1、激光原理及应用学校：红河学院学院：理学院专业：10 物理学姓名：朱云仙学号：201002050203指导教师：杨瑞东摘要光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。关键词：光纤激光器；应用扩展；基本原理abstractFiber laser as a light source in the field of optical communication has been widely used, and
2、 as the dual-protection layer of high-power fiber lasers appear, its application is toward to the laser processing, laser ranging, laser radar, laser art of imaging, security and bio-medical laser rapid expansion of a wider area. The following article outlines the principles of fiber lasers, charact
3、eristics, applications and prospects for development.Keywords: fiber laser applications development prospects.引言所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964 年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987 年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器（EDFA）的可行性。它采用半导体激
4、光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，这种 EDFA 已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯（一般直径小于 10um） ，要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模 EDFA 难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。为了提高功率，1988 年左右有人提出光泵由包层进入。初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形内包层的出现，使激光转换效率提高到 50%，输出功率达到 5 瓦。 1999 年用四个 45 瓦的半导体激光器从两端泵浦，获得了 110 瓦的单模连续激光输出。近两年，随着 高功率半导体激光器泵浦
5、技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率逐步提高，采用单根光纤，已经实现了 1000 瓦的激光输出。随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中，以光纤 作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支 持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。光纤激光器技术是研究的热点技术之一。光纤激光器由于其具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生巨大而积
6、极的影响。 最新市场调查显示：光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其他激光器在若干关键应用领域的市场份额，而这些市场份额在未来几年将稳步看涨。到 2010 年，光纤激光器将至少占领工业激光器 28 亿美元市场份额的四分之一。光纤激光器的销售量将以年增幅愈 35%的速度攀升，从 2005 年的 1.4 亿美元增至 2010 年的 6.8 亿美元。而同期，工业激光器市场每年增幅仅 9%，2010年达到 28 亿美元。一光纤激光器的现状及发展趋势国内现状我国商用光纤激光器目前全部依赖进口，原因是我们还没有实现光纤激光器的商品化和产业化。我国光纤激光器的研制其实并不落后，已经有好几个单位实现了连续 20
7、0W 以上的输出功率，但我国光纤激光器的产业化工作明显滞后。下面分析一下我国光纤激光器产业化发展滞后的原因。发展全光纤激光器需要 5 大关键技术，这 5 大关键技术除半导体泵浦激光器外，其他4 大关键技术全部与光纤技术密切相关，准确的说，是与能量光纤技术密切相关。能量光纤技术是以信号光纤技术为基础发展起来的，而信号光纤技术主要是为光纤通信服务的，因此，能量激光和光通信这两个技术领域通过光纤这种特殊的媒质联系起来，使从事光纤和光纤器件研制和生产的单位能够深入地介入这两个技术领域并成为其核心力量。在光通信走入低谷的时候，适逢光纤激光器取得历史性突破之时，国外许多从事光通信光纤器件研制生产的单位开始
8、转向能量光纤器件的研制和开发，以寻求新的发展机遇、拓展生存空间。这些投入能量光纤激光器开发的单位目前已经成为光纤激光器发展的重要力量，为发展新型全光纤激光器作出了巨大贡献。我国进行光纤器件生产和开发的单位虽然非常多，但总体技术水平较弱，在光通信走入低谷的时候，相关单位基本上只能选择在本行业苦苦支撑或关闭生产线两种方式，无力投入巨大资源进行能量光纤器件的研制和开发，所以，当全光纤激光器飞速发展对能量光纤器件提出迫切需求的时候，我国在这方面基本上还是一片空白。对于我国最早从事光纤激光器研制的单位来说，面对国内的这种局面，发展全光纤激光器基本上没有基础可言，因此，透镜整形聚焦端面泵浦外腔结构的方案成
9、为现实选择。这种结构很接近传统的全固态激光器，对光纤技术的依赖程度很低，采用非光纤技术即可制作。但是，实践证明，光纤激光器只有采用全光纤结构才能充分体现整体的一致性、完整性、和谐性和匹配性，采用充分展现光纤激光器的优势，因此，全光纤结构方案更加符合光纤激光器发展的本质规律，所以，在世界范围内，全光纤激光器成为主流方案有其必然性。全光纤激光器需要能量激光器技术与光纤技术有机结合起来，从某种程度上来说，光纤技术在光纤激光器的发展中所占的比重很大，因此，能量激光技术和能量光纤技术是光纤激光器发展不可或缺的两条腿。目前，我国从事光纤器件研制和生产的单位仍然主要集中在光纤通信的产业链条之中，涉足能量激光
10、技术的很少，这是我国光纤激光器发展面临的巨大问题。本文希望我国从事光纤器件研制和生产的单位突破行业界限，关注光纤激光器的发展，积极参与新型能量光纤器件的研制开发，为我国光纤激光器国产化和产业化作出贡献。应该看到，新型大功率全光纤激光器具有广阔的市场，发展能量型光纤器件，对于光纤器件研制生产单位是大有作为的。还应该看到，国外光纤激光器取得突飞猛进的发展也是最近几年的事情，尽管我国目前与国外的水平差距很大，但是落后的时间并不长，只要我国光纤器件的研制生产单位积极开展相关产品的研制开发工作，我们是能够在光纤激光器的研制生产方面站在国际前列的2002 年 南 开 大 学 报 道 了 在 掺 Yb3 +
11、 双 包 层 光 纤 器 中 得 到 了 脉 宽 4. 8ns 的 自 调Q 脉 冲 输 出 和 混 合 调 Q 双 包 层 光 纤 激 光 中 得 到 峰 值 功 率 大 于 8kW ,脉 宽 小 于 2ns 的脉 冲 输 出 。 2003 年 南 开 大 学 报 道 了 利 用 脉 冲 泵 浦 获 得 100kW 峰 值 功 率 的 调 Q 脉 冲 ,以 及 得到 的 60nm 可 调 谐 的 调 Q 脉 冲 。 2003 年 11 月 20 日 报 道 ， 上 海 科 学 家 在 激 光 领 域 取 得 新 成 果 ， 成 功 开 发 出 输 出 功率 高 达 107W 的 光 纤 激
12、光 器 。 此 激 光 器 的 全 称 为 “高 功 率 掺 镱 双 包 层 光 纤 激 光 器 ”，与 目 前 已 有 的 激 光 器 相 比 它 的 维 护 费 用 和 功 率 消 耗 都 要 低 得 多 ， 寿 命 是 普 通 激 光 器 的 几十 倍 。 该 课 题 组 的 负 责 人 之 一 楼 祺 洪 研 究 员 告 诉 记 者 ， 激 光 打 印 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 ，与 市 民 生 活 直 接 相 关 的 如 食 品 的 生 产 日 期 、 防 伪 标 志 等 ， 若 以 激 光 打 印 代 替 现 在 的 油 墨打 印 清 晰 度 高 、 永 不 褪 色 、
13、难 以 仿 冒 、 利 于 环 保 ， 具 有 国 际 流 行 的 新 趋 势 。 上 海 科 学 家研 制 的 光 纤 激 光 器 使 光 纤 激 光 输 出 功 率 又 上 升 了 一 个 新 台 阶 ， 最 大 输 出 功 率 达 107W， 已 经 遥 遥 领 先 于 全 国 同 行 。 2004 年 ， 南 开 大 学 又 报 道 了 连 续 泵 浦 206kW 峰 值 功 率 的 调 Q 脉 冲 。 2004 年 12 月 3 日 ， 烽 火 通 信 报 道 ， 继 推 出 激 光 输 出 功 率 达 100W 以 上 的 双 包 层掺 镱 光 纤 后 ， 经 过 艰 苦 的 攻
14、关 再 创 佳 绩 ， 将 该 类 新 型 光 纤 的 输 出 功 率 成 功 提 高 至 440W， 达 到 国 际 领 先 水 平 。这 是 烽 火 通 信 在 特 种 光 纤 领 域 迈 出 的 重 要 一 步 ， 同 时 也 是 我 国 在 高 功 率 激 光 器 用 光纤 领 域 的 重 大 突 破 。 掺 镱 双 包 层 光 纤 激 光 器 是 国 际 上 新 近 发 展 的 一 种 新 型 高 功 率 激 光 器件 ， 由 于 其 具 有 光 束 质 量 好 、 效 率 高 、 易 于 散 热 和 易 于 实 现 高 功 率 等 特 点 ， 近 年 来 发 展迅 速 ， 并 已
15、成 为 高 精 度 激 光 加 工 、 激 光 雷 达 系 统 、 光 通 信 及 目 标 指 示 等 领 域 中 相 干 光 源的 重 要 候 选 者 。 双 包 层 掺 镱 激 光 器 的 主 要 激 光 增 益 介 质 是 双 包 层 掺 镱 光 纤 ， 因 此 双 包 层掺 镱 光 纤 的 性 能 直 接 决 定 了 该 类 激 光 器 的 转 换 效 率 和 输 出 功 率 。 烽 火 通 信 作 为 国 内 唯 一一 家 进 行 双 包 层 掺 镱 光 纤 研 究 的 单 位 ， 在 成 功 推 出 输 出 功 率 达 100W 以 上 的 完 全 可 商用 的 双 包 层 掺 镱
16、 光 纤 产 品 后 ， 又 加 大 的 研 发 力 度 ， 使 得 其 输 出 功 率 实 现 440W 以 上 ，达 到 国 际 领 先 水 平 。国 外 发 展 及 现 状 光 纤 激 光 器 并 不 是 什 么 新 的 器 件 ， 尽 管 到 目 前 才 引 起 广 泛 研 究 和 重 视 。 可 以 毫 不 夸张 地 说 光 纤 激 光 器 的 历 史 和 激 光 器 本 身 的 历 史 几 乎 一 样 长 。 第 一 个 光 纤 激 光 器 的 荣 誉 应归 于 Sn5t2er 和 Koester， 他 们 在 l 963 年 和 1964 年 分 别 发 表 了 多 组 份 玻
17、璃 光 纤 中的 光 放 大 结 果 Lt 23， 当 时 他 们 正 为 美 国 光 学 公 司 (Amer5can 0pticaI 勘 rpoNt50n)工作 。 不 久 以 后 ， 光 纤 激 光 器 被 用 于 光 学 信 息 处 理 方 面 的 工 作 c31。 在 光 纤 放 大 器 方 面的 早 期 工 作 还 有 前 苏 联 的 Letokhov 和 PavliLL4J。 令 人 感 兴 趣 的 一 篇 非 常 重 要 的 文 章是 屑 于 高 银 和 Hockham 的 c53， 他 们 在 1966 年 首 先 讨 论 了 利 用 光 纤 作 为 通 信 介 质 的 可能
18、性 。 在 光 纤 激 光 器 发 展 的 最 初 阶 段 就 考 虑 了 用 半 导 体 光 源 进 行 泵 浦 的 可 能 性 r61。在 70 年 代 ， Bell 实 验 室 (现 在 的 AT8LT)的 一 个 小 组 也 开 展 了 这 方 面 的 研 究 工 作 。在 19751985 这 十 年 中 有 关 这 个 领 域 的 文 章 较 少 ， 不 过 在 这 十 年 中 许 多 发 展 光 纤激 光 器 所 必 须 的 工 艺 技 术 趋 于 成 熟 。 低 损 耗 的 硅 单 模 光 纤 和 半 导 体 激 光 器 都 已 商 品 化 并得 到 了 广 泛 的 应 用 ，
19、 而 且 还 进 行 了 氟 化 镑 光 纤 的 制 作 和 完 善 了 基 于 硅 光 纤 的 定 向 耦合 器 的 制 作 。 这 些 都 为 光 纤 激 光 器 的 研 制 铺 平 了 道 路 。 半 导 体 激 光 器 ， 尤 其 是 高 功 率 输出 的 半 导 体 激 光 器 作 为 泵 浦 源 在 光 纤 激 光 器 中 极 为 重 要 。 而 熔 硅 型 定 向 锅 台 器 则 对 全 光纤 的 激 光 器 的 设 计 起 着 举 足 轻 重 的 作 用 。在 80 年 代 中 后 期 的 几 年 中 ， 英 国 南 安 普 敦 大 学 的 电 子 工 程 系 和 物 理 系
20、也 卷 入了 这 个 领 域 的 研 究 ?8Ih， 他 们 在 其 中 扮 演 了 非 常 重 要 的 角 色 ， 是 他 们 演 示 了 用 MCVD方 法 制 作 的 单 模 光 纤 所 构 成 的 激 光 器 的 运 行 ， 从 而 再 度 唤 起 人 们 对 这 个 研 究 领 域 的 兴 趣。 此 后 该 校 的 这 两 个 研 究 小 组 先 后 报 导 了 光 纤 激 光 器 的 调 Q， 锁 模 ， 单 纵 模 输 出 以 及光 纤 放 大 器 方 面 的 研 究 工 作 。 英 国 通 信 研 究 实 验 室 (BTRL)于 1987 年 首 次 报 导 了 其 研究 结
21、果 LJlotlll。 BTRL 的 研 究 人 员 展 示 了 用 各 种 定 向 锅 合 器 制 作 的 精 巧 的 光 纤 激 光 器装 置 ， 他 们 在 增 益 和 激 发 态 吸 收 等 研 究 领 域 中 也 作 了 大 量 的 基 础 工 作 ， 在 用 氟 化 桔 光 纤激 光 器 获 得 各 种 波 长 的 激 光 输 出 谱 线 方 面 做 了 开 拓 性 的 工 作 ， 最 重 要 的 是 制 成 了 利 用 半导 体 激 光 器 作 为 泵 浦 源 的 光 纤 激 光 器 和 放 大 器 。 其 它 在 这 个 领 域 内 发 表 过 研 究 成 果 的 研究 机 构
22、 还 有 德 国 汉 堡 的 技 术 大 学 E1zi， NTTL“， HoyaLIdi， 日 本 的 三 菱 L151， 美国 的 P01aroid Co 叩 oration(氏 ， 斯 坦 福 大 学 ”和 GTEL： ； 等 。 当 然 世 界 上 还有 许 多 研 究 机 构 活 跃 于 这 个 研 究 领 域 。二光纤激光器的简述光纤激光器和放大器的研究与应用引起了广泛的重视和兴趣，已能制备以硅和氟化铅为基质的掺杂稀土金属元素的光纤。用这些光纤制作成光源或光放大器在降低光通信系统的成本方面具有巨大的潜力。接铰和饵离子的光纤激光器已有多种波长的输出，包括900nm，1060nm 和 1
23、550nm 等。用输出波长为 800nm 的 ID 作为泵浦源也可以获得光通信重要窗口波长(1550nm)的输出。激光输出诺可以通过改变稀土离子所处的玻璃基质进行改变。由掺杂稀土元素离子的氟化错光纤可以在红外区产生波长为 1050nm，1350nm，l 380nm 和 l 550nm 的激光输出，其中 1350nm 波长非常有价值，因为利用以硅为基质的光纤要想得到这个波长的输出非常困难。此外，这种光纤能在 208ftm ，23f4m 和 27Pm 的中红外波长区产生激光输出也具有十分重要的价值。这种光源可能在通信，医学，大气通信和光谱学方面得到应用。光纤激光器的输出方式可以是连续的，也可以是脉
24、冲的。光纤激光器的调 Q 和锁模以及亚纳秒脉冲业已获得。光纤激光器可以在其整个荧光谱范围内进行调节输出。最重要的是可以获得窄带宽，单纵模的输出。因此也可用于相干通信以及其他单色性要求较高的应用场合。光纤放大器的优越性能以及用 LD 作为泵浦源实现了放大，使其在光通信系统中的应用越来越广泛。在过去的几年中，光纤激光器和放大器得到了飞速的发展，世界上许多实验室都卷入了这方面的研究工作。这些研究工作涉及下述所提到的所有方面。以后将会利用可见和红外波长区的稀土元素跃迁，发现更多的谱线以满足各种不同的需要。光纤中的光学过程的理论和基础研究也将进一步发展以优化其性能。实验研究还需要进一步器件化以及满足实际
25、需要。对新型光纤和谐振腔的研究还将继续。高功率的窄脉冲以及偏振控制，可调谐线宽输出都是应用所需要的。与光纤兼容的调制器和隔离器也是目前所急需的。光纤激光器的研究无疑将刺激光纤器件的发展。光纤放大器在局域的和广域的光通信系统中应用前景广阔，这些都需要进一步的研究。目前有关光纤激光器和放大器的研究大部分来自与光通信有关的实验室和研究机构，因为他们在光纤制备方面得天独厚，但实际上在其它领域光纤激光器和放大器的应用也初见端倪，例如光谱学，非线性光学，计量学，全息学，传感器和医学等领域，甚至在印刷和滑雪过程中。我们将会看到，在整个国际科技界中涉及光纤激光器的技术领域将会越来越多。三光纤激光器原理 利用掺
26、杂稀土元素的研制成的放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成器，因此光纤激光器可在放大器的基础上开发。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的作为增益介质。由于光纤激光器中纤芯很细，在泵浦光的作用下内极易 形成高功率密度，造成工作物质的能级 “粒子数反转” 。因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成振荡。另外由于基质具有很宽的荧 光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于 WDM 系统应用。和半导体器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结
27、构简单、可靠性高等特性，易于实现和的耦合。我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为 Fabry-Perot 腔和环行腔两大类。也可根据输出 波长数目将其分为单波长和多波长等。对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点：（1）阈值应越低越好；（2）输出功率与抽运光功率的线性要好； （3）输出偏振态；（4）模式结构；（5）能量转换效率；（6）器工作波长等。四、包层泵浦器技术双包层的出现无疑是领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自 1988 年 E Snitzer 首次描述包层泵浦器以来，包层泵浦技术已被广泛地
28、应用到器和放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。图 1 (a)示出一种双包层的截面结构。不难看出，包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂。一个纤芯和传统的单模纤芯相似，专用于传 输信号光，并实现对信号光的单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光(如图 1(b)所示)。这样，使用多个多模二极管同时耦合至包层 上，当泵浦光每次横穿过单模纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过在内设置的光栅的选频作用， 特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生输出。目前，该技术被称为多模并行包层泵浦技术(Cladding pumped tec
29、hnology)，法国 Keopsys 公司在该技术上形成了一专利，称为 “V-Groove Technologe”。图 1 双包层光纤及工作原理多模并行包层泵浦技术特性决定了该类光纤激光器有以下几方面的突出性能。1、高功率一个多模泵浦二极管模块组可辐射出 100 瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。2、无需热电冷却器这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。3、很宽的泵浦波长范围高功率的光纤激光器内的活性包层掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区(930-970nm), 因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳
30、定装置4、效率高泵浦光多次横穿过单模纤芯，因此其利用率高。5、高可靠性多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。其几何上的宽面就使得光纤激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。这样一 来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过 100 万小时。 目前实现包层泵浦器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全环形腔双包层器三大类，不同特色的双包层器可由 该三种基本类型拓展得到。 OFC2002 的一篇文献采用如图 2 所示腔体结构，实现了输出功率为 3.8W、阈值为 1.7W，倾斜效率高达 85%的新型包层泵浦器 1。在产品技术方面，美国 IPG 公司异军突起，已
31、开发出 700W 的掺镱双包层光纤激光器，并宣称将推出 2000W的光纤激光器。图 2 一种新型的光纤激光器腔体结构五、拉曼光纤激光器技术拉曼光放大技术为长距离传输提供了一种新的获取功率预算的手段，成为关注焦点。对于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只 14XXnm 泵浦器通过偏振 复用获得拉曼泵源，但其成本相对较高且结构复杂。方法二是采用拉曼器(RFL)来产生特定波长的大功率，目前该技术已得到相当程度的发展并形 成了商用产品(如美国 IPG、法国 Keosys 等公司均可提供 5W 的拉曼放大泵浦模块) ，并被认为是用于拉曼放大和远泵 EDFA 放大应用的合理光源。5.1 线形腔拉曼光纤激光器若
32、从线形腔拉曼器的输出波长来划分，可以分为单波长和多波长拉曼器两大类。不同线形拉曼器的结构基本相似，都采用布拉格光栅 作为其谐振腔的反射镜。就 RFL 所采用的有源增益介质来看，通常采用掺 GeO2 的掺杂作为增益介质，最近的报道是采用掺 P2O5的掺杂作为增益介质，两者的区别在于所取得的 Stock 偏移不同，一般，掺 GeO2 的掺杂为 440cm-1，而掺 P2O5 的掺杂为 1330cm-1，因此采用 P2O5 掺杂所需要的拉曼频率变换的次数要少，可以提高效率并降低 RFL 的复杂度。N.Kurukithoson 等在 ECOC2001 会议中报道了 一个采用二级拉曼变换获得 1480n
33、m 输出的 RFL 实验，其泵浦光波长为1061nm2，和采用掺 GeO2 的掺杂的 RFL 相比，减少了一级拉 曼上变换。ECOC2001 的另一篇论文中报道了采用掺 P 制作的 1480nm 单波长拉曼器实现 +28dBm 输出的 EDFA3。OFC2001 会议中有一篇论文报道了以二级 Stocks 输出的 Raman 光纤激光器作为泵浦源激励单模产生超连续谱的实验4。它由拉曼激光器和超连续 (SC)腔体两部分构成，其中Raman 光纤激光器器工作原理图见图 3。在掺镱激光器的泵浦下，以掺镨为工作物质输出。泵浦光为 1064nm，输出脉冲为 1483.4nm 的（二级 Stocks） ，
34、输出功率为 2.22W。图 3 采用 RFL 产生超连续谱实验装置图 4 一种三波长拉曼光纤激光器装置近期浮现出的另一种称为多波长拉曼光纤激光器 (MWRFL)引起了广泛的注意，其中双波长拉曼光纤激光器(2lRFL) 和三波长拉曼光纤激光器(3lRFL) 已成功演示，IPG 等已开始形成产品。阿尔卡特公司在 OFC2002 会议上报道的一种可重构三波长拉曼器(3lRFL) 图 4 所示5 ，得到了输出波长分别为 1427nm、 1455nm 和 1480nm 的输出，可用于 C+L 波段的拉曼放大器中。另外通过调整输出耦合器，每个波长的输出功率可在 50mW400mW 范围内可 调。整个 3l
35、RFL 的主体部分由 11 只光栅(FBG)和 300 米的掺 P 组成，并以输出波长为1117nm 的 Yb3+包层泵浦器作为泵浦 源。其内部的 Stocks 功率迁移如图 5 所示。其基本的原理分为以下三步：首先，在 1117nm 泵浦光的作用下，利用 P2O5 产生频移，得到1312nm 的一级 Stocks 分量；然后在一级 Stocks 的作用下，利用石英的频移，得到1375nm 的二级 Stocks 分量；最后，通过再次利用石英的 频移，同时得到1427.0nm、1455.0nm 和 1480.0nm 的输出。应当指出，由于各拉曼峰值相距较远，因此，不同 Stocks 之间的交互
36、作用是不可忽视的。如图 3 虚线所示，1427.0nm 的 Stocks 分量泵浦 1455.0nm 和 1480.0nm 并使之获得增益，同理，1312nm 的 Stocks 分量可使1375nm、1427nm、1455nm 和 1480nm 获得额外的拉曼增益。 图 5 三波长拉曼光纤激光器 Stocks 功率迁移采用 和图 4 相似的结构， OFC2002 的另外两篇论文报道了在泵浦光的作用下产生四级 Stocks 分量的可重构 Raman 光纤激光器，其输出波长均为 1428nm、1445nm 和1466nm67。OFC2001 的一篇论文报道了一个 3lRFL，其输出谱线分别为：14
37、27nm 的谱线谱宽为 0.8nm，1455nm 和 1480nm 的谱线谱宽为 0.4nm8。 5.2 环行腔拉曼光纤激光器环行腔结构在技术中具有重要的地位和作用，也是构建拉曼器的另一种 重要方式。OFC2001 中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光纤激光器(2lRFL)9 ，其结构如图6 所示。图中，除光栅 1480A 的反 射率为 90%外，其他的光栅的反射率均大于 99%，拉曼 A 和 B 是长度分别为 120 米和 220 米的色散补偿(DCF)。在工作波长为 1313nm 的Nd:YLF 光纤激光器作为泵浦源作用下，该器的二级 Stocks 波长为 1480nm 和 1500n
38、m。报道的数据表明，该光纤激光器在 3.2W 的泵浦下，可以获得大于 400mW 的输出。另外通过调整光栅 1480B 的反射率，可以对输出波长的功率进行控制和调整，该特性使得该类光 纤器可较好地用到增益平坦的拉曼放大中。图 6 一种双波长环行拉曼光纤激光器结构六、新型的光纤激光器技术早期对光纤激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。今天，密集波分复用(DWDM)和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加 速和刺激着多波长器技术、超连续器等的进步。同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现 Tb/s 的 DWDM 或 OTDM 传输提供理想的解决方案
39、。就其实现的技术途径来看，采用 EDFA 放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。 6.1 多波长光纤激光器文献10提出的一种基于半导体光放大器（SOA）的多波长光纤激光器如图 7 所 示。图中 SOA1 长度是 500mm，在 1522nm 处提供的小信号增益为 23dB，SOA2 的长度是250mm，在 1530nm 处可提供 10.5dB 的小 信号增益，两只 SOA 均为 InGaAsP/InP 屋脊波导型。F-P 腔的自由谱线范围(FSR) 为 47.75GHz，精细度为 8.1，损耗为 12dB。偏振控制器 PC1 和 PC2 分别用于补偿 SOA1 和 SOA2
40、 对 TE 轴、TM 轴的偏振相关增益误差。该结构在 1554nm1574nm 范围内，实 现了波长间隔为 50GHz、50 通道的多波长 DWDM 光源，在 50 通道之间最大光功率差异小于 1.6dB，消光比大于 15dB，器的线宽小于 5GHz。图 7 一种基于 SOA 的环行多波长激光器为获得平坦的功率输出谱，文献11提出了一种改正型的方案如图 8 所示。图中 FRM为法拉第旋转镜，VOA 为可调光衰减器。由于光反馈臂的引入，一 个直观的特性是可对其输出的进行反馈监视，另外该改正型结构还可对的输出光性能提供较大程度的改善。据报道该结构在 1554.7 1574.7nm 的波长范围内，实
41、现了通道间隔为 50GHz、52 通道的多波长 DWDM 光源，且通道之间的最大光功率差异小于 0.3dB，消光比达到 32dB，器输出的线宽为 500MHz。 图 8 改正型的基于 SOA 的环行多波长激光器经典 的 Sagnac 干涉装置在信息科学领域的超快速响应技术中有多种应用，其中包括：超快速光调制器的全光开关、全光解复用、信号再生、逻辑运算、信号格式变 换以及全光波长变换等。最近，OFC2002 的一篇文献将 Sagnac 干涉装置拓宽到器的应用 12。该文献报道的基于 NOLM 的多波长拉曼光源，在四阶斯托克斯波内，可以实现 20 个波长通道输出。在 OFC2002 的另一篇论文中
42、，报道了一种采用偏振复用拉曼泵源、F-P 可调滤波器和色散补 偿组成的去偏振多波长环行腔体拉曼光纤激光器。在由1428.2、1445.8、1463.4nm 泵浦波长的拉曼泵源作用下，3dB 带宽范围内的输出 波长可达到 58 个，通道间隔为 50GHz。图 9 可调波长间的多波长光纤激光器原理目前相关的会议报道已指出用 AWG 目前最多可输出 400 个信道，每个信道间隔25GHz（波长间隔 0.4nm） ，输出波长能覆盖整个 C 波段和 L 波段。 然而这些信道的波长间隔都是固定的，是无法改变的。目前研制的器输出的多波长信号，其信道间隔也是一定的。OFC2001 会议上报道了一个可调谐波长
43、间隔的多波长输出的光纤激光器。其原理图见图 9。法拉弟旋转镜（FRM）用于补偿 FRM 与偏振分束器（PBS ）之间的 PMD，并且能稳定前后传输方向的正 交偏振态。利用在保偏中偏振模的耦合作为可调波长间隔滤波器。光纤激光器腔内的偏振分束器和偏振保持及其相关器件组成波长滤波器。当不对 PMF 施 加压力时，沿偏振快轴的光分量能通过滤波器，传输与波长无关；当对 PMF 施加压力时，在施加压力处，偏振模产生耦合，波长间隔就由施加压力的位置不同而不 同。施加压力的方式是用夹子夹住 PMF 的不同位置。例如在 PMF 的 4m 处施加压力，则可得到 9 个信道输出，波长调谐范围为 1548.2nm-
44、1559.9nm，波长间隔为 1.46nm。峰值功率漂移在 6dB 内。当施加压力的位置在 8m 处，光纤激光器输出 14 个信道波长，波长间隔为 0.73nm。文献15提出了另一种可调谐的器方案如图 10(a)所示，其主要的特色是波长间隔可调。图中具有不同波长峰值的 n 个光栅(FBG) 采 用图 10（b）结构被安装成 FBG 阵列，并级联起来以形成多波长激射。波长的调谐通过改变光栅的周期来实现。采用四个 FBG 制成的FBG 阵列，在初始 工作波长在 1547.64、1549.21、1551.36、1554.1nm 的情况下，可调谐得到波长间隔不同的四个波长，分别为 1547.64、 1
45、551.64、1556.60、1561.24nm。 图 10 一种波长间隔可调谐多波长光纤激光器6.2 基于的超连续光纤激光器具有超连续谱的超短光脉冲在 TDM/WDM 系统中有着重要的意义。超短光脉冲不但能提高 TMD 系统中的单信道码率，同时其宽大的连续谱也能为 WDM 系统 提供众多的波长信道。大部分超连续谱的产生主要有以下两种方法：压缩超短光脉冲所得到的宽频谱和利用器件的非线性展宽脉冲的频谱。 现在最流行的也报道得最多的是利用或光放大器的非线性产生超连续谱。其中利用产生宽连续谱最为经济实用。据报道，所采用的 类型不同，产生连续谱带宽也不同。比如在两头粗中间拉细的特种中（见图 11）16
46、，产生的连续谱就很宽，可调谐波长范围为500nm- 1600nm。泵浦源端的长为 3cm，拉细长度为 15cm，尾纤输出端为 15cm。该连续谱在后段标准电信中输出 Raman 脉冲，可调谐波长 幅度达 200nm，Raman 脉冲波长调谐范围为 1400nm-1600nm。脉冲频谱带宽为 20nm，相当于脉宽 130fs 的边带极限脉冲。当改变输 入入射功率，则 Raman 孤子波长也发生改变。这种器就是以改变泵浦功率来改变波长。 图 11 利用特种光纤产生超连续谱6.3 锁模器连续调谐多波长锁模器一直是技术很活跃的研究领域。OFC2001 和 OFC2002 中多篇论文报道了该类器技术17
47、18。 LI 等报道了利用色散补偿（DCF）增加腔内色散，在主动锁模环形器中实现了 3 个波长的输出，并通过调节调制频率，实现了单波长和双波长 的连续调谐。现已研制成功线宽窄到 2kHz 的器、调谐范围达到 75nm 的宽调谐器以及重复频率达到 21GHz 的高重复频率器。 图 12 是基于 NOLM 的锁模器的工作原理图19。平常常见的基于 NOLM 器只由NOLM 环组成，没有图 12 的 3dB 耦合器上的两个支路，主要是用来产生压缩后的超短脉冲，不具有锁模功能。图 12 所示的是改进的 NOLM 器，能进行亮暗脉冲转换，能选择 脉冲波长，产生高重复率的信号。调节 PC1 使 B 端输出
48、最大功率时，在 A 端可得到亮脉冲；调节 PC1 使环内形成反射模时在 A 端就形成暗脉冲。在耦合器 2 支路 上可以通过滤波器选择输出波长，并通过 EDFA 对选定波长进行放大。当控制脉冲与主环频率失谐时，当产生控制脉冲的 DFB 器的驱动频率是主环的频 率 f 的 n 分之一时，可得到是控制脉冲 n 倍重复率的输出脉冲。例如主环频率 f 为 19.4kHz 时，控制脉冲调制频率为 1145MHz，DFB器驱动频率 失谐在 1/4f，则可得到 4.58GHz 重复率的输出脉冲。 图 12 NOLM 光纤激光器（PC 为偏振控制器，FPF 为 Fabry-Pero 滤波器）6.4 频率上变换器
49、P.Xie 和 T.R.Gosnell 用钛宝石器的 860nm 泵浦几十厘米长的，通过更换不同的输出镜获得了红、橙、绿、蓝 4 种颜色的，功率 分别为 300mW、44mW、20mW 和 3mW，斜效率分别为 52、11.5、12.4和 3。包层泵浦上转换器的研究工作是国际上的最新 研究热点，它在常规器研究工作的基础上，利用频率上转换技术大大扩展了器的频率范围，可获得近红外光、可见光乃至更短波长的输出。 七光纤形式激光器的优点波导式结构光纤激光器具有波导式的结构，可以在光纤纤芯中产生较高的功率密度。它所基于的硅光纤的工艺现在已经非常成熟，因此可以制作出高精度，低损耗的光纤。如果光纤的选择使泵浦和信号波长均运行于单模工作状态，则泵浦和信号光场之间的重合性非常好。由于光纤的几何特点，使得这种结构具有较高的面积一体积比，因而其散热效果很好。以上这些特点就决定了硅为基质的光纤激光器可以在较低的功率泵浦下工作在连续的输出状态，而其它块状玻璃介质的激光器一般仅能工作在脉冲状态，常需要相当高的泵浦能量以获得激光输出。光纤的圆柱形结构还具有下列两个优点，便于在光通倍和医学中应用。(1)由于光纤激光器本质上是一种光纤结构，因此它可以以较高的锅台效率与目前的
