1、光纖激光器的特點與應用光纖激光器是在EDFA技術基礎上發(fā)展起來的技術。近年來，隨著光纖通信 系統(tǒng)的極大的應用和發(fā)展，超快速光電子學、非線性光學、光傳感等各種領域應 用的研究已得到日益重視。光纖激光器在降低閡值、振蕩波長范圍、波長可調(diào)諧 性能等方面，已明顯取得進步。它是目前光通信領域的新興技術，它可以用于現(xiàn) 有的通信系統(tǒng)，使之支持更高的傳輸速度，是未來高碼率密集波分復用系統(tǒng)和未 來相十光通信的基礎。1.光纖激光器工作原理光纖激光器主要由三部分組成:由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋 并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學諧振腔和可使激光介質(zhì)處于受激狀態(tài)的泵 浦源裝置。光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示

2、。摻稀土元素的光纖放大器推動了光纖激光器的發(fā)展，因為光纖放大器可以通 過適當?shù)姆答仚C理形成光纖激光器。當泵浦光通過光纖中的稀土離子時，就會被 稀土離子所吸收，這時吸收光子能量的稀土原子電子就會激勵到較高激射能級， 從而實現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)后的離子數(shù)就會以輻射形式從高能級轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并 且釋放出能量，完成受激輻射。從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的輻射方式有兩種，即自發(fā)輻射 和受激輻射，其中受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相干性很好 的激光。激光發(fā)射是受激輻射遠遠超過自發(fā)輻射的物理過程，為了使這種過程持 續(xù)發(fā)生，必須形成離子數(shù)反轉(zhuǎn)，因此要求參與過程的能級應超過兩個，同時還要 有泵浦源提供能量。光纖激光

3、器實際上也可以稱為是一個波長轉(zhuǎn)化器，通過它可 以將泵浦波長光轉(zhuǎn)化為所需的激射波長光。例如摻餌光纖激光器將980nm的泵 浦光進行泵浦，輸出1550nm的激光。激光的輸出可以是連續(xù)的，也可以是脈沖 形式的。光纖激光器有兩種激射狀態(tài)，三能級和四能級激射。三能級和四能級的激光 原理如圖2所示，泵浦（短波長高能光子）使電子從基態(tài)躍遷到高能態(tài)E4或者E3, 然后通過非輻射方式躍遷過程躍遷到激光上能級E43或者E3 2,當電子進一步 從激光上能級躍遷到下能級E擴或者E3,時，就會出現(xiàn)激光的過程。LD光源耦合光學系統(tǒng)準直光學系統(tǒng)光學諧振腔圖1光纖激光器的基本機構(gòu)圖圖2三能級和四能級激光激光能級困2目前比較流

4、行的幾種光纖激光器（1）雙包層光纖激光器雙包層光纖激光器是新型光纖激光器發(fā)展的代表，它的優(yōu)點在于不需要將泵 浦能量直接藕合到模場直徑相對較小的光纖中去，它可以采用低成本的、大模場 （多模）、高功率的半導體激光器作為泵浦源。因為這個優(yōu)勢，近幾年來，雙包層 光纖激光器研究受到了極大的關注。雙包層光纖激光器在提高功率方面，采用將 多個光纖激光器的輸出合并，來滿足工業(yè)和軍事需要的幾個千瓦或者幾百個千瓦 功率的激光器。雙包層光纖激光器是由同心的纖芯、內(nèi)包層、外包層以及保護層組成，內(nèi)包 層和外包層有同心的圓截面結(jié)構(gòu)，雙包層的直徑遠人于纖芯的r1徑，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。纖芯中摻人稀土兀素餌I鏡，鉚等與單模光纖

5、纖芯一樣，具有很大的折射率， 其用來傳輸單模信號光內(nèi)包層具有和普通光纖的纖芯相同的材料，它的折射率處 于纖芯和外包層之問，它用來傳輸多模泵浦光。外包層的折射率最小。內(nèi)包層和 纖芯構(gòu)成一個大的纖芯，用來傳輸泵浦光，其以折線方式反復穿過纖芯并被摻雜 吸收，這樣在纖芯中傳播光的比例就會增加。它的光源使用多個多模激光二極管 LD組成。（a）雙包層光纖結(jié)構(gòu)縱向示意圖 （b）雙包層光纖結(jié)構(gòu)截面圖圖3雙包層光纖結(jié)構(gòu)圖（2）窄線寬光纖激光器窄線寬光纖激光器已經(jīng)在傳感和高精度光譜方面取得卓越的成就，它是光纖 激光器研究的一個熱點，該傳感器在應用方面具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗電磁干 擾能力強以及可遠程控制等優(yōu)點，在

6、軍事應用上它具有高的靈敏度和波分復用的 多路傳輸?shù)男阅堋，F(xiàn)在可以實現(xiàn)的單縱模輸出帶寬為 2kHz以下，功率超過 100mw。在相干通訊、頻率鎖定以及大功率激光器的優(yōu)良光源）并且窄線寬光纖 激光器還具有窄線寬、低噪聲等優(yōu)點。窄線寬光纖激光器一般的實現(xiàn)方法是在光纖纖芯里寫人Bragg光柵，作為激 光腔鏡，完成激光的窄帶輸出。這種技術是基于1991年Ball等人第一次在摻餌 光纖中采用Bragg反射鏡（FBR）實現(xiàn)1550nm激光的單模輸出的基礎上的又一次 飛躍。它的波長選定是通過波長選擇器，例如F-P標準具、可調(diào)濾波器和Bragg 光柵來完成的。其波長選擇器可以增益譜內(nèi)起起振的縱模數(shù)，只讓特定條件

7、的幾 個模發(fā)生震蕩，通過這樣的途徑來實現(xiàn)窄線寬光纖激光器。如果讓一個縱模震蕩， 就成了單頻激光器，輸出的光具有很好的時間相十性，它常用的腔為短直腔和復 合腔。（3）超短脈沖光纖激光器超短脈沖激光器也是目前光纖激光器研究的一個熱點，它主耍應用的是被動 鎖模技術。與固體激光器相同，光纖激光器也是根據(jù)鎖模原理產(chǎn)生短脈沖的激光 輸出。當光纖激光器在增益帶寬內(nèi)大量縱模上運轉(zhuǎn)時，當每個縱模相位同步，任 意相鄰縱模相位差為常數(shù)時，就會實現(xiàn)鎖模。諧振腔內(nèi)循環(huán)的單個脈沖經(jīng)過輸出 藕合器輸出能量。光纖激光器分為主動鎖模光纖激光器和被動鎖模光纖激光器。 主動鎖模調(diào)制能力限制了鎖模脈沖的寬度，它的脈沖寬度般是ps量級

8、。被動鎖 模光纖激光器是利用了光纖或者其它的光學元件的非線性光學效應實現(xiàn)鎖模的。 激光器結(jié)構(gòu)簡單，在一定條件下不需要任何調(diào)制元件就可以實現(xiàn)自啟動鎖模工 作。啟用被動鎖模光纖激光器可以輸出fs量級的超短脈沖。超短脈沖激光器已經(jīng)用在超快光源上，形成多種時間分辨光譜技術和泵浦 技術。超短脈沖發(fā)生技術是實現(xiàn)超高速光時分復用（OTDM）的關鍵技術。超短 脈沖光纖激光器幾乎遍及材料、生物、醫(yī)學、化學、軍事等各個領域。（4）光子晶體光纖（PCF激光器PCF可以稱為多孔光纖，它主要是在石英光纖中沿光纖軸向有規(guī)律排列著空 氣孔。光纖的核心是一個破壞折射率調(diào)制周期性的空氣孔構(gòu)成的缺陷，也可以用 石英或者摻雜的石英

9、代替，構(gòu)成PCF的纖芯。光子品體激光器主要體現(xiàn)在獨特 的光學特性和巧妙的設計上，它主要利用光子品體光纖的零色散點可以選擇近紅 外和可見光區(qū)域這一區(qū)別于常規(guī)光纖的顯著特點，目前已經(jīng)研制出性能比較卓越 PCF光孤子脈沖激光器 和PCF超連續(xù)譜激光光源，PCF光纖激光器優(yōu)點體現(xiàn)在 利用大模面積稀土摻雜PCF，已經(jīng)研制出功率很高的大功率光纖激光器;同時它 還提高了單模輸出的能力。因為PCF光纖中存在很多不利于光纖焊接的空氣孔，所以說環(huán)行結(jié)構(gòu)的PCF 很難實現(xiàn)，現(xiàn)在一般采用的大多數(shù)都是線形腔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。它與常規(guī)的光 纖結(jié)構(gòu)不同，PCF不僅靈活的設計纖芯的形狀和位置而且還可以根據(jù)需要改變空 氣的包層

10、結(jié)構(gòu)。這樣就提高了對泵浦光的藕合和吸收，通過減短光纖的長度來減 少再吸收的影響并且增加了光纖激光器的調(diào)諧范圍。（5）基于光纖光柵的高功率光纖激光器選擇合適的光學諧振腔是實現(xiàn)高功率光纖激光器的關鍵技術，通常采用光學 二色鏡或者在光纖端面鍍膜構(gòu)成諧振腔，但這種方法在泵浦光的禍合和光纖的封 裝方面都造成一定程度的麻煩，不利于光纖激光器的實用化和商品化，所以采用 光纖光柵做諧振腔131光纖光柵是一種低損耗的元件，具有很好的波長選擇性， 它的采用簡化了激光器結(jié)構(gòu)，并且提高了光纖激光器的信噪比和可靠性，輸出光 穩(wěn)定性好，提高了光束的質(zhì)量。另外用光纖光柵做諧振腔我們可以把抽運源的尾 纖和增益光纖有機的熔接在

11、一起，這樣就避免了用二色鏡和透鏡組提供激光反饋 帶來的損耗，從而降低了光纖激光器的A值，提高了輸出激光的斜率效應。采用光纖光柵做諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖5所示。LDjL源MBYDF HO圖4pC激光舒蒼本結(jié)構(gòu)示意圖5光纖光柵激先登示意圖3.光纖激光器的應用展望激光器是激光技術的核心，未來光纖激光器的發(fā)展方向?qū)?進一步提高 光纖激光器的性能，如繼續(xù)提高輸出功率、提高光束質(zhì)量;擴展新的激光波段、 拓展激光器的可調(diào)諧范圍;壓窄激光譜寬;開發(fā)極高峰值的的超短脈沖(ps和fs量 級)高亮度激光器;進行整體小型化、實用化、智能化的研究。而近幾年的發(fā)展主 要集中在3個方面:(1)光纖布喇格光柵的性能的提高，讓其

12、很好的應用在光纖激 光器中;(2)光纖激光器在脈沖和譜線寬度更窄，輸出功率更高，調(diào)諧范圍更廣等;(3) 光纖激光器發(fā)展的更實用化。.在工業(yè)上光纖激光器在工業(yè)方面的應用最引人注目的是材料處理，隨著它 的的功率不斷提高，光纖激光器在工業(yè)切割方面已經(jīng)開始規(guī)?；瘧谩９饫w激光 器是金屬和非金屬材料切割，加工與處理的理想設備，可利用光纖激光器進行激 光產(chǎn)品定標、精密切割、激光雕刻、激光焊接、精密打孔、激光檢測、微彎曲、 激光測量等技術方面。在通信上為了滿足目前通信的大容量要求，光纖激光器的應用便成為通信中 的一項新興的技術。今后的通信技術將會由電通信逐步轉(zhuǎn)化為光通信。光纖激光 器不僅能產(chǎn)生連續(xù)的激光輸出

13、，而且可以產(chǎn)生皮秒(ps)甚至飛秒(fs)的超短激光 脈沖。光纖激光器已經(jīng)在降低闌值，加寬波長范圍，波長可調(diào)諧性能方面取得了 很大的發(fā)展。其中光孤子通信是走向?qū)嵱没闹饕夹g，光孤子通信傳輸距離可 達到百萬km，傳輸速率可以達到20Gb/s，誤碼率低于10八-13，實現(xiàn)了信號傳輸 的高速度和高質(zhì)量。在軍事方面的應用由于光纖激光器功率的不斷提高，其在軍事方面的應用也 越來越來廣泛。為了達到定向能武器的目的，把幾個光纖激光器組合成為同相位 陣列結(jié)構(gòu)，這樣可以提高光纖激光器的功率。在美國空軍研究實驗室，目前正在 研究著100kW級的光纖激光器。這樣才能達到軍事應用的目的。目前國內(nèi)的光纖激光器的發(fā)展才處于初期發(fā)展階段，但是輸出功率已經(jīng)有了 大幅度的提高。單根光纖輸出接近衍射極限光束功率已經(jīng)上升到1000W以上。 高功率光纖激光器技術的突破主要受益于大模區(qū)光纖的出現(xiàn)和高亮度半導體抽 運源技術的成熟。但是國內(nèi)的光纖激光器技術相比于國外還是很落后的，可見國 內(nèi)在研究如何提高光纖激光器的功率方面還須進一步努力。隨著雙包層光纖激光器、窄線寬光纖激光器、超短脈沖光纖激光器、光子品 體光纖激光器