脈沖光纖激光器

光纖激光器是采用光纖作為激光介質(zhì)的激光器，通過在光纖基質(zhì)材料中摻雜不同的稀土離子，獲得所對應(yīng)波長的激光輸出。摻雜的離子種類有摻鉺(Er)、摻釹(Nd)、摻鐠(Pr)、摻鈥(Ho)、摻鐿(Yb)、摻銩(Tm)等。

光纖激光器(Fiber Laser)是指采用摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì),由栗浦源所產(chǎn)生的泉浦光在光纖纖芯內(nèi)形成高功率密度使得摻雜稀土離子能級形成"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)",適當(dāng)加入正反饋回路構(gòu)成諧振腔時(shí)便可產(chǎn)生激光。光纖激光器的果浦光被稱合進(jìn)入摻雜稀土金屬離子光纖,粟浦波長上的光子被介質(zhì)吸收形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),最后在光纖介質(zhì)中因受激福射產(chǎn)生激光。由于摻雜稀土光纖同時(shí)起著導(dǎo)波作用因此光纖激光器是波導(dǎo)型的諧振裝置。光纖激光器實(shí)際上是Fabry-Perot諧振腔(F-P)結(jié)構(gòu)式的波長轉(zhuǎn)換器,在栗浦波長上的光子被增益介質(zhì)吸收形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),最后在增益介質(zhì)中因受激發(fā)射產(chǎn)生激光。

光纖激光器誕生于20世紀(jì)60年代初，已經(jīng)有五十多年的發(fā)展史。隨著光纖通信技術(shù)、光纖制造工藝以及與激光器技術(shù)的日趨成熟而迅猛發(fā)展，特別是20世紀(jì)90年代后期，隨著半導(dǎo)體激光器及摻雜光纖制作技術(shù)的日益成熟，光纖激光器的研究取得了重大進(jìn)展，輸出功率、波長調(diào)諧范圍等性能得到了顯著提高，適用于各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的光纖激光器紛紛面世。

典型光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)主要由三部分組成:產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激發(fā)增益介質(zhì)的泵浦源。其中，增益介質(zhì)為摻雜稀土離子的纖芯。

在脈沖光纖激光器方面，光纖激光器實(shí)現(xiàn)脈沖輸出的方式與普通的激光器一樣主要采用鎖模技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和脈沖種子源放大技術(shù)。

調(diào)Q光纖激光器是在諧振腔內(nèi)插入Q開關(guān)器件，通過周期性改變腔損耗，實(shí)現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光輸出。南安普頓大學(xué)采用纖芯直徑40 μm、數(shù)值孔徑0.06的大模場面積摻鐿光纖調(diào)Q，獲得了脈沖能量1.2 mJ的窄脈沖寬度(37 ns)、高光束質(zhì)量(M2=1.1)脈沖激光輸出。由于光纖激光器中較長的增益介質(zhì)，很難獲得更窄的脈沖寬度激光輸出。

為了獲得高峰值功率、高能量的脈沖激光輸出，主要是利用主振蕩功率放大技術(shù)(MOPA)來實(shí)現(xiàn)。2005年，密西根大學(xué)采用調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為脈沖種子光源，通過四級光纖放大，實(shí)現(xiàn)1 064 nm的巨脈沖能量輸出。兩級單模光纖預(yù)放大后，激光的單脈沖能量由10~30 nJ放大到約38 μJ。再經(jīng)過一級功率放大(LD功率40 W、波長980 nm抽運(yùn)的纖芯直徑50 μm雙包層光纖)和二級功率放大(LD功率200W、波長915 nm 抽運(yùn)的纖芯直徑200 μm 雙包層光纖)，實(shí)現(xiàn)了巨脈沖能量的激光輸出:當(dāng)脈寬500 ns時(shí)，得到的單脈沖能量達(dá)82 mJ;脈寬50 ns時(shí)的單脈沖能量為27 mJ;脈寬4 ns時(shí)的脈沖峰值功率為2.4MW。

2005年，F(xiàn) D Teodoro利用雙包層摻鐿的光子晶體光纖作為脈沖放大的增益光纖，實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度450 ps、脈沖能量0.7 mJ，峰值功率1.5 MW、近衍射極限(M2=1.05)的脈沖激光輸出。接著，他們又利用纖芯直徑140 μm的多模鐿纖放大該輸出激光，實(shí)現(xiàn)了4.5 MW的高能量脈沖激光輸出。

2008年，F(xiàn) Di Teodoro等人利用大芯的摻鉺光纖，在超短的皮秒脈沖范圍內(nèi)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了峰值功率1.2MW的脈沖激光輸出[10]。2005年，南安普頓大學(xué)的研究員，在纖芯直徑43 μm，數(shù)值孔徑0.09的雙包層摻雜光纖實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度20 ps、光束質(zhì)量M2=2.4、平均功率321 W的脈沖激光輸出。

2009年Bülend ortac等用大模場面積的摻Y(jié)b光纖制作得到自啟動(dòng)的平均功率9W的飛秒脈沖輸出，重復(fù)頻率9.7 MHz，脈沖能量927 nJ，接近微焦量級。

2009 年Alexey Andrianov 等通過摻鉺光纖放大器和色散降低光纖(DDF)、高非線性單模光纖(HN?SF)和普通單模光纖(SMF-28)對被動(dòng)鎖模的摻鉺振蕩器輸出的230 fs，600 MHz，波長為1.57 μm的脈沖進(jìn)行放大和壓縮，并得到20~25 fs，調(diào)諧范圍為1.57~2.1 μm的飛秒激光輸出。

2010年J. Lhermite等用摻Y(jié)b光纖作增益介質(zhì)，利用非線性偏振技術(shù)在全正色散域鎖模獲得了中心波長在976 nm，重復(fù)頻率為40.6 MHz，平均功率為480 mW的激光脈沖，經(jīng)過腔外體光柵壓縮后可獲得286 fs的超短脈沖輸出。

2010年K. Kieu等用摻Er光纖激光器產(chǎn)生脈沖后，經(jīng)摻鉺光纖放大展寬后，再由SMF28光纖對脈沖進(jìn)行壓縮進(jìn)入高非線性光纖(HNLF)后獲得超連續(xù)譜(1~2μm)抽運(yùn)摻Y(jié)b光纖并放大后獲得高能量的超短脈沖輸出，經(jīng)過腔外體光柵壓縮后可獲得135 fs和11.5 W平均功率的超短脈沖輸出。

2011年S.H?drich等研究了通過兩級放大獲得高平均輸出功率的摻Y(jié)b光纖激光器，并用BBO晶體對輸出飛秒脈沖進(jìn)行了倍頻輸出。該系統(tǒng)在中心波長1 040 nm時(shí)有不同的重復(fù)頻率，系統(tǒng)經(jīng)過二級預(yù)放和一級主放獲得足夠能量的脈沖，經(jīng)光柵對壓縮后得到406 fs，平均功率225 W的脈沖輸出。

2011年J. Lhermite等又利用纖芯和包層直徑分別為80 μm和200 μm的摻鐿棒狀光纖作為增益介質(zhì)產(chǎn)生了中心波長為976 nm，單脈沖能量為500 nJ，脈沖寬度為460 fs，重復(fù)頻率8.4 MHz，平均功率4.2 W的超短脈沖輸出。

2011年美國密歇根大學(xué)的Bai Nie等設(shè)計(jì)了一種雙包層摻鐿全正常色散飛秒光纖激光器，該激光器具有一個(gè)窄的內(nèi)腔式濾光器，產(chǎn)生的脈沖能量22 nJ，重復(fù)頻率42.5 MHz，通過多光子脈間干涉相位掃描技術(shù)將脈沖壓縮到42 fs，單脈沖能量10 nJ。

2011年康奈爾大學(xué)的研究人員使用正常色散鎖模銩光纖激光器產(chǎn)生0.4 nJ的脈沖能量，輸出脈沖經(jīng)過消除啁啾后為470 fs。2012年Frithjof Haxsen等使用高非線性光纖和摻Tm光纖，并通過非線性偏振演化(NEP)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡混合鎖模以及小芯徑、大數(shù)值孔徑光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償，得到單脈沖能量0.7 nJ，波長1 927 nm，482 fs的飛秒激光脈沖輸出。

2012 年A.Chamorovskiy 等得到中心波長為1160 nm的半導(dǎo)體碟片激光器抽運(yùn)的被動(dòng)鎖模飛秒光纖激光器。在波長2 085 nm處產(chǎn)生了890 fs，功率46mW的脈沖輸出，該波長是目前飛秒光纖激光器最長的輸出波長。

調(diào) Q 的原理是在激光器內(nèi)加入一個(gè)損耗可調(diào)節(jié)器件，在大部分時(shí)間區(qū)域內(nèi)，激光器的損耗很大，幾乎無光輸出，在某一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)，減小器件的損耗，從而使激光器輸出一個(gè)強(qiáng)度極高的短脈沖?？梢酝ㄟ^主動(dòng)或者被動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)調(diào) Q光纖激光器。主動(dòng)技術(shù)一般是在腔內(nèi)加入一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器，來控制激光器的損耗。被動(dòng)技術(shù)是利用飽和吸收體或者其它非線性效應(yīng)例如受激拉曼散射、受激布里淵散射等形成調(diào) Q 機(jī)制。一般通過調(diào) Q 方法產(chǎn)生的脈沖在納秒量級。若想產(chǎn)生更短的脈沖則可以通過鎖模方法實(shí)現(xiàn)。

可以通過主動(dòng)鎖?；蛘弑粍?dòng)鎖模方法來產(chǎn)生超短脈沖。受限于調(diào)制器的響應(yīng)時(shí)間，主動(dòng)鎖模產(chǎn)生的脈寬較寬一般為皮秒量級;被動(dòng)鎖模利用的是被動(dòng)鎖模器件，響應(yīng)時(shí)間很短，可以產(chǎn)生飛秒量級的脈沖。下面簡單介紹一下鎖模原理。 一個(gè)激光諧振腔里面有著無數(shù)個(gè)縱模，對于環(huán)形腔來說，縱模頻率間隔等于/CC L ，C 為光速，CL 為信號光在腔內(nèi)往返一周的光程長度。一般來說光纖激光器的增益帶寬較大，會(huì)有大量的縱模同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，激光器所能容納的模式總數(shù)取決于縱模間隔 ?ν 和增益介質(zhì)的增益帶寬。縱模間隔越小，介質(zhì)的增益帶寬越大，則能支持的縱模數(shù)越多。反之，則越少。

對于光纖激光器來說，輸出光場的特性取決于縱模的相位特性。如果所有模式相互獨(dú)立，其相位間沒有確定的關(guān)系，激光器的輸出特性是多縱模振蕩;如果所有模式有確定的位相關(guān)系，則輸出的激光信號是超度脈沖，且峰值功率較大。

當(dāng)激光器處于多縱模振蕩時(shí)，激光頻譜是由等間隔縱模構(gòu)成，振幅是無規(guī)則的，相位在 ?π 到 +π 之間隨機(jī)分布;在時(shí)域內(nèi)，其相位也是在一定范圍內(nèi)無規(guī)則起伏，導(dǎo)致強(qiáng)度分布類似噪聲。當(dāng)用響應(yīng)時(shí)間為 T 的器件探測此激光器的光強(qiáng)時(shí)，接收到的光強(qiáng) I (t )是所有滿足激光器振蕩條件的所有縱模光強(qiáng)的疊加。

由于各縱模之間相位彼此相互獨(dú)立無特定的位相關(guān)系，所以各縱模之間的相干項(xiàng)在時(shí)間平均下為零，輸出光強(qiáng)是各個(gè)縱模平均輸出光強(qiáng)之和，不會(huì)出現(xiàn)相干脈沖輸出，此即為多模自由振蕩激光器。

與多模自由振蕩激光器相反，如果能采取合適的措施，使相互獨(dú)立的縱模在相位上存在一定的關(guān)系，即使得相鄰縱模的位相差為一常數(shù)，則激光器的輸出特性將大為不同，將會(huì)輸出脈寬極窄、高峰值功率的脈沖。

脈沖之間的光強(qiáng)接近于 0。也可以通過頻譜分析儀觀察鎖模脈沖序列，如果激光器鎖模后，則頻譜儀會(huì)出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的等間距的尖峰，間距就是腔內(nèi)的縱模間隔。如果激光器是自由振蕩，則頻譜儀上的信號是一些列不穩(wěn)定無規(guī)則的尖峰。

由于孤子激光器的功率低，脈寬較寬且有克利邊帶，要輸出更高功率，更短的脈沖，一個(gè)方法就是引入展寬脈沖光纖激光器，也叫色散管理孤子光纖激光器，其基本原理就是在激光諧振腔中引進(jìn)正負(fù)色散兩種光纖進(jìn)行色散管理，這樣諧振腔中的脈沖來回振蕩的時(shí)候被周期性地展寬壓縮，減少了一個(gè)周期內(nèi)累積的非線性相移，可以提高激光器輸出的單脈沖能量，用這種方法可以產(chǎn)生納焦的飛秒脈沖。同時(shí)由于腔內(nèi)色散是變化的，克利邊帶將無法產(chǎn)生，得到底座小的高質(zhì)量脈沖(剩下的底座是高階色散引起)。要用這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生增益帶寬極限的脈沖，腔內(nèi)和腔外的色散均需要優(yōu)化。

超短脈沖激光器最直接的應(yīng)用就是作為超快光源，形成多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)，作為飛秒固體激光放大器的種子光源，可用于光纖型光參量振蕩器與放大器系統(tǒng)，并可使用周期性極化鈮酸鋰(ppln)進(jìn)行高效倍頻或頻率轉(zhuǎn)換。它的發(fā)展帶動(dòng)了物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進(jìn)入微觀超快過程領(lǐng)域。超短脈沖光纖激光器在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)學(xué)、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前開發(fā)的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)+ 比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有er3+、yb3+、nd3+、pr3+、tm3+、ho3+。%光纖激光器由泵浦源& 增益介質(zhì)腔鏡組成。 基本結(jié)構(gòu)如圖(所示)其中l(wèi)d發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器進(jìn)入光纖，使光纖中摻雜元素原子激發(fā)%腔鏡為二色鏡，反射輸出激光，對泵浦光增透% 與固體激光器相同，光纖激光器也是根據(jù)鎖模原理產(chǎn)生短脈沖激光輸出的% 光纖激光器在增益帶寬內(nèi)的大量縱模上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差為常數(shù)時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖模，諧振腔內(nèi)循環(huán)的單個(gè)脈沖經(jīng)過輸出耦合器輸出能量%根據(jù)鎖模方式不同，可分為主動(dòng)鎖模光纖激光器和被動(dòng)鎖模光纖激光器%由于主動(dòng)鎖模調(diào)制能力有限，限制了鎖模脈沖的寬度，脈沖寬度通常為+ ,量級%被動(dòng)鎖?；蜃枣i模光纖激光器是利用光纖或其它元件中的非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模的，激光器結(jié)構(gòu)簡單，在一定條件下不需要插入任何調(diào)制元件就可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模工作。通常自啟動(dòng)被動(dòng)鎖模光纖激光器可以輸出/,量級的超短脈沖。

由塊狀工作物質(zhì)及各種光學(xué)元件組成的傳統(tǒng)固體激光器存在體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松、可靠性差等缺點(diǎn)%而光纖激光器有以下特點(diǎn): 1 增益介質(zhì)長， 能方便地延長增益長度使抽運(yùn)光充分吸收，光-光轉(zhuǎn)換效率超過60% 2 光纖激光器表面積/體積比大，其工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小，光纖中的場主要約束在纖芯內(nèi)，使纖芯中的場強(qiáng)很大，加之光纖的低損耗又使這種高光強(qiáng)可以保持很長距離，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率 (140nw/cm2) 3 易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖 4 光纖激光器體積小且結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，使用方便 5 激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455~3500nm)設(shè)計(jì)與運(yùn)行，使光纖激光器可調(diào)%由于光纖激光器具有以上特點(diǎn)，因此采用光纖作為振蕩器產(chǎn)生超短脈沖激光比傳統(tǒng)固體激光放大器更具優(yōu)勢。