题，使得光纤激光器的研究重新成为热点，同时也使得光纤激光器的应用范围更加的广泛。211 双包层光纤的结构特性双包层光纤(DCFDoubleClad Fiber)是一种具有特殊结构的光纤，由纤芯、内包层、外包层和保护层四部分组成。其中纤芯由掺有稀土元素的Siq构成，作为激光的传输通道；内包层由折射率比纤芯小的纯SiD构成，使得产生的激光能够被限制在纤芯内传播，由于要作为多模泵浦光的传输通道，通常要求内包层具有大的几何尺寸和大的数值孔径(NA)；外包层是由折射率比内包层小
26、的聚合物材料构成，使得泵浦光能够被限制在内包层内传播；最外层的保护层，一般选用折射率高于外包层折射率的涂料，这样可以将外包层内的传输光尽快泄漏掉，以免对光纤造成热损耗，另外保护层具有较高的杨氏模量，可以对光纤起到机械保护作用。图21为双包层光纤的结构示意图。6泵浦光纤芯、 、l f、 yL，-y、。7、，、 峨j k激光I外包层图21双包层光纤结构示意图F远21 Sch锄atic di唧m of double-clad丘ber双包层光纤激光器产生激光的原理是：耦合进入内包层的高功率多模泵浦光在内包层中传输过程中不断穿过纤芯，被纤芯中的稀土离子吸收，吸收了光子能量的稀土离子跃迁到上能级，形成激光
27、的上下两个能级之间形成粒子数反转，反转后的粒子数又以自发辐射或者受激辐射等形式跃迁到激光下能级并释放光子，当加入反馈回路(构成谐振腔)便会形成激光振荡，并输出激光。双包层光纤结构由于可以传输多模泵浦光，因此泵浦源可以选用大功率的多模半导体激光器列阵；另外内包层具有大的几何尺寸和大的数值孔径，增大了泵浦光的接收面积，大大提高了泵浦耦合效率，使得光纤激光器的输出功率提高了几个数量级。212基质材料虽然双包层光纤激光器的激光特性主要是由掺杂离子决定的，但是作为掺杂离子掺杂基础的光纤基质，其对激光的光学特性有着重要的影响，主要表现在引起Stark分裂和能级加宽【2UJ。光纤激光器采用稀土离子作为增益介
28、质，要求基质材料具有小的散射损耗，在应用中基质材料都是晶体材料和各种玻璃材料。其中晶体材料具有良好的热传导性，且稀土离子光谱有窄的高尖峰截面积，但是稀土离子会受到晶体晶格等的限制。玻璃基质材料的优点是种类繁多，且稀土离子在玻璃基质里具有宽的吸收和发射光谱。目前，掺铥光纤激光器所采用的基质材料主要是氟化物玻璃和石英玻璃。氟化物玻璃是一种性能优良的光学玻璃，具有较低声子能量(590 cIIl。1)、易于拉制成纤、稀土离子容易掺杂到氟化物玻璃中等优点，但其缺点是化学稳定性差、与常规光纤熔接困难、且制备工艺复杂。石英玻璃具有高的声子能量(1150锄-1)，泵浦效率较高，量子效率较低，但由于其物理性能优
29、良，易于加工，且容易与标准传输光纤熔接等优点，仍有很好的研究价值和发展前景。7从理论上讲，知道了稀土离子的种类和所掺杂的基质材料的光学特性，就可以预计出采用该材料作为增加介质的光纤激光器的一些基本特性。最基本的信息就是该增益介质的吸收和荧光光谱，从这些信息就可以基本知道所要采用的泵浦源的波长和输出激光的波长。早在19世纪60年代初期，人们就对TIn”在晶体基质和玻璃基质中的光谱特性有了很好的了解。图22【18】所示为Tm3+在ZBLAN玻璃基质中的吸收光谱图，图中箭头表明了激发Tm3+的常用波长。目前已实现了790衄、1200衄、1600nm波长对Tm“的有效泵浦，获得了2岬左右波长的激光输出
30、。213掺杂浓度W舢嘲剞l舯掰n图22 1m3+吸收光谱图Fig22 A脚石0n spectrI髓oflm3+Tm3+的掺杂浓度不仅影响光纤激光器的效率，而且一定程度上影响光纤激光器输出激光的中心波长。若掺杂浓度过低，在掺杂离子总有效数低于入射光子的区域，处于基态的离子有可能被耗尽倒空，增益作用将被终止；而采用纤芯高掺杂浓度的光纤，可以有效缩短激光器的掺杂光纤长度，减弱基质材料对激光的吸收损耗，又可以使Tm”能级之间的交叉驰豫过程得到加强，从而提高激光器的量子效率。光纤掺杂浓度由光纤的制备过程决定，目前掺稀土元素石英光纤的制备一般是基于普通石英光纤的制作工艺如MCVD、锄I等，结合稀土离子掺入
31、光纤纤芯的不同方法如溶液掺杂、气相掺杂、气溶胶等。溶液掺杂法开发比较早，最早是被Stone J和B1lmls C A【2l】在制作掺Nd石英光纤时使用的。MCVD工艺结合溶液掺杂技术是目前国内普遍采用稀土掺杂双包层光纤的制备方法，其特点是对光纤制备设备无特殊要求，对稀土离子的通用性较好，且可方便共掺多种离子，制备过程中各参数易于控制，重复性好。这种传统工艺的大致流程图如图23所示。图23 MC工艺结合溶液掺杂法流程图Fig23 Pmc鼯s of m籼fktu舳e娼璐ing MCVD丽m doping sohltion metllod上述光纤制备过程对光纤掺杂浓度起决定作用的两个阶段是：疏松层的
32、制备和溶液掺杂。两阶段中疏松层沉积温度，疏松层浸泡时间，溶液掺杂离子浓度等是具体影响掺杂浓度的因素。低的沉积温度，会使沉积的疏松层很薄；而高的沉积温度，会使沉积的疏松层很致密，两种情况都会使掺杂离子的吸附量减小，导致光纤掺杂浓度的降低【221。在一定时间内，纤芯掺杂浓度会随着疏松层浸泡时间的增加而增加，太长的浸泡时间反而容易造成疏松层的脱落。通过对掺铥光纤制作过程的控制，可以获得高的掺杂浓度，但是过高的掺杂浓度容易使Tm3+形成离子团簇，增加上转换损耗，降低光纤激光器的效率。因此为了降低Tm”团簇的形成，提高TIn3+的掺杂浓度，溶液中往往共掺一定比例砧抖。据国内有关资料分析，对于掺稀土离子的
33、光纤而言，稀土离子在光纤基质材料中的掺杂浓度，并非越高越好，而是存在一个最佳掺杂浓度【20】。214双包层光纤的吸收效率双包层光纤吸收效率是光纤激光器输出功率的重要影响因素。而双包层光纤吸收效率又受到内包层形状和尺寸、纤芯掺杂离子浓度、纤芯直径、光纤弯曲以及外包层的背底损耗等因素的影响。1内包层形状和尺寸9作为泵浦光传输通道的双包层光纤的内包层，其形状和尺寸是吸收效率最重要的影响因素。研究发现，不同内包层形状的双包层光纤的吸收效率差别较大【2引。最早提出和采用的光纤内包层形状是圆对称的，它的优点是制作工艺相对简单，且无需对预制棒做机械加工，同时圆形的内包层很方便与半导体激光器的尾纤连接。但是由
34、于其对称性使得内包层中大量的泵浦光成为螺旋光，在传输过程中不经过纤芯，从而大大降低了纤芯对泵浦光的吸收效率，吸收效率仅为10。为了提高对泵浦光的利用效率，近年来人们开发出了多种内包层截面形状的双包层光纤，典型的内包层形状有：偏心圆形，矩形，六边形，D形，梅花形等，如图24所示。图24不同内包层形状示意图Fig24 Schemanc di弛即吼of di伍。rent i仰盯claddings偏心形内包层形状是在保证圆形内包层形状前提下，将掺杂纤芯偏离中心。矩形，D型，六边形，梅花形是在圆对称光纤的基础上，对其内包层进行加工，剖磨而成的。相对于圆形内包层光纤，其他几个形状的双包层光纤破坏了泵浦光在
35、圆形内包层中的螺旋光的传播，使得泵浦光在有限的距离内更充分的经过纤芯而被掺杂离子吸收，从而对泵浦光的吸收效率获得了大大的提高，但对应不同的内包层形状，吸收效率又有所不同。目前能够定量分析双包层光纤泵浦吸收效率的模型和方法有：射线追踪法、波动混沌模型、功率耦合模型、近似镜像法等。其中射线追踪法基于几何光学理论，以其易于理解等优势仍备受关注。对几种不同内包层形状光纤的吸收效率的研究发现，偏心结构存在50的螺旋光，D形内包层的吸收效率可达80以上，矩形内包层结构的吸收效率理论上可达lOO。在相同条件下，梅花形、六边形和D形三种内包层形状具有几乎相同的泵浦吸收特性【24乃】。实验研究方面，可以通过采用
36、截断法测试泵浦光在内包层的有效吸收系数的同时，定性分析内包层结构对抽运光吸收效率的影响，为光纤激光器的设计提供依据。截断法测试双包层光纤吸收系数的实验结构如图25所示【26】。需要注意的是实验中参考光纤须采用多模光纤。lOreference doublecladfiber pumped fiberzf-l 弓Iight reception图25截断法测双包层光纤吸收系数实验结构图Fig25 Schematic of p咖叩abso巾tion coe伍ci饥ts m跚黝ent s酏lp双包层光纤的吸收系数可以表示为：一等。g揣 亿，通过这种测试方法不仅可以确定包层抽运光纤的内包层吸收系数，为研制
37、光纤激光器提供可靠的数据；同时，可以通过这种方法测试分析各种不同内包层结构的包层抽运稀土掺杂光纤的吸收效率，进而选择最佳的内包层结构。非圆形内包层形状的采用虽然提高了双包层光纤的吸收效率，但是其加工难度较大，且不同内包层形状光纤熔接时会有较大的熔接损耗。因此在实际应用中，需要综合考虑加工难易程度等因素，选择合适的内包层形状使得双包层光纤有较高的吸收效率。D形内包层与矩形和偏芯内包层相比，具有较高的吸收效率并且具有低的制作难度，因此在高功率光纤激光器中有着广泛的使用。研究发现，在其它条件一定的情况下，光纤的吸收效率会随着内包层直径的增大而下斟261。所以可以考虑通过减小内包层的面积来提高光纤的吸
38、收效率，但是内包层作为大功率泵浦光的传输通道，要求具有足够大的尺寸以保证泵浦光有更大的耦合效率，即内包层的尺寸不能过小，过小反而会不利于吸收效率的提高【2刀o2纤芯掺杂浓度纤芯掺杂浓度对吸收效率的影响，主要是由于其决定了纤芯吸收系数的大小。而抽运光与纤芯的重叠积分因子和纤芯的吸收系数又直接决定了内包层的有效吸收系数，即口。lad=口一r，r=sG+s)，其中r为抽运光与纤芯的重叠积分因子，为纤芯的抽运光吸收系数，s为纤芯面积，s为内包层面积【28411。所以掺杂浓度越高，纤芯吸收系数越高，光纤吸收效率也就越高。然而纤芯掺杂浓度并非越高越好，原因我们已经在213节进行了阐述。3纤芯直径研究发现，
39、在光纤其他参数一定的情况下，光纤的吸收效率会随着纤芯直径的增加而增大【231。由于光纤激光器要保证单模激光输出，因此可以在满足单模传输条件(22)下，通过设计折射率剖面结构，尽量减小纤芯数值孔径，从而适量增加纤芯直径，实现大模场面积(LMA)单模输出【321。V=竺竺NA2405 (22)五其中a为纤芯半径，五为激光波长，数值孔径NA=h2一万22)，l。为纤芯的折射率、疗，为内包层的折射率。纤芯面积的增大一方面提高了光纤对泵浦光吸收效率，另一方面，纤芯和内包层横截面积比的增加，使得采用短的光纤实现高功率激光输出成为可能。但是由于光纤材料本身的限制，纤芯的数值孔径不可能很小。采用MCVD工艺结
40、合溶液掺杂法制备光纤的过程中，主要是通过调整SiCl。、GeCl。等原料的流量大小和配比以及沉积层数来调整纤芯的数值孔径和直径。4光纤弯曲研究发现，光纤的弯曲会提高圆对称内包层光纤和六边形内包层光纤的吸收效率【23331。光纤的弯曲，改变了光线的传输路径，使得更多的泵浦光能被纤芯吸收，从而提高泵浦吸收效率，但需要注意的是过度的弯曲，会造成很大的光纤损耗，反而得不偿失。5外包层的背底损耗外包层的背底损耗是泵浦光在内包层中损耗的主要原因，为了获得较高的吸收效率，要尽可能的减小外包层的背底损耗341。22谐振腔结构谐振腔是光纤激光器的重要组成部分，其在光纤激光器产生激光过程中的主要作用为：一是提供正
41、反馈，使激活介质中产生的辐射能多次通过介质，当受激辐射所提供的增益超过腔内损耗时，就可以形成稳定的光振荡，输出功率稳定的激光；二是控制腔内振荡光束的特性，改善输出激光质量。谐振腔有多种结构，其中常见的是Fab驴Perot腔和环形腔。221 Fab驴Perot腔Fabrv-Perot腔(FP腔)是一种比较简单且容易实现的谐振腔结构，其结构如图26所示。Fab耻Perot腔由两个平行放置的反射率经过选择的介质镜M1，M2组成。两个介质镜可以放置在光纤两端，也可以直接镀在光纤的端面上。若腔镜直接放置在光纤两端，为了避免光束产生散射损耗，要求腔镜必须紧贴在光纤端面上并与光纤的轴线垂直。一般情况下，将光
42、纤端面与腔镜之间的夹角控制在10内即可，若腔镜或者光纤端面稍有倾斜，都会造成散射损耗的迅速增大。因此将介12质镜直接放置在光纤两端来构成谐振腔的方法有很大的调整难度，并且需要采取防震措施，不利于激光器的实用化。将介质镜直接镀在光纤两端面的方法，克服直接将介质镜放置在光纤两端方法的上述缺点，但它对光纤端面的光学质量要求比较高，光纤端面需要抛光性能好且没有细微缺陷；另外，当高功率密度的泵浦光通过采用此方法构成的谐振腔的端面腔镜时，会损坏端面腔镜的绝缘镀层，进而降低激光器的性能。双包层光纤泵浦光 激光Ml M2图26 Fab驴Perot谐振腔结构不恿图Fig26 S仃uctIlral diag舳of
43、 F a_bry-Perot caV毋为了克服上述方法中泵浦光对腔镜的损坏的缺点，利用光纤Bragg光栅(FBG)代替腔镜构成谐振腔，结构示意图如图27所示。可以将FBG直接刻在腔内的光纤上或将刻好的FBG熔结在腔内光纤上，这样就可以将泵浦源的尾纤经锥形光纤与增益光纤有机地熔接为一体，避免了利用介质镜提供激光反馈带来的困难和损耗，降低了光纤激光器的阈值，提高了输出激光的斜率效率。光纤光栅对于光纤激光器腔型的改进具有非常重要的意义，利用光纤光栅构成的全光纤化激光器在结构上非常稳定、紧凑，一旦完成后不需要特殊的调节，有利于实用化；并且光纤光栅可以具有非常窄的反射谱，有利于实现激光器的窄线宽输出；另
44、外通过调节光纤光栅的应力、温度，改变光纤光栅的周期，就可以方便地对光纤激光器进行调谐。对光纤光栅基本的介绍见223小节。双包层光纤泵浦光-一激光l_图27光纤光栅线性腔结构示意图Fig27 S仇lctIlral diagram of the肋cr即【血g lineary c撕t)，222环形腔环形腔也是激光器中经常用到的一种谐振腔，该结构的优点在于不需要介质镜即可构成全光纤谐振腔。最简单的设计是将WDM耦合器的两个臂(图中的3点、4点)连接起来形成一个连着掺杂光纤的环形腔。耦合器的起到了“介质镜“的反馈作用，并形成了环形谐振腔，腔的精细度与耦合器的分束比有关。图28光纤环谐振腔结构示意图Fig
45、28 Sturctural diag姗of syntonic cavit)，of the fIber loop利用环形腔构成的环形腔激光器，如图29所示：将WDM耦合器的两端连接在一起形成了环形腔，环内串接着掺杂光纤，环内插入了隔离器(ISo)以保证激光的单向运转，如果掺杂光纤为非保偏的普通光纤，还需要使用偏振控制器(PC)，以消除偏振模竞争【l】。Doped肋盯pumpou_cput图29环形腔激光器结构示意图Fig29 SnmctIlral diagr锄of fmer 1aser诵nl loop cavi哆综合分析上述两种常见谐振腔，FP腔虽然具有较大端面损耗、一体化、集成化程度低等劣势，
46、但其是一种较为简单、容易实现的谐振腔，目前在高功率双包层光纤激光器中有着广泛的应用；环形腔虽然具有不存在端面损耗，且有更好的阈值特性等优势，但由于双包层光纤的wDM和3dB等非常规耦合器的制作难度较大，因而环形腔在高功率双包层光纤激光器中的应用还很少【351。除了FP腔和环形腔外，光纤激光器还可以采用其它结构的谐振腔，如8字14型谐振腔等，在此不再介绍。在实际应用中，应综合考虑光纤激光器性能的具体要求和现有技术条件，选择和设计合适的谐振腔结构。223光纤光栅光纤Braj陷光栅(FBG)如图210所示，是一段纤芯折射率沿轴向周期性变化的光纤。由于周期性折射率的扰动仅会对较窄的一段光谱产生影响，因
47、此，当宽带光波经过光栅时，特定波长的入射光被反射回来，其余的入射光几乎全部透射。这样光纤光栅实际上就起到了光波选择反射镜的作用，根据耦合摸理论，当宽带光在FBG中传输时，就会产生模式耦合，满足反射条件(23)的光被反射：九=2neff人 (23)式中neff为光纤芯区的有效折射率，人为光栅周期，厶为反射中心波长【351。输入信号反射信号传输信号光纤纤芯图210FBG结构示意图Fig21 0 Sch黝tic diagram of FBG s觚瞄u把均匀光纤Bragg光栅的基本特性是以Bragg波长为中心的窄带光学滤波器，具有优异的选频作用。通过增加纤芯有效折射率或者在适当的长度上写入尽量多的光栅
48、条纹数，可使反射带宽变窄。因此，在采用光纤光栅作为谐振腔的光纤激光器，能容易地得到FwHM窄、功率高并且噪声低的激光输出。目前人们已经发展了多种有效的光纤光栅制作方法，如驻波干涉法，全息相干法、相位掩模法、点点写入法等。这里介绍常用的全息法和相位掩模法。全息相干写入法如图211所永36，3738】是利用一个分束器把一束紫外激光分成两束，再用反射镜把两束光进行干涉，形成光纤光栅。设在两光束的重叠处，两束光之间的夹角为2秒，紫外光的波长为五，由物理光学的原理可知，光栅周期人为：肚 (24)2咖口 、。由(23)和(24)式可见，通过调节角度9，就可以调节布拉格光栅的周期，进而可以控制光纤光栅的布拉
49、格波长厶。这种方法优点是可以根据需要的中心反射波长刻写相应周期的布拉格光栅，但它对光源的空间相干性和时间相干性都有很高的要求；另外，要得到准确的布拉格中心反射波长，对光路调整的要求很苛刻，p稍有偏差，中心波长就会有很大的偏离。紫外反射镜反射镜 光纤图21l全息相干法制作光纤光栅示意图Fig21l Sch锄atic diag姗of fomlating Bragg刚ings by劬msVe璐e holo铲叩Kc memod相位掩模写入法是1993年由KOHill等人提出的，利用相位掩模板制作光栅的方法【391，其原理如图212所示。相位掩模板是用光刻蚀技术，在硅质玻璃上刻出的表面凹凸不平的矩形周期性的条纹，具有压制零级，增加一级的功能。当紫外激光束曝光相位掩模板时，光纤光栅便
