摘要 隨著光纖激光器在光通信、醫(yī)學(xué)、傳感器和光譜學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng) 用，作為光纖激光器重要代表之一的e d f a ( e r d o p e d 助e ra p l m e r 摻 鉺光纖放大器) 也得到了迅速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相當(dāng)多的研究機(jī)構(gòu)都致力 于e d f a 的研究和開發(fā)。 本文首先回顧了光纖激光器發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，概述了光纖激光器 的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用。然后從光纖激光器的基本原理出發(fā)，運(yùn)用速率方 程等理論，闡述了e d f a 的工作原理，并介紹了當(dāng)今e d f a 的主要技術(shù)。 之后討論了增益、噪聲、閾值和輸出功率等e d f a 的重要性能參數(shù)，為 e d f a 性能參數(shù)的測(cè)量提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 完善了一套e d f a 各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試方法，通過(guò)改進(jìn)后的插入法對(duì) 9 8 0 n m 波長(zhǎng)泵浦的e d f a 在1 5 3 0 砌1 5 6 0 m 間的增益和噪聲系數(shù)進(jìn)行 了測(cè)量，并繪制出了性能曲線。 關(guān)鍵詞：光纖激光器、e d f a 、增益、噪聲系數(shù)、測(cè)試方法 a b s t 托艮c t w i mt l l e 、v i d ea p p l i c a t i o no ff i b e rl a s e ri nm a n yf i e l d ss u c h 船 o p t i c c o m m u l l i c a t i o n ，m e d i c a ls c i e n c e ，璐o r 趾ds p e c 仃o s c o p ye t c ，a so n e o ft i l ci m p o r t a i l tr e p r e s e n t i o ni n 捌) e r1 a s e r ，e d f a( e r _ d o p e df i b e r a m 口l i f i e r )h 黯a l r e a d yb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y l o t so fi n s t i t u t i o n s 盯ea u d e v m e dt ot i l er e s e a r c ha n dd e v e l o d m e n to f e d f a h i s t o r y 趾dc l l i t e ms i t u a t i o no ff i b c rl a s e r 盯er e v i e w e di nm i sp a p e r ， 鋤dm ec h a 瑚l c t e r i s t i c ，c l a s s i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no fn l ef i b e r1 a s e ra r e s u m m e d ，t o o b 嬲e do n 口r i n c i p l eo ft h ef i b e rl a s e r 姐d 也e o r i e ss u c h 船 v e l o c i t ye q u a t i o ne t c ，t l l eo p e r a d o np r i n c i p l eo fe d f a i se x p l a i n e d ，a n dn l e m a i nt e c h n o l o 科o fc l l n 即te d f ai si n 缸d d u c e di nt l l i sp a p e r n l e n 也e i m p o n b n tp m p e n i e sp 盯a m e t e ro fe d f a i sd i s c u s s e d ，s u c ha sg a i n ，n o i s e ， m r e s h o l dv a l u ea n do u l p u tp o 、v e re t c no 任b r s 也e 曲屺o r e t i c a lf o u n d a t i o nf i o r m s l l r e m e n to fe d f ap r o p e r t i e sp 盯趾玳托r u p o nt h i s ，ak i n do ft e s 血g m e t h o do f p r o p e n i e sp 王眥n e t e ro f e d f ai so p 血n a l l yd e s i g n e di nt l l i sp a p e r w h e nt l l ei n c i d e n tl i g h tw a v e k n 衄i s 丘o m15 3 0 衄t o15 6 0 衄，t l l eg a i n 托dn o i c o e m c i e n to fe d f aw h i c hi sp u m p e db y9 8 0 n mw a v e l e n 納a r e m e a 蛐r e db yu s i n g 曲屺n e wi n t e r p o 1 a t i o nt e c h m q u e ，t l ep c r f o r i n a n c ec u r v e i sd n 啪u d t h em e a s u r e dr e s u l ts h o w st h eg a i n 孤dt l l en o i s ec o e 佑c i e n to f e d f a 講1 i c hi sp 咖叩e db y9 8 0 l l m 啪v e l c n g t l la r er e s p e c t i v e l yn a t t e ra n d l o 、v e r e d f aw a v e l e n 承hc a nb eu s e di nt h ec o m 塒【e r c i a lc o m m u n i c a t i o n s v g t e m k e yw o r d s ：n b e ri 且s e be d i a ，髀i n ，n o i s ec o d m c i e n t ，t e s 曲gm e t h o d 長(zhǎng)春理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的碩士學(xué)位論文，e d f a 性能參數(shù)的研究 和測(cè)試是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除 文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承 擔(dān)。 作者虢虹哇月皿 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“k 春理工大學(xué)碩士、博士學(xué) 位論文版權(quán)使用規(guī)定”，同意長(zhǎng)春理工大學(xué)保幫并向國(guó)家有關(guān)部1 l j 或機(jī) 構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子版，允影l(fā) ：論文被告閱和借閱。本人授權(quán) 長(zhǎng)春理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn) 行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文。 作者簽名：! 墊互旦b 至月且r 指導(dǎo)導(dǎo)師簽名：直堂王竺6 年土月衛(wèi)h 第一章緒論 1 1 光纖激光器的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀 光纖激光器作為第三代固體激光器的代表，是當(dāng)前光電子技術(shù)研究 領(lǐng)域的前沿課題之一，但是它并不是一項(xiàng)新型技術(shù)，它的歷史幾乎和激 光器的一樣長(zhǎng)。對(duì)摻雜光纖作增益介質(zhì)的光纖激光器的研究始于2 0 世紀(jì) 6 0 年代【”。斯尼澤( s i l i t z e r ) 于1 9 6 3 年報(bào)道了在玻璃基質(zhì)中摻激活釹離 子( d “) 所制成的光纖激光器。2 0 世紀(jì)7 0 年代以來(lái)，人們?cè)诠饫w制備 技術(shù)以及光纖激光器的泵浦與諧振腔結(jié)構(gòu)的探索方面取得了較大進(jìn)展。 而在2 0 世紀(jì)8 0 年代中期英國(guó)南安普頓大學(xué)鉺( 廚“) 光纖的突破，使 光纖激光器更具實(shí)用性，顯示出十分誘人的應(yīng)用前景【2 】。 從2 0 世紀(jì)6 0 年代初發(fā)明光纖激光器到2 0 世紀(jì)8 0 年代末第一批商 用光纖激光器出現(xiàn)在市場(chǎng)上，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程。這些光纖激光 器采用單模二極管泵浦，發(fā)射出幾十毫瓦的激光。之后光通信網(wǎng)絡(luò)1 5 5 0 n m 摻鉺光纖放大器的應(yīng)用使光纖激光器技術(shù)為大家所熟知。然而，相對(duì)于 毫瓦級(jí)，我們更需要瓦級(jí)的光功率輸出，使之適用于更廣泛的激光應(yīng)用 領(lǐng)域。瓦級(jí)光纖激光功率輸出的技術(shù)飛躍在1 9 9 0 年得到了實(shí)現(xiàn)，當(dāng)年一 臺(tái)4 w 的摻鉺光纖激光器被報(bào)道【3 1 ，這一發(fā)展為應(yīng)用于微機(jī)械的1 0 瓦級(jí) 甚至更高功率單模光纖激光器以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用，為第一臺(tái)真正的高 功率光纖激光器的技術(shù)奠定了基礎(chǔ)【4 j 。 當(dāng)今高功率光纖激光器的泵浦源是高功率的多模二極管，通過(guò)一個(gè) 圍繞著單模纖心的雙包層來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙包層光纖技術(shù)最早開始于2 0 世紀(jì) 8 0 年代后期，由美國(guó)麻省p o l 砌d d 公司的s n i t z e r 等人提出忙】。此后，基 于這種技術(shù)的光纖激光器獲得了迅速的發(fā)展，輸出功率得到逐步提高， 由幾百毫瓦上升到幾十瓦，并開始了在光通信、印刷、微加工等行業(yè)的 廣泛應(yīng)用。2 0 世紀(jì)末v d o m i n i c 等人報(bào)道了他們的輸出功率高達(dá)1 1 0 w 的摻鐿雙包層光纖激光器【6 】。2 0 0 2 年的c l e 0 會(huì)議上報(bào)道了y b 瓜d 共摻 的雙包層光纖激光器連續(xù)輸出達(dá)到了1 5 0 w 【”。日本的一個(gè)研究小組借 助于雙包層光纖激光器包層泵浦的思想，提出并實(shí)現(xiàn)了一種稱為可以成 為“任意形狀”的光纖激光器。他們認(rèn)為這種器件可以實(shí)現(xiàn)近千瓦的連 續(xù)激光輸出，這些進(jìn)展對(duì)光纖激光器在激光加工和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用起到 了巨大的推進(jìn)作用【8 j 。 現(xiàn)在雙包層光纖激光器在國(guó)外已經(jīng)有產(chǎn)品出售，但也只有i p g p h o t o n i c s 、j d su n i p h a 和s d l 以及i r ep o l u s 等幾家公司能提供這 樣的產(chǎn)品。他們所用的都是石英雙包層摻雜光纖，由于石英雙包層光纖 的原料制備復(fù)雜、要求純度高，拉絲困難，并且不能做到高摻雜，從而 使得光纖激光器所需的光纖較長(zhǎng)。由于非線性效應(yīng)限制，這種低摻雜光 纖不利于高功率激光的輸出【9 】。2 0 0 2 年5 月2 0 日，世界上功率最大的光 纖激光器已在德國(guó)交付使用( 2 ，o o o w 單模、連續(xù)輸出1 0 6 朋波長(zhǎng)) 【l 。 國(guó)內(nèi)的上海光機(jī)所、南開大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所等單位也對(duì)雙包層光纖 激光器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。上海光機(jī)所在雙包層光纖激光理論和實(shí) 驗(yàn)研究方面取得了較大的進(jìn)展，在實(shí)驗(yàn)上研制成功了連續(xù)輸出功率為5 w 量級(jí)，波長(zhǎng)為1 1 0 n m 的雙包層光纖激光器，傾斜效率近5 0 。并且由于 采用半導(dǎo)體制冷器對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行溫度制冷控制，使得整個(gè)系統(tǒng)小 巧、穩(wěn)定、高效【】。在理論上，他們提出一種具有新型包層結(jié)構(gòu)的雙包 層光纖，這種光纖相對(duì)于其它常規(guī)內(nèi)包層形狀的光纖，可以大大提高對(duì) 泵浦光的吸收效率。同等條件下，可使所用光纖較短。在雙包層光纖的 拉制方面，利用磷酸鹽玻璃可以實(shí)現(xiàn)稀土元素的高摻雜，縮短光纖的工 作長(zhǎng)度，降低非線性效應(yīng)【4 2 】【4 3 】。上海光機(jī)所正研究開發(fā)的磷酸鹽雙包層 光纖激光器，目前已拉制出光纖成品，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)和工藝水平，近期 就可望實(shí)用化。 1 2 光纖激光器的特點(diǎn)及其分類 1 2 1 光纖激光器的特點(diǎn) 由于光纖激光器是波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，因而具有可容納強(qiáng)泵浦和高效益的 特點(diǎn)。具體特點(diǎn)如下： ( 1 ) 增益介質(zhì)長(zhǎng)。光繹激光器能方便地延長(zhǎng)增益長(zhǎng)度以使抽運(yùn)光充分 吸收，從而使總體的光一光轉(zhuǎn)換效率超過(guò)6 0 ，這是其它激光器所無(wú)法 比擬的【1 2 】。 ( 2 ) 激光介質(zhì)本身就是波導(dǎo)介質(zhì)，耦合效率高；纖芯直徑小，纖內(nèi)易 形成高功率密度；可方便地與目前的光纖傳輸系統(tǒng)高效連接。 ( 3 ) 光纖激光器具有大的表面積體積比，散熱效果好，能產(chǎn)生甚高亮 度和甚高峰值功率，能在不強(qiáng)制冷卻的情況下連續(xù)工作。 ( 4 ) 由于光纖具有極好的柔韌性，光纖激光器可以設(shè)計(jì)的相當(dāng)小巧靈 活，有利于在光纖通信和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用；同時(shí)可借助光纖定向耦合器構(gòu) 成各種柔性諧振腔，使激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定【l 3 1 。 ( 5 ) 容易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖。 ( 6 ) 具有相當(dāng)多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得寬調(diào)諧范圍、良好的 單色性和高穩(wěn)定性。其泵浦壽命長(zhǎng)，平均無(wú)故障工作時(shí)間在1 0 0 0 0 h 甚至 1 0 0 0 0 0 h 以上【1 4 1 。 ( 7 ) 光纖激光器可在很寬的光譜范圍內(nèi)( 4 0 0 3 5 0 0 n m ) 設(shè)計(jì)與運(yùn)行。 這些特點(diǎn)決定了光纖激光器比半導(dǎo)體激光器和大型激光器擁有更多的優(yōu) 勢(shì)。f 1 5 】 1 2 2 光纖激光器的分類 光纖激光器有很多種，可按不同分類方法分類( 如表1 1 所示) 。下 面具體介紹幾類光纖激光器?！? q 4 1 9 1 表卜1 光纖激光器的分類 分類方法種類 按諧振腔結(jié)構(gòu)分類 按輸出波長(zhǎng)組成分類 按增益介質(zhì)分類 按工作機(jī)制分類 按輸出激光分類 按輸出波長(zhǎng)分類 按光纖結(jié)構(gòu)分類 f p 腔、環(huán)形腔、環(huán)路發(fā)射激光器光纖諧振腔、d b r 光 纖激光器、d f b 光纖激光器等 單波長(zhǎng)光纖激光器和多波長(zhǎng)光纖激光器 稀士類摻雜光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單模 光纖激光器和塑料光纖激光器 上轉(zhuǎn)換光纖激光器和下轉(zhuǎn)換光纖激光器 脈沖激光器和連續(xù)激光器 s - 波段( 1 2 8 0 1 3 5 0 n m ) 、c 一波段( 1 5 2 8 1 5 6 5 n m ) 、和 l 波段( 1 5 6 l 1 6 2 0 m ) 單包層光纖激光器和多包層光纖激光器 按摻雜元素分類 摻鉺( e r “) 、釹( m 3 + ) 、鐠( p r “) 、鐿( 塒“) 鈥( 脅3 + ) 等1 5 種 1 2 2 1 多波長(zhǎng)光纖激光器 衰減器 泵浦 圖1 1 雙臂光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖 對(duì)于多波長(zhǎng)光纖激光器，摻鉺光纖增益的均勻展寬線寬是一個(gè)重要 參數(shù)。室溫下由于摻鉺光纖增益的均勻展寬線寬較大，不同波長(zhǎng)之間的 競(jìng)爭(zhēng)很激烈，難以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的同時(shí)激射。因此，為了實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的同 時(shí)激射，需要將摻鉺光纖置于液氮之中，因?yàn)榈蜏貢r(shí)，均勻展寬的線寬 變窄，減少了不同波長(zhǎng)之間的競(jìng)爭(zhēng)。多波長(zhǎng)光纖激光器主要分為用光纖 光柵提供反饋并選擇波長(zhǎng)和利用濾波機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)兩種。前一種激 光器結(jié)構(gòu)與多波長(zhǎng)激光器相似，只是用了多個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光柵或是 在一段光纖上寫入了超結(jié)構(gòu)光柵。使用濾波機(jī)理實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)光纖激光器 的典型結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示【2 0 j 。 多波長(zhǎng)可調(diào)諧光纖激光器在w d m ( 波分復(fù)用) 系統(tǒng)中是非常有用 的光源。s e u n gk w 趾k i m 等人報(bào)道了使用增益平坦濾波器制成的寬帶多 波長(zhǎng)摻鉺光纖環(huán)形腔激光器。該激光器能產(chǎn)生穩(wěn)定的信道間距，1 0 0 g h z 的3 4 路的激光輸出，波長(zhǎng)范圍為1 5 3 5 1 5 6 2 n m 【2 1 1 。 1 2 2 2 摻稀土類光纖激光器 2 0 世紀(jì)8 0 年代后期，由于光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，光纖材料特別是 摻稀土元素光纖材料和新的激光泵浦技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了光纖激光技術(shù) 的發(fā)展。從那時(shí)起，摻稀土元素光纖激光技術(shù)的研究受到世界各國(guó)的普 遍重視，并得到迅速發(fā)展。所摻稀土元素包括1 5 種，在元素周期表中位 于第5 行。目前比較成熟的有源光纖中摻入的稀土粒子有：廚“、 耐“、 n “、t m “和y d “【塒。摻鉺光纖在1 5 5 刪波長(zhǎng)處具有很高的增益，這 正對(duì)應(yīng)低損耗通信窗口，其潛在的應(yīng)用價(jià)值使其發(fā)展十分迅速。摻鐿光 纖激光器是波長(zhǎng)1 o 1 2 刪的通用源。y d “具有相當(dāng)寬的吸收帶( 8 0 0 1 0 6 4 衄) 以及相當(dāng)寬的激發(fā)帶( 9 7 0 1 2 0 0 n m ) ，因此泵浦源選擇非常廣 泛，而且泵浦源和激光均沒(méi)有受激態(tài)吸收【2 孔。摻銩( t m “) 光纖激光器 的激射波長(zhǎng)為1 4 j 刪波段，也是重要的光纖通信光源。k o m u k a it 等人 獲得了輸出功率為l o o w ，波長(zhǎng)為1 4 7 j 刪摻鐿光纖激光器阱l 。其它摻雜 光纖激光器在醫(yī)療和生物學(xué)研究上均具有廣闊的應(yīng)用前景。 1 2 2 3 頻率上轉(zhuǎn)換光纖激光器 頻率上轉(zhuǎn)換光纖激光器是一種振蕩頻率比泵浦頻率高的光泵浦激光 器。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的產(chǎn)生主要有3 種過(guò)程：步進(jìn)多光子吸收過(guò)程、多個(gè)激 發(fā)態(tài)離子的共協(xié)上轉(zhuǎn)換過(guò)程及光子雪崩上轉(zhuǎn)換過(guò)程。目前，備受人們關(guān) 4 注的是對(duì)能發(fā)出多色光和藍(lán)色的摻鐠( p r “) 、銩( t m “) 的研究；泵 浦光源也從鈦寶石激光器等向半導(dǎo)體激光器發(fā)展；光纖長(zhǎng)度有逐漸縮短 的趨勢(shì)；基本上以具有較高的上轉(zhuǎn)換效率的氟化物玻璃為基質(zhì)。上轉(zhuǎn)換 光纖激光器現(xiàn)已成為可使用的全固態(tài)藍(lán)綠光源，廣泛應(yīng)用于光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 彩色顯示、醫(yī)學(xué)熒光診斷和光通信。s 鋤d e r ss 等人采用兩個(gè)1 1 0 d 1 4 0 0 眥可調(diào)諧激光二極管作泵浦源，獲得了高達(dá)1 0 6 w 的4 8 0 i l l i l 藍(lán)光 上轉(zhuǎn)換激光器m 1 1 2 2 4 雙包層光纖激光器 近年來(lái)雙包層光纖激光器以其低閾值、高效率、窄線寬和可調(diào)諧等 顯著優(yōu)勢(shì)備受人們的青睞。該激光器利用包層泵浦技術(shù)，高功率激光二 極管陣列能對(duì)包層光纖進(jìn)行有效的端面泵浦。纖芯的稀土離子吸收多模 泵浦激光并輻射出單模激光，使高功率、低亮度的激光二極管發(fā)出的泵 浦激光轉(zhuǎn)換成衍射極限的強(qiáng)激光輸出。雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層、外 包層和保護(hù)層4 個(gè)層次組成，雙包層光纖與常規(guī)光纖的區(qū)別在于能提供 包層波導(dǎo)，耦合進(jìn)包層的泵浦光在其中傳播，并被纖芯中的摻雜元素所 吸收。在高功率激光器應(yīng)用方面，雙包層光纖激光器現(xiàn)已成為人們的首 選產(chǎn)品?，F(xiàn)已有包括美國(guó)s d l 和俄羅斯i r e p o l u s 在內(nèi)的幾家公司，能 提供高功率的雙包層光纖激光器產(chǎn)品t 2 6 】。該激光器的種類大致有3 種： 高功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的雙包層光纖激光器、調(diào)q 運(yùn)轉(zhuǎn)的雙包層光纖激光器和 波長(zhǎng)可調(diào)諧的雙包層光纖激光器。 輸出1 圖1 2 包層泵浦調(diào)q 光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖 圖1 2 所示為包層泵浦調(diào)q 光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。該激光器可 使峰值功率提高一個(gè)量級(jí)，脈寬可壓縮到2 n s 。它是在雙包層光纖的一端 接入常規(guī)單模摻雜光纖，采用一個(gè)全反射鏡和一個(gè)二相色鏡構(gòu)成駐波結(jié) 構(gòu)，在腔內(nèi)插入聲光調(diào)制器使激光的重復(fù)頻率可調(diào)【2 7 l 。 1 3 光纖激光器的應(yīng)用 光纖激光器在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、激光印 刷和全色顯示等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。 l - 3 1 通信 在光纖通信的兩個(gè)主要窗口1 3 ，血和1 5 ，棚以及在s ，c 到l 波段 ( s - 波段( 1 2 8 0 1 3 50 1 1 m ) 、c 波段( 1 5 2 8 1 5 6 5 n m ) 、和l 波段( 1 5 6 l 1 6 2 0 m ) ) 中，特別需要低噪聲、高功率和窄線寬的光源?？梢苑糯髮?波段信號(hào)的喇曼放大器需要大功率的泵浦源，而光纖激光器的層腔疊腔 技術(shù)為其提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。光纖激光器是目前光纖通信研究最為 活躍的研究領(lǐng)域之一，它不僅能夠產(chǎn)生連續(xù)的激光輸出，而且能夠產(chǎn)生 p s f s 級(jí)的超短光脈沖，在d w d m ( 密集波分復(fù)用) 系統(tǒng)中有巨大的潛 在應(yīng)用。如外調(diào)制的摻鉺光纖激光器在1 9 9 6 年就能提供傳輸距離6 4 5 k m ， 速率為2 0 5 g 6 s 的信號(hào)，其誤碼率為l o 。9 ，與d b f 半導(dǎo)體激光器性能 相同，但后者難以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)特定【2 8 】。光纖激光器用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)并 使之支持更高的傳輸速率，在未來(lái)高碼率通信系統(tǒng)中具有不可替代的重 要地位。 1 3 2 軍事 美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高 到千瓦數(shù)量級(jí)。定向瞄準(zhǔn)項(xiàng)目中的激光集成技術(shù)分項(xiàng)目的研究人員正與 加州s a i lj o 市的s d l 公司展開合作研究，試圖開發(fā)一種高亮度、光照 面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前被人看好的化學(xué)激 光器?！? 9 】 1 3 3 工業(yè)加工 激光波長(zhǎng)在1 0 8 0 i 】m 附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密 度使其在材料加工方面可與傳統(tǒng)的y a g 激光器相媲美【3 0 1 。光纖激光器用 于先進(jìn)加工產(chǎn)業(yè)可使許多大型的激光加工設(shè)備包括切割、焊接、熱處理、 激光打標(biāo)、激光雕刻、精密打孔等設(shè)備以及激光醫(yī)療器械的整機(jī)小型化 和輕量化甚至是便攜式的靈巧系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。 1 3 4 激光印刷 雙包層光纖激光器因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率而大量進(jìn)入 印刷市場(chǎng)，印刷廠可以利用它進(jìn)行校樣的制模。 1 3 5 醫(yī)療 功率超過(guò)幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術(shù)中扮演了十分重要的角 色，它能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射源。 綜上所述，由于光纖激光器的優(yōu)良性能，決定了它比半導(dǎo)體激光器 和大型激光器( 如各種體積龐大的、普通激光加工和打標(biāo)使用的c d ：和 y a g 激光器) 擁有更多的優(yōu)勢(shì)。光纖激光器不僅在光纖通信領(lǐng)域中占有 越來(lái)越重要的地位，亦是目前激光技術(shù)領(lǐng)域中人們競(jìng)相研究的激光光源 之一，其中高功率雙包層摻雜光纖激光器已成為近幾年研發(fā)的熱點(diǎn)。 1 4 本論文的工作 本論文第一章將對(duì)光纖激光器做了一個(gè)全局性的概述，使人們對(duì)光 纖激光器的概念、分類和技術(shù)特點(diǎn)有一個(gè)基本的了解，同時(shí)回顧光纖激 光器的歷史，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀，對(duì)光纖激光器的發(fā)展做出展 望。第二章將從光纖激光器的基本原理出發(fā)，運(yùn)用速率方程等理論，利 用解析的方法，闡述e d f a 工作原理，并介紹當(dāng)今e d f a 的主要技術(shù)。 第三章將討論e d f a 的增益、噪聲、閾值和輸出功率等重要的性能參數(shù)， 為e d f a 性能參數(shù)的測(cè)量提供理論依據(jù)。第四章將在前面討論的基礎(chǔ)上， 優(yōu)化設(shè)計(jì)一套光纖激光器各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試方法，通過(guò)改進(jìn)后的插入 法對(duì)9 8 0 眥波長(zhǎng)泵浦的e d f a 在1 5 3 0 n m 1 5 6 0 螄間的增益和噪聲系數(shù) 進(jìn)行測(cè)量，并繪制出性能曲線。 第二章e d e a 的原理及其主要技術(shù) 2 1e d e a 的基本原理 2 1 1 光纖激光器的基本原理 光纖激光器和其它激光器一樣，都是由產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光 予得到反饋并在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵(lì)光躍遷的 泵浦源三部分組成。 利用摻雜稀土元素的光纖研制成的光纖放大器給光波技術(shù)領(lǐng)域帶 來(lái)了革命性的變化。由于任何光放大器都可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制形成 激光器，因此光纖激光器也可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)。目前開發(fā)研 制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)。由于光纖激 光器中光纖纖芯很細(xì)，在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度， 造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。因此，當(dāng)適當(dāng)加入正反 饋回路( 構(gòu)成諧振腔) 便可形成激光振蕩。另外由于光纖基質(zhì)具有很寬 的熒光譜，因此光纖激光器一般都可做成可調(diào)諧的，非常適合于w d m 系統(tǒng)應(yīng)用【3 l 】。【3 2 】。 縱向泵浦的光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示【”j 。一段摻雜稀土元素 離子的光纖被放置在兩個(gè)反射率經(jīng)過(guò)選擇的腔鏡之間，泵浦光從左面腔 鏡耦合進(jìn)入光纖。左面腔鏡對(duì)于泵浦光全部透射，同時(shí)對(duì)于激射光全部 反射，以便于有效利用泵浦光并防止泵浦光產(chǎn)生諧振麗造成輸出光的不 穩(wěn)定。右面腔鏡對(duì)于激射光部分透射，以便造成激射光子的反饋并獲得 激光輸出。這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是f a b r y p e m t 諧振腔結(jié)構(gòu)。泵浦波長(zhǎng)上 的光子被介質(zhì)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，最后在摻雜光纖介質(zhì)中產(chǎn)生受激 發(fā)射而輸出激光。 泵浦光 廣 l _ 1 7 r 修爾尤 r 7 么么 圖2 1 光纖激光的基本結(jié)構(gòu)示意圖 8 詈一 激光輸出可以是連續(xù)的，也可以是脈沖形式的，依賴于激光工作介 質(zhì)。對(duì)于連續(xù)輸出，激光上能級(jí)的自發(fā)發(fā)射壽命必須長(zhǎng)于激光下能級(jí)， 以獲得較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通常當(dāng)激光下能級(jí)的壽命超過(guò)上能級(jí)時(shí)，只 能獲得脈沖輸出。 泵浦帶泵浦帶 基態(tài) 能級(jí) ( a ) 三能級(jí)( b ) 四b l 級(jí) 圖2 2 三能級(jí)和四能級(jí)的簡(jiǎn)化能級(jí)圖 光纖激光器有兩種激射狀態(tài)，一種是三能級(jí)激射，另一種是四能級(jí) 激射。圖2 2 ( a ) 和( b ) 分別表示了三能級(jí)和四能級(jí)躍遷系統(tǒng)的簡(jiǎn)化能 級(jí)圖。 兩者的差別在于較低能級(jí)所處的位置。在三能級(jí)系統(tǒng)中，激光下能 級(jí)即為基態(tài)，或者是極其靠近基態(tài)的能級(jí)。而在四能級(jí)系統(tǒng)中，激光下 能級(jí)和基態(tài)能級(jí)之間仍然存在一個(gè)躍遷，通常為無(wú)輻射躍遷。電子從基 態(tài)提升到高于激光上能級(jí)的一個(gè)或多個(gè)泵浦帶，一般通過(guò)非輻射躍遷到 達(dá)。泵浦帶上的電子很快豫弛到壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)，在亞穩(wěn)態(tài)上積累電 子，造成電予數(shù)多于激光下能級(jí)，即形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。電子以輻射光子 的形式放出能量回到基態(tài)。這種自發(fā)發(fā)射的光子被光學(xué)諧振腔反饋回增 益介質(zhì)中誘發(fā)受激發(fā)射，產(chǎn)生出與誘發(fā)這一過(guò)程的光子性質(zhì)完全相同的 光子。當(dāng)光子在諧振腔內(nèi)所獲得的增益大于其在腔內(nèi)的損耗時(shí)，就會(huì)產(chǎn) 生激光輸出。理論上四能級(jí)光纖激光器的閾值低于三能級(jí)系統(tǒng) ”i - 【”】。 當(dāng)光通過(guò)摻雜稀土元素的光纖介質(zhì)時(shí)，其部分光子將被介質(zhì)吸收， 這些光子能量促使介質(zhì)的電子躍遷到激發(fā)態(tài)。其后處于激發(fā)態(tài)的電子可 以通過(guò)輻射或非輻射過(guò)程回到基態(tài)，并將能量釋放。輻射過(guò)程有兩類， 自發(fā)輻射和受激輻射，后者是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相 干性極好的激光。激光發(fā)射是受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自發(fā)輻射的物理過(guò)程， 9 為了使這個(gè)過(guò)程持續(xù)發(fā)生，必須造成“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。因此要求參與過(guò)程 的能級(jí)應(yīng)超過(guò)兩個(gè)，還要有泵浦源提供能量。 2 1 2e d l l a 的工作原理 對(duì)于e d f a 的理論分析應(yīng)基于激光理論與光纖理論的結(jié)合。e d f a 可以視為三能級(jí)工作系統(tǒng)。當(dāng)泵浦光光子和西”離子碰撞時(shí)，將一定數(shù) 目的基態(tài)黿上的粒子激發(fā)至能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)霹上，由于粒子在激發(fā)態(tài) 上的壽命很短( 一般在1 0 。1 1 1 0 j ) ，激活的d “粒子很快以輻射躍遷的 方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)e ；上( e ；壽命。一般在聊5 量級(jí)) ，在霹和e ；間形成 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光的過(guò)程正是霹和茸能級(jí)之間受激躍遷的結(jié)果。因此可 以將e d f a 的三能級(jí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二能級(jí)考慮，如圖2 3 所示口刀。 圖2 3 簡(jiǎn)化的二能級(jí)系統(tǒng) 二能級(jí)系統(tǒng)中。、2 分別為態(tài)e ：和e ；上的粒子分布數(shù)；y 。和l ，分 別為泵浦光和激光的頻率；彬：，代表由于泵浦過(guò)程而使能級(jí)e ；上粒子 數(shù)減少的速率，其中的作用項(xiàng)：代表一個(gè)正比于泵浦光光子數(shù)的量； 。2 則是代表由于自發(fā)輻射使能級(jí)劇上粒子數(shù)增加的速率，。是能級(jí) l o 霹上粒子壽命的倒數(shù)，即。= 二；項(xiàng)刪：和刪，分別代表受激發(fā)射和 z ， 受激吸收過(guò)程；根據(jù)愛因斯坦理論正比于激光光場(chǎng)中的光子數(shù)。 正是以上四個(gè)過(guò)程維持了霹和霹能級(jí)之間的粒子躍遷，從而產(chǎn)生激 光，所以e d f a 三能級(jí)速率方程為 礦( 2 一1 ) + 2 一z - _ 曇l = 一曇z 一 ( 2 1 ) 由于光纖放大是激光產(chǎn)生和光波傳播的綜合過(guò)程，所以必須寫出速 率方程的局域形態(tài)，為此引入以下變量：泵浦光光子數(shù)密度五( 圮f ) ，激 光光子數(shù)密度s ( 圮r ) ，鼢“粒子數(shù)密度 ，( 均，下能級(jí)粒子數(shù)密度”。( e f ) ， 上能級(jí)粒子數(shù)密度珂：( 圮f ) 。這里玎。+ 擰：= ”，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 ( e r ) = ”：一n 。，泵浦光同西“離子作用截面盯，以及泵浦光光速c ，激光同摻雜 離子作用截面盯，和激光光速c 。( 尸是空間位置矢量) 。 由于泵浦光和激光在光纖中傳輸?shù)纳?，故c 。c 。因此寫出光纖中 泵浦光和激光沿軸向傳輸時(shí)的局域速率方程( 碰撞理論) 3 剮。 叩渺魯 叩鏟魯一魯= 一曇竹： ( 2 2 ) 激光和泵浦光均為連續(xù)情況下經(jīng)歷一段時(shí)間而使得光纖進(jìn)入穩(wěn)態(tài) f 旦：o ， l 研 速率方程為： c 。0 0 5 h + 蘭生= c 。盯。胄一 ( 2 3 ) ， 光在光纖中的傳輸包括激光產(chǎn)生和介質(zhì)損耗過(guò)程，后者是指除了躍 遷量子吸收以外的一切吸收損失，遵從比爾定律，故可用吸收系數(shù)描述。 激光過(guò)程對(duì)泵浦光傳輸而言是吸收過(guò)程，對(duì)激光則要視粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的情 況咖芷。以撒尤為修找1 f j 取出這一小段光紳采者! 激光光于密度s ( ，f ) 的 局域變化率豢 詈= ( 魯 。+ ( 署 i + ( 署) 。 c ：舢 其中a ) 1 是指激光產(chǎn)生引起的要，在e d f a 三能級(jí)系統(tǒng)中 講 ( 等) ，= q 吒心，西) ：項(xiàng)是光在介質(zhì)中損耗對(duì)等的貢獻(xiàn)，遵從比爾定 律陋a ) ：= 一q s ，卉) ，項(xiàng)是由光予在z 端和z + 出端通量差引起 的。 咖啦飛砘鼬) _ _ q 薯 ( 2 s ) 考慮以上三個(gè)過(guò)程，得出 【專曇+ 魯j s = 盯。心一，s c z s ， 對(duì)于泵浦光也有類似的關(guān)系 ( 毒言+ 魯 r = 一盯，r 一以r c z ， 這里以，兒分別是激光、泵浦光的比爾吸收系數(shù)。 在連續(xù)波穩(wěn)態(tài)時(shí)( 導(dǎo)= o ) ，我們可得穩(wěn)態(tài)傳輸方程 從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，由于各種方向( 模式) 的光線反射和相互 干涉，光纖對(duì)橫模起著一種“組織”作用，可近似認(rèn)為光功率橫向分布 曲 趣腫 邢 刪 1 i | | 微一如8一融 與坐標(biāo)z 無(wú)關(guān)，這樣我們可以引入兩個(gè)歸一化分布函數(shù)，和g ，其定義 如下( 其中0 和只分別為泵浦光和激光的光功率) 矗g ，y ，z ，f )掣， 廳礦p c ， ( 2 9 ) s b 列) = 籌g ( 2 1 0 ) ，和g 滿足歸一化條件j p ( 五y ) 出砂= j b ( x ，j ，) 出方= l ，在柱坐標(biāo)下改寫 為 r = 士，p ，口) ( 2 1 1 ) s = g p ) ( 2 1 2 ) 九p j c j 其中，o ，目) ，g o ) 反映光纖中的模式特征；對(duì)于階躍型光纖，它們分別 表示為 刪= 艋戮高細(xì)咖：坩籬眩 g p ) ： ，叫口) c 0 8 2 7 ，硼 ( 2 1 4 ) g 妒j 2 撼( “) ( 礦) 】2 籪( 盼口) o ，r 甜 旺1 4 其中口為纖芯半徑，u ，為光纖橫向歸一化傳播常數(shù)。對(duì)西“離子而言， 徑向也有分布 ( r ，口，z ) = 0 竹( r ) ( 已假定縱向均勻) n ( ，) 滿足歸一化條件r 聆( ，) 砌一1 ，。是量綱為所一1 特征量。下面我們 引入光強(qiáng)函數(shù) 下 7 ，2 r l ，= v ，c ，s ，p p = l l i p 蛐 ，p s = 弧出匆 ( 2 1 5 ) 根據(jù)上述的討論可將用于討論穩(wěn)態(tài)下e d f a 放大的基本方程歸納如 速率方程：c ，吒砌+ 2 盯，r ”， 罷珥卵饑r 黼旆： 垂吒三9 【瑟 5 “ 離子數(shù)方程：咒：+ n t 2 ”， 化簡(jiǎn)上面諸式解得 ( 2 1 6 ) 一警1 r 瓦焉畿殺”彬 如 9 2 c 5 盯，f ，s + c p 仃p r ，r + 1 。 9 等一，s 瓦籌曠艫 如 6 2 c 5 口i f ，s + c p 盯p f ，r + 1 ”： 壘壘! 墨二! h ，( 2 1 7 ) 2 c j 仃，f ，j + c p 仃p f ，r + l c 。盯。fr s + l 玎1 = l 一 t i 2 c ，盯$ f ，s + c ，盯p f ，r + 1 m ：生生塵翌! 塵竺九， 以上即是對(duì)光子密度的耦合放大方程及粒子數(shù)分布方程。為了得到 關(guān)于光強(qiáng)的耦合放大方程，先定義飽和光強(qiáng)，。和，。以及兩個(gè)無(wú)量綱數(shù) 爿和口 j j ，。2 = 廳p ，f ；1 i 口。j 1爿= ，? ，。 ( 2 1 8 ) l ，= 匕f ；1 d ，【曰= t ， 。 嚴(yán)格地說(shuō)，。應(yīng)稱為閾值【4 們。下面是光強(qiáng)的耦合放大方程 1 4 這里假設(shè)泵浦光和激光是單橫模，將式( 2 1 9 ) 和( 2 1 2 ) 代入光子數(shù)密 度耦合放大方程( 2 1 7 ) 并對(duì)橫截面作積分ff ”塒m p 由由 蓋印舢rf 。刪目 硒焉赫器 ，( ，口) 以( ，) + 心 蓋印川rf 。刪p 面焉端籌簪品 。g ( ，p ) ”( r ) + ，。 ( 2 2 0 ) 此即光功率的耦合放大方程。仿照光強(qiáng)方程的討論引入飽和光功率昂。和 只。以及無(wú)量綱數(shù)口和盧 麓：髓鷥紡 眨z - ， l ，il 1 只0 2 ，盯i = 只p 一 這里盯= 勰2 是總面積，光功率方程可以化為 一專警：( 睪) 0 嘣礎(chǔ)， 掰韶 口 去警= ( 眥( 郵一， 其中以，以是兩個(gè)復(fù)合積分 ( 2 2 2 ) b “ 簿 也 觸一如船一如 這個(gè)方程只能依賴計(jì)算機(jī)求得數(shù)值解。 從式( 2 2 2 ) 可以看出，由于泵浦光初期( 剛進(jìn)入光纖時(shí)) 較大， 故以 ，) 是正的，且( 以盯) o 以 ，) 以，即此時(shí)激光得到放大， 隨著z 增加泵浦功率隨之減弱，當(dāng)( 盯。肛) 。，( 口，) = 以時(shí)激光進(jìn)入負(fù) 增益( 即衰減) 階段。換句話說(shuō)，存在個(gè)最佳的長(zhǎng)度，激光在此具有 一個(gè)最大的增益。從方程中知道，即使幾= o ，隨著瑾減少至j ，( 臼，) = 0 ， 激光也會(huì)從放大過(guò)程過(guò)渡到衰減，可見兒的存在減少了最佳長(zhǎng)度a 為了 進(jìn)一步探討方程的特性，令加，臼) = g o ，口) = l ，= ，。= o ，即拋棄橫 模特性忽略介質(zhì)吸收，即得 一警= c 和赫 眩2 4 ， 古警= c o 署鼉 這樣簡(jiǎn)化并非毫無(wú)意義，可以驗(yàn)證上面的方程組和光強(qiáng)方程。 在光纖輸入端泵浦光很大而激光很小時(shí)，可以認(rèn)為口 1 ， 口時(shí)，泵浦光指數(shù)衰減?？谒p至很小時(shí)( 口 1 ) ，口雖 已進(jìn)入負(fù)增益階段但仍很大時(shí) 即泵浦光指數(shù)衰減激光線性下降 上面的理論只是一種近似，由于摻雜光纖激光器的放大過(guò)程中影響 的因素很多，且較為復(fù)雜，因此理論還有待于進(jìn)一步研究?！? 1 】 2 2e d f a 的主要技術(shù) 2 2 1e d f a 的調(diào)諧 e d f a 在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在腔處于最佳狀態(tài)的譜線上獲得激光輸出。為了 使輸出在一定的頻譜范圍內(nèi)調(diào)諧，需要在腔內(nèi)插入波長(zhǎng)選擇器，或直接 使用具有波長(zhǎng)選擇性的反射鏡。由于摻鉺光纖具有寬熒光譜特性，因此 波長(zhǎng)選擇器以某種方式調(diào)諧即可在寬范圍內(nèi)得到相應(yīng)的激光輸出。 激光輸出 諧光譜 圖2 4 反射式光柵可調(diào)諧e d f a 使用的第一種調(diào)諧方法是將輸出鏡代以反射式衍射光柵，并插入適當(dāng) 的分束器、準(zhǔn)直器等光學(xué)元件，如圖2 4 所示 州。這里準(zhǔn)直透鏡起著擴(kuò) 束作用，以保證大部分光柵盡可能被利用，從而得到最大的分辨率。這 樣，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵改變光束與光柵的角度，即可達(dá)到選擇波長(zhǎng)進(jìn)而達(dá)到輸出 1 7 妣 “ 鶘扣等爭(zhēng) 可以調(diào)諧的目的。顯然，這種方法與別的固體激光器情況完全相同。它 的主要缺點(diǎn)是，由于腔內(nèi)插入了透鏡等光學(xué)元件，致使腔內(nèi)損耗增加， 因此閾值明顯提高。 另一種調(diào)諧方法是使用前面已經(jīng)介紹過(guò)的光纖環(huán)反射器。由于這種 反射器的反射率與耦合比k 有依賴關(guān)系，k 又與通過(guò)耦合器的光波波長(zhǎng) 有關(guān)。因此，如能通過(guò)某種外部手段( 例如調(diào)節(jié)溫度) 改變k 值，則輸出 波長(zhǎng)即可得到調(diào)諧。耦合區(qū)被置于熱導(dǎo)封裝混合物中，這可以保證很好 的熱接觸；并安裝有珀?duì)柼骷?，借以改變耦合區(qū)的溫度，通過(guò)改變溫 度即可得到相應(yīng)波長(zhǎng)的激光輸出。用這種方法改變溫度6 0 0 c ，得到的調(diào) 諧范圍可以達(dá)到3 3 m m 】。 2 2 2e d f a 的輸出線寬壓窄 在相干光通信等應(yīng)用領(lǐng)域要求激光輸出具有很高的單色性能，即要 求很窄的線寬。用上述調(diào)諧方法得到的輸出線寬典型值在o 1 1 m 。對(duì) 于高比特率的光纖傳輸來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)值顯然是太寬了。這里我們介紹兩 種可導(dǎo)致e d f a 單縱模輸出的壓縮線寬方法。 第一種是光柵反射器方法。這是一種利用拋光石英塊蒸鍍光柵反射 器來(lái)獲得極窄線寬輸出的有效方法。首先在石英塊中刻槽，將光纖嵌入， 石英塊的典型尺寸為幾個(gè)厘米，然后將嵌有光纖的石英塊表面拋磨，致 使纖芯區(qū)域裸露出來(lái)，這時(shí)將光致抗蝕劑附著在其表面上，并借助擴(kuò)束 激光束交迭產(chǎn)生的波前干涉作用形成光柵，經(jīng)光致抗蝕劑顯影后，則在 裸露的光纖芯表面印上了周期性掩模，其長(zhǎng)度為lm m 左右。這種光柵 起到了分布反饋反射器的作用，它對(duì)窄的波長(zhǎng)帶產(chǎn)生反射。具有最大反 射率的波長(zhǎng)由光柵的周期決定，反射的帶寬則由光柵的長(zhǎng)度和質(zhì)量決定 【4 6 1 。 圖2 5 ?？怂挂皇访芩怪C振腔 第二種是?？怂挂皇访芩怪C振腔方法。這是使用摻鉺光纖，而又無(wú) 需高摻雜來(lái)獲得單縱模輸出的一種重要方法。圖2 5 給出了這種諧振腔 的示意圖。如果構(gòu)成復(fù)合腔的兩個(gè)子腔之間的耦合被消除，我們將可以 得到在兩個(gè)頻率“梳”中任意頻率上的響應(yīng)輸出。在高透射輸出之間是 一個(gè)自由光譜區(qū)的間隔。在?？讼犚皇访芩怪C振腔中，這兩個(gè)頻率“梳” 將共同決定諧振腔的響應(yīng)。子腔的長(zhǎng)度近似相等，而不是精確相等。實(shí) 際上它們是兩個(gè)整數(shù)的比值。兩個(gè)子腔長(zhǎng)度比值為4 5 ，它們各自對(duì)應(yīng)的 響應(yīng)頻率也有類似關(guān)系。如果諧振腔是摻雜光纖制作的，并且以超過(guò)閾 值的功率泵浦，那么同時(shí)滿足兩個(gè)子腔頻率的縱模將優(yōu)先產(chǎn)生激光振蕩。 因此，這種情況下的縱模間距將大大加寬。這時(shí)，如果用反射光柵代替 腔鏡，置于一光纖尾端，單縱模激光將產(chǎn)生m j 。 。 2 2 3e d 量a 的調(diào)q 和鎖模 和其它激光器一樣，e d f a 也可以運(yùn)轉(zhuǎn)在調(diào)q 和鎖模狀態(tài)，它們分 別給出幾十納秒和幾十個(gè)皮秒或更窄的光脈沖