摻鐿雙包層光纖放大器4摻鐿雙包層光纖激光器基本理論

激光的產生是一個放大的過程。在這個過程中受激發(fā)射所占的比例遠大于自發(fā)輻射。當增益存在的條件下,受激發(fā)射所產生的光子繼續(xù)誘發(fā)受激發(fā)射,使受激發(fā)射光不斷增強。當然最初誘發(fā)受激發(fā)射的光子源于自發(fā)發(fā)射。對于激光波長,流出光纖激光介質的光子流要大于進入這段光纖的光子流,即實現了光放大。

為了能產生激光,必須滿足一定的條件。第一個條件是粒子數反轉。僅當處于激光上能級的粒子數超過處于激光下能級的粒子數時才能使介質發(fā)生受激發(fā)射,從而產生增益。粒子數反轉的要求同時也引出了第二個條件,即粒子數反轉形成的過程要借助于光子能量較高的光源進行抽運,而且要求參與激光工作的能級超過兩個。首先必須通過抽運將電子激發(fā)到高于激光工作上能級的某個能級上,也就是說,抽運光的頻率要大于激光頻率。開發(fā)研制的光纖激光器主要采用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質,當采用合適的抽運源進行抽運時,由于光纖激光器中光纖纖芯很細,在抽運光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成激光工作物質的"粒子數反轉"。

光纖激光器的腔形可以有多種選擇。一種最常見的激光諧振腔-法布里一拍羅腔,它是將增益介質置于兩片反射鐿之間構成的。在光纖激光器中,腔鐿經常對接禍合到光纖端面,以避免衍射損耗。該腔損耗非常小,然而,這種腔的調整較為困難,光纖端面或腔鐿稍微傾斜,就會使損耗急劇增加,允許的傾斜度小于1。這個問題可以通過將介質膜直接鍍到摻雜光纖的研磨拋光端面上得到解決。由于介質膜對光纖端面的缺陷極為敏感,而且抽運光也經由同一腔鐿入射,所以當抽運光經過聚焦且功率較高時就會損壞介質膜。

光纖激光器的關鍵技術:(1)高功率半導體光纖禍合輸出模塊:穩(wěn)定,長壽命,小體積,無需復雜水冷系統(tǒng)的高功率半導體激光器光纖模塊的實現;(2)光纖融合技術:將多根多模光纖同有源光纖融合在一起,而將抽運光幾乎無損耗的傳入有源光纖內包層中,這種光纖幾何熔接技術使得光纖模塊的輸出能量在百瓦量級,同時消除了半導體激光陣列集成模塊的散熱問題;(3)光纖光柵技術:在光纖上制作反射型光纖光柵雙包層光纖激光器。在高功率情況下具有長時間穩(wěn)定性能的光纖光柵制作,對于實現簡便緊湊的高功率雙包層光纖激光器產品具有非常重要的意義。目前國內從事光柵技術的研究單位正在開展此類的研究工作,而國際上對于光柵制作技術也相對比較成熟。如工GP的光纖激光器中的光柵可以滿足百瓦級的功率傳輸。摻鐿雙包層光纖激光器理論及實驗研究

2.3Yb+3的光譜特性

稀土元素之一的Yb+3離子,長期以來最重要的應用只是作為敏化離子(也就是激光激活離子)與其他稀土元素離子共同摻雜,Yb+3離子吸收抽運光子的能量后,把能量傳遞給他受主離子,如E、H等,Yb+3離子并不直接發(fā)生能級躍遷產生激光,而僅僅作為一個能量傳遞工具。摻Yb+3光纖激光的特性和發(fā)展從八十年代中后期開始,Yb+3離子摻入石英或氟化物光纖中,作為一種激光介質開始受到人們的重視,并取得了很多進展。

yb+3離子在摻入石英等基質材料后,其能級發(fā)生變化,從而其吸收和發(fā)射光譜也要發(fā)生很大變化。通常由于基質材料中電場的非均勻分布的影響引起Yb+3能級的stkar分裂,消除了原來存在的能級簡并,從而相應的吸收和發(fā)射光譜將出現精細結構。另外一個因素就是Yb+3能級加寬。第一種是聲子加寬,當兩個能級之間發(fā)生躍遷時將發(fā)生某種形式的能量交換,包括聲子的產生和湮滅。第二種加寬機制來源于基質電場對能級的微擾,摻Yb+3材料只包含有兩個多重態(tài),基態(tài)2F7幾(含有4個Stark能級)和一個分離的激發(fā)多重態(tài)"FS/:(含有3個Stark能級,在基態(tài)以上10000c/m的位置),因此抽運光波長處和信號波長處都不存在激發(fā)態(tài)吸收(由此因起抽運效率降低);大的能級間隔(2F5/:和2F72/)也阻礙了多光子非輻射弛豫及濃度淬滅現象的發(fā)生。上面幾種因素引起的抽運轉換效率的降低也會引起激光介質熱效應增加的問題(Yb+3:AYG的熱效應比Nb3+:YAG小三倍)。摻Yb+3石英光纖的吸收和發(fā)射譜帶很寬。

普通光纖激光器由于其結構緊湊、波長可調諧、散熱性好和高的轉換效率受到人們的青睞;包層泵浦技術又突破了普通光纖輸出功率上的制約;Yb3+具有簡單的能級結構、寬的吸收帶和大的發(fā)射截面，便于泵浦和獲得高的轉化效率。因此摻鐿雙包層光纖激光器除具有普通光纖激光器的優(yōu)點之外，又可在高功率條件下運作，成為發(fā)展高功率激光器的重要候選。現在報道的單個光纖激光器輸出功率已超過 kW，完全可以和在高功率條件下使用的傳統(tǒng)的固體激光器媲美。摻鐿雙包層光纖激光器作為固體激光器家族中的一員，具有以下優(yōu)異的性能:

1) 高功率。一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出 100W 的光功率，多個多模泵浦二極管并行設置，可允許設計出很高功率輸出的光纖激光器;

2) 模式質量好。通過設計大纖芯和小的數值孔徑，光纖中只有幾個模式;無需熱電冷卻器。這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風冷，成本低;

3) 很寬的泵浦波長范圍。包層光纖纖芯中摻雜了鐿元素，有一個很寬的光吸收區(qū)(900-1100nm)，所以泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置;

4) 效率高。泵浦光多次橫穿過光纖纖芯，因此其利用率高;

5) 高可靠性。多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得激器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一來，泵浦二極管其可靠運轉壽命超過 100 萬小時。

摻鐿雙包層光纖激光器用于激光束的相干合成

激光束相干合成技術作為實現高功率激光輸出的重要途徑，在過去的 20 多年里人們已經在這一領域里進行了大量的研究，相干陣列中所用的激光器多集中在固體、半導體和光纖激光器。這種技術是將許多中等功率輸出的激光器組成的陣列實現同相輸出，實現大功率的同時保持優(yōu)良的光束質量。而摻鐿雙包層光纖激光器具有的如結構緊湊易于組束、模式質量好等優(yōu)勢使它成為實現激光束相干合成的不二之選。

隨著大模場面積摻雜雙包層光纖和大功率半導體激光器(LD)的技術成熟，脈沖光纖放大器的研究也獲得了飛速發(fā)展，脈沖峰值功率越來越高。脈沖光纖放大器由于具有高光束質量、便于熱管理、光纖輸出、結構緊湊等優(yōu)勢，正廣泛運用于軍事，精密加工、醫(yī)療、太空通信等多個領域。窄脈寬、高功率、高光束質量的的脈沖光纖放大器已成為研究的重點。

04 年，英國的 Southampton 大學的 A.malinowski 等人報道了一種全光纖放大系統(tǒng)，以摻鐿光纖激光器為種子源，用兩級摻鐿雙包層光纖放大器進行放大，最后用光柵對壓縮，在 62MHz 時獲得了 110fs，400nJ 的脈沖。 2005 年，美國的 F.D.Teodoro 和 C.D.Brooks 以調 Q 的 Nd:LSB 微片激光器為種子源，通過雙包層摻鐿光纖和光子晶體光纖放大，圖 1.3 為實驗結構圖，在10kHz 時，獲得了 1ns，1mJ 的脈沖。

2006 年 6 月，英國南安普頓大學的 J.Kim 等人利用 W 型纖芯結構的雙包層光纖進行放大，實現了 53W，103ps 的脈沖輸出。

2007 年 A. Galvanauskas 又將 1~10ns 脈寬的種子脈沖信號經雙級單模前置放大后，級聯兩級 LMA 摻鐿光纖放大器，獲得了 M約為 1.3，峰值功率超過 5MW的脈沖輸出。

國內一些單位也開展了脈沖放大光纖放大器的研究。主要的研究單位有中科院上海光機所、清華大學、中國電子科技集團第十一所和中科院西安光機所等。 2004 年，上海光機所的孔令峰等人用調 Q 激光器做種子源，用雙包層摻鐿光纖作為增益介質，在 20kHz 時放大到了 0.3mJ 的脈沖能量。 2005 年，清華大學的葉昌庚等人報道了一種脈沖泵浦的摻鐿光纖放大系統(tǒng)。以調 Q 的 Nd:YAG 微片激光器為種子源，以摻鐿雙包層光纖為增益介質，在 200Hz時，最大得到了 138.2μJ 的單脈沖能量，其脈沖寬度為 0.83ns。

綜上所述，國內外脈沖高功率光纖放大器的實驗研究主要采用的還是分立元器件設計，不利于提高激光器的穩(wěn)定性。本文中將采用 MOPA 結構設計全光纖脈沖放大結構，實現了平均功率 2W、重復頻率 50KHz、脈沖寬度為 20ns 的窄脈沖激光輸出。

20 世紀 80 年代中期，光通信迅猛發(fā)展、光纖制造工藝以及半導體激光器生產技術日益成熟。特別是在 S.B.Poole 等人用改進的化學汽相沉積法制成了低損耗的摻鉺光纖后，摻雜光纖放大器和激光進入了一個快速發(fā)展的階段。與其他摻雜光纖相比，摻鐿光纖能級結構簡單，不存在對泵浦光或信號光的激發(fā)態(tài)吸收，轉換效率高，不存在濃度淬滅;且有較寬的吸收光譜和輻射光譜。因此摻鐿光纖放大器/激光器具有獨特的優(yōu)勢。但當時采用的摻雜稀土光纖是由纖芯和單一包層構成，要求泵浦光必須直接耦合進直徑僅僅為幾微米的單模纖芯中，所以對泵浦源的激光模式要求很高，且耦合效率很低。所以傳統(tǒng)的摻稀土元素的光纖激光器與放大器被認為只能是一種低功率的光子器件。

80 年代末，美國寶麗來提出了以雙包層光纖為基礎的包層泵浦技術，改變了光纖放大器只能作為一種小功率光子器件的歷史，為瓦級甚至更高功率的光纖放大器的實現提供了堅實的基礎。雙包層光纖的研制成功以及包層泵浦技術的運用打破了光纖激光器/放大器輸出功率低的"瓶頸"，成為制作高功率光纖激光器與放大器的首選。

1999 年 Lew Goldberg 等人采用"V"形槽耦合泵浦技術在 1060nm 處將100mW 的種子光放大到 4W 輸出;放大系統(tǒng)小信號增益為 53dB。2003 年Dennis Hammons 等人利用 NGST(Northrop Grumman Space Technology)技術獲得了單模以及近線偏的 150W 激光輸出。德國 Jena 大學 A. Liem 等人，以纖芯直徑 23μm 的大模場面積雙包層摻鐿光纖為增益光纖，利用注入種子光的功率放大結構，實現了波長 1064nm、線寬 1kHz、功率 118W 的激光輸出，相對注入抽運光功率的斜率效率達 70%。2005 年 Adrian Carter 等人利用與 20/400 雙包層大模面積(LMA)摻鐿光纖相匹配的(6+1)*1 合束器實現了 200W 單頻放大輸出的全光纖化。2006 年南開大學郭占城等人利用 Nufern 生產的長度約為11m 的大模面積(LMA)摻鐿雙包層光纖(其芯徑 20μm ,數值孔徑為 0.06)，將 16mW 的種子光放大到 1.61W，放大后的 3dB 線寬為 0.027nm，保持了輸入信號光的優(yōu)良光譜特性。實驗中為了消除端面的菲涅爾反射，LMA 光纖的兩端磨制了約 13°的傾角。

2006 年 Albert seifert 報道了一種波長為 1014.8nm 的窄線寬，毫瓦級的雙包層摻鐿光纖放大器。種子源經過一個隔離器和二向色鐿后，有65mw的功率被耦合到6.2米的摻鐿雙包層光纖。D 型內包層的數值孔徑隨溫度變化，室溫下為 0.35，液氮中為 0.22。光纖端面拋8 度角，第一級放大器輸出經過一個窄的帶通濾波器以減小 ASE，然后耦合到第二級的冷卻的鐿纖。第一級的最大輸出功率為 2.8W,且信噪比達到 30dB。為達到更高的輸出功率，將第一級功率為 1.7W 的輸出作第二級放大，得到了 5W 的輸出功率，且仍有很高的信噪比。

光纖放大器的最初出現是為了適應光通訊的發(fā)展要求，而通訊系統(tǒng)中傳輸的光信號功率一般較低:微瓦(μW)到幾十毫瓦(mW)量級。單級 EDFA 輸出的最大功率約為 23dBm，可以滿足傳統(tǒng)的干線長距離光纖網絡傳輸的應用。隨著光纖網絡進一步向局域網、接入網的發(fā)展，光纖距離最終用戶的距離越來越近，很多情況下已經是光纖直接連接到用戶。特別是隨著近年來光纖到戶(FTTH)、光纖到大樓(FTTB)、無源光網絡(PON)、光纖有線電視傳輸系統(tǒng)的大規(guī)模鋪設應用。在這些新興系統(tǒng)中，用戶數從幾百到幾千甚至上萬個，功率預算非常高，這對光纖放大器的輸出功率提出了更高的要求。EDFA 雖然成功應用在了長途干線傳輸系統(tǒng)中，但在上述新型網絡形態(tài)下輸出功率遠遠不能達到系統(tǒng)要求。采用多臺 EDFA 級聯可以提高輸出功率，但必然增加系統(tǒng)成本、復雜性并降低系統(tǒng)可靠性，同時會附加更多的自發(fā)輻射(ASE)噪聲，使得系統(tǒng)性能劣化。另外在越來越多的激光加工、激光打標、激光武器、空間激光通訊、非線性頻率變換方面，需要幾瓦到幾百瓦高功率連續(xù)或峰值功率在千瓦(kW)到兆瓦(MW)的脈沖激光輸出，迫切需要能夠支持高功率放大信號輸出的光纖放大器。

EDFA 的增益光纖采用的是纖芯摻入鉺離子的普通單模光纖，纖芯直徑在8~10μm 之間，包層直徑一般為 125μm，泵浦光和信號光同時在纖芯中傳輸。要提高 EDFA 的輸出功率，可以提高泵浦功率，但由于纖芯直徑很小，數值孔徑也較小(0.1~0.2)，導致能夠有效耦合進入纖芯的泵浦功率僅為幾百毫瓦左右;另一方面，可以通過提高鉺離子的摻雜濃度來提高增益光纖的儲能，但在鉺離子濃度過高時會出現濃度淬滅現象，導致高功率運轉時 EDFA 工作失效。以上兩個原因限制了 EDFA 輸出功率向高功率的提升。

隨著新型光纖理論和制造技術的不斷提升、對高功率放大器增益光纖的巨大需求、包層泵浦技術和離子共摻技術的出現、以及大功率多模半導體泵浦激光器的出現可以很好的解決上述問題。

雙包層光纖，采用纖芯、內包層和外包層結構，主要是引入了直徑較大的內包層，內包層數值孔徑通常可以做的較高，允許大功率泵浦光直接耦合到直徑為幾十 μm 到幾百 μm 的內包層，比傳統(tǒng)光纖的耦合面積增加了 2 個數量級，因此入纖功率和耦合效率都大大得到提高。纖芯直徑仍然保持單模光纖的水平以保持較好的光束質量，同時纖芯摻入激活離子。泵浦光耦合入內包層，在內包層與外包層的交接處發(fā)生全內反射，反復通過并激活纖芯離子，當信號光通過纖芯時即通過受激輻射得到增益放大。

在基于雙包層光纖的大功率激光放大器研制方面，起步最早的是摻鐿光纖放大器。因為鐿離子為簡單的雙能級結構，不存在激發(fā)態(tài)吸收和能量上轉換問題。

鐿離子具有很寬的泵浦吸收帶(800nm-1100nm)且在典型的泵浦波長 915nm 和975nm 處具有很強的吸收峰，對泵浦波長的帶寬限制并不明顯，可以采用成本較低的多模大功率泵浦激光器。在這些泵浦波段，商用化的半導體多模泵浦激光器的輸出功率已經達到了千瓦量級。采用較短的光纖即可對泵浦光產生有效地吸收，導致摻鐿高功率光纖放大器的斜率效率非常高，可以超過 80%。因此摻鐿高功率光纖放大器備受青睞，在各方面努力下，各項指標也不斷得到優(yōu)化提高。連續(xù)光放大單纖平均功率超過了 1 萬瓦，而脈沖放大峰值功率更是達到了兆瓦(MW)量級。在國家級應用層面，美國國家航空航天局(NASA)在其主持的星際光通信計劃中也采用了摻鐿雙包層光纖作為放大介質，得到了峰值功率 1.6kW、平均功率 10W、脈沖重復頻率在 3-30MHz，接近衍射極限的脈沖光束輸出。

伴隨著高功率光纖激光器的進步，一些新的應用領域不斷出現。特別是興起的光接入網、自由空間光通訊、激光雷達、地球引力波探測、地面搜索、激光測距等方面，需要 1.5μm 波段高功率連續(xù)或脈沖光纖放大器。摻鐿高功率光纖放大器盡管在技術上比較成熟，但其工作在 1.06μm 波段，在需要 1.5μm 波段的這些應用中顯得力不從心。人眼在 1.5μm 波段的損傷閾值要比 1.06?m 波段高4 個數量級以上，具有"人眼安全"的特點，這在激光測距、激光雷達、遙感、空間通信等需要人員參與的領域有重要意義，所以人們越來越多的開始關注并發(fā)展高功率 1.5μm 波段光纖放大器。

單獨摻雜鉺的增益光纖由于受到濃度淬滅效應的影響，無法滿足高功率運行要求。在雙包層光纖包層泵浦理念的基礎上出現了鉺鐿(Er/Yb)共摻雙包層光纖。這種雙包層增益光纖因為鐿離子濃度大于鉺離子濃度，使得一個鉺離子被多個鐿離子包圍，避免了鉺離子的簇聚，同時提高了鉺離子的摻雜濃度。在這種摻雜光纖中是由鐿離子先吸收泵浦光，然后通過敏化作用激發(fā)鉺離子，形成鉺波段粒子數反轉，從而充分利用了鐿離子吸收帶很寬、泵浦吸收系數大、允許高功率多模泵浦的優(yōu)點。Er/Yb共摻雙包層光纖放大器的主要優(yōu)勢體現在以下幾個方面:(1)工作在 1.5μm 波段 (2)高輸出功率 (3)較高的能量轉化效率 (4)高峰值功率，高重復頻率的脈沖輸出 (5)通過優(yōu)化可以實現接近衍射極限的光束質量。 在激光定位、遠程傳感、成像和照明等領域需要高功率、脈寬在幾十個 ns、重復頻率為幾十 kHz 的光脈沖，并且需要脈沖光纖放大器能夠產生幾百 kW 到幾 MW 的峰值功率。 高峰值功率同樣廣泛應用于材料處理、激光打標和高次諧波的產生中?；谶@些，尤其是光纖通信與衛(wèi)星激光通信的巨大需求，Er/Yb 共摻雙包層光纖放大器最近幾年得到了比較廣泛的研究也取得了很多進展，很多文獻報道了 1.5μm 波段脈沖放大器和激光器。