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1摻鐿光纖激光器發(fā)展歷史

在激光器發(fā)明不久后，在 1961 年美國(guó)的 Snitzer 報(bào)道了世界上個(gè)稀土離子在玻璃中產(chǎn)生激光現(xiàn)象，并提出了光纖激光器方面的設(shè)想。他采用氙燈泵浦釹鋇冕玻璃介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為 1.06μm 的激光輸出。

1962 年，H. W. Etzel 等人就實(shí)現(xiàn)了在摻 Yb玻璃中的激光產(chǎn)生。在激光發(fā)展的初期，Yb 離子并沒(méi)有得到應(yīng)用，而摻釹離子（Nd）激光介質(zhì)得到了迅速的發(fā)展。后來(lái) Yb 離子只是作為一種激光的激活離子，與其他稀土離子共摻，以此來(lái)提高其他離子的吸收效率。

1989 年，英國(guó)Sounthampton 大學(xué)的Hanna 研究小組報(bào)道了摻鐿單模光纖激光器獲得連續(xù)激光輸出。Hanna 采用 840nm 的染料激光器作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了4mW 的激光輸出，相對(duì)應(yīng)的其斜率效率為 15% 。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸出激光在1015-1140nm 范圍內(nèi)可調(diào)諧。盡管當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)中光纖的吸收效率較低，但 Hanna 這一工作使人們認(rèn)識(shí)到鐿離子的*優(yōu)勢(shì)。

1989 年，英國(guó)電信實(shí)驗(yàn)室的 J. R. Armitage 等人使用 8.6cm 的摻 Yb3+光纖作為增益介質(zhì)，泵浦源采用 890nm 的 AlGaAs 半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)了鐿離子三能級(jí)激光躍遷輸出激光，斜率效率接近40%。

隨著人們對(duì)鐿離子的關(guān)注，科學(xué)家們開始對(duì) Yb特性進(jìn)行深入研究，Yb的能級(jí)結(jié)構(gòu)，基態(tài)2F7/2 和激發(fā)態(tài)2F5/2 這兩個(gè)能級(jí)族是鐿離子中參與激光產(chǎn)生的主要能級(jí)。在室溫（25℃）下，由于強(qiáng)烈的均勻和非均 勻展寬，Yb離子在基態(tài)斯托克能級(jí)中有三個(gè)支能級(jí)，其中有兩個(gè)支能級(jí)能被分開，分別為 a、b 能級(jí)；激發(fā)態(tài)有兩個(gè)斯托克能級(jí)，其中只有一個(gè) e 能級(jí)被分開，因此鐿離子具有連續(xù)的吸收光譜和輻射光譜。

英國(guó)南安普頓大學(xué)的 Hanna 等人利用摻 Yb石英光纖的光譜特性，采用多種泵浦方案實(shí)現(xiàn)了激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)。Hanna 使用 FP 腔結(jié)構(gòu)，將光纖的一端緊貼高反射率鏡，另一端利用光纖端面自身的 4%反射率構(gòu)成諧振腔，使用波長(zhǎng)900nm泵浦源，光纖長(zhǎng)度為0.5m。大輸出功率為15.7mW，輸出波長(zhǎng)為 1036nm，斜率效率為 77%。 隨后，Hanna 等人使用摻Y(jié)b3+光纖還實(shí)現(xiàn)了在1083nm 的激光功率放大。

該小組還發(fā)現(xiàn)了不同成分摻鐿石英光纖鐿離子（介于 1%和 90%比例之間）的一小部分激發(fā)態(tài)的壽命具有很小的值。這意外的行為可能是一個(gè)尚不明確的雜質(zhì)或結(jié)構(gòu)上的缺陷（色心）引起。它可以嚴(yán)重降低了摻鐿激光器和放大器的性能（包括 ER/Yb共摻光纖作為通信放大器），特別是如果泵或信號(hào)波長(zhǎng) 976 納米左右。Hanna 小組測(cè)試 Yb 離子在激發(fā)態(tài)的壽命約為 0.76ms。

此外，法國(guó)的科學(xué)家也開展了很多工作。例如：1993 年，Bayon 在實(shí)現(xiàn)了在摻鐿光纖中刻寫光纖光柵，并以光纖光柵做腔鏡，實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)在 1020nm 的高功率（> 0.2 瓦）和高量子效率（> 80%）石英光纖激光器，泵浦波長(zhǎng)范圍為 850nm。2002 年，S. Magne 對(duì)摻鐿光纖的發(fā)射和吸收截面進(jìn)行研究，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出激發(fā)態(tài)壽命和自發(fā)輻射壽命。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，建立光纖激光器的增益模型，并且優(yōu)化了泵浦光為 976nm 的三能級(jí)光纖激光器的光纖長(zhǎng)度。 

2摻Y(jié)b雙包層光纖激光器

隨著大功率半導(dǎo)體激光器以及摻雜稀土離子的雙包層光纖制作工藝的日漸成熟,光纖激光器得到了迅速的發(fā)展。脈沖激光輸出的光纖激光器由于具有接近衍射極限的良好的光束質(zhì)量、較高的單脈沖能量、體積小等優(yōu)點(diǎn),在激光加工、光纖通信、醫(yī)療以及非線性光學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。摻Y(jié)b雙包層光纖是在1um波段獲得高功率激光輸出的重要的產(chǎn)品之一。

雙包層光纖的基本結(jié)構(gòu)

1985年,南安普頓大學(xué)的Poole等用化學(xué)氣相沉積法（MCVD）制成了低損耗的摻鉺光纖,并用這種單模光纖研制了光纖激光器,使得光纖激光器得到了迅速地發(fā)展。

早期的光纖激光器采用單模光纖作為增益介質(zhì),光纖由摻雜稀土元素的纖芯、包層和涂覆層組成。纖芯的折射率比包層的折射率大,滿足一定條件時(shí),光被限制在纖芯中傳播,泵浦光和信號(hào)光在纖芯中長(zhǎng)距離范圍內(nèi)相互作用,使得光纖的增益系數(shù)很大,理論上可以得到高功率的激光輸出。然而,利用單模光纖制作光纖激光器,要求系浦光必須被精合到纖芯中才能被摻雜離子吸收,從而轉(zhuǎn)換為信號(hào)光輸出,這就要求果浦半導(dǎo)體激光器必須是單模輸出。但是這種單模輸出的半導(dǎo)體激光器價(jià)格昂貴,且難以實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出。這就使光纖激光器的輸出功率受到很大限制。

80年代末期,美國(guó)麻省Polaroid Corporation和南安普頓大學(xué)的研究人員發(fā)展了包層系浦光纖激光器,不再將系浦光直接耦合到纖芯中,而是禍合到尺寸較大的內(nèi)包層里面,改變光在內(nèi)包層中的傳輸特性,使光透過(guò)纖芯時(shí)能夠被摻雜離子吸收。包層泵浦技術(shù)的使用使得光纖激光器的功率和效率大大改善,為光纖激光器的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。光纖激光器的包層泵浦技術(shù)采用雙包層稀土摻雜的光纖作為增益介質(zhì)。雙包層光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層和涂覆層四部分組成,其纖芯的折射率高,可保證激光在纖芯中振蕩,輸出的激光模式由纖芯決定。內(nèi)包層的折射率高于外包層的折射率,使泵浦光在內(nèi)包層中傳播。光纖的涂覆層構(gòu)成光纖的保護(hù)層。雙包層光纖激光器工作時(shí),系浦光被直接耦合到內(nèi)包層中,因而泵浦效率較高。泵浦光在內(nèi)包層以多模形式傳播,多次透過(guò)纖芯,從而被摻雜離子吸收,實(shí)現(xiàn)雙包層光纖的全長(zhǎng)度系浦。這里,內(nèi)包層主要起到兩個(gè)作用:（1）將激光限制在纖芯中;（2）傳導(dǎo)多模泵浦光,使其被纖芯吸收并轉(zhuǎn)換為激光輸出。內(nèi)包層具有較大的橫向尺寸和數(shù)值孔徑（NA）時(shí),降低了泵浦光稱合難度,可把更大功率的系浦光導(dǎo)入光纖,與傳統(tǒng)的單包層光纖激光器相比,大大提高了禍合效率和入纖系浦功率,從而獲得高功率的激光輸出。通過(guò)改變內(nèi)包層和外包層的折射率可以獲得較大的內(nèi)包層的NA值,通常情況下,使用較低折射率的材料作外包層來(lái)提高內(nèi)包層的NA值。

摻雜離子吸收的泵浦光越多,激光器輸出的激光功率就會(huì)越大。初設(shè)計(jì)的雙包層光纖采用圓形的內(nèi)包層,具有制作工藝簡(jiǎn)單,容易B接等優(yōu)點(diǎn)。但是由于內(nèi)包層的圓對(duì)稱性,泵浦激光在光纖中傳輸時(shí),大部分光為弧矢光,不會(huì)透過(guò)纖芯,只有很少一部分12光會(huì)透過(guò)纖芯,導(dǎo)致?lián)诫s離子對(duì)泵光吸收很小,輸出的激光功率不大。這就需要改進(jìn)雙包層光纖的結(jié)構(gòu)和材料,使更多的泵浦光能夠通過(guò)纖芯。

為了解決這一問(wèn)題人們主要采用了兩種方案。一是采用偏心法,將纖芯放置在偏離圓心的位置,使大量的弧矢光線的系浦光可以通過(guò)纖芯;二是改變內(nèi)包層的幾何形狀,打破了內(nèi)包層的圓對(duì)稱結(jié)構(gòu),有效地提高了雙包層光纖對(duì)系浦光的吸收效率。

3光纖激光器的果浦技術(shù)

雙包層光纖激光器的主要系浦源是大功率的多模半導(dǎo)體激光器。一種為Oclaro公司的帶尾纖輸出的多模帶保護(hù)半導(dǎo)體激光器,輸出波長(zhǎng)為975nm,輸出大功率為25W,實(shí)驗(yàn)中是作為種子源的系浦源。另外一種是JDSU的帶尾纖輸出的單管多模半導(dǎo)體激光器,中心波長(zhǎng)為915nm,高輸出功率為10W,實(shí)驗(yàn)中是做為放大器的泵浦源。這兩種半導(dǎo)體激光器的輸出光纖尺寸均為105/125^im,NA為0.22,輸出光纖為裸纖,容易與標(biāo)準(zhǔn)光纖器件進(jìn)行輝接,并且在1.06|am附近均鍍了保護(hù)膜,可以防止光纖中產(chǎn)生的激光返回到泵浦源中損壞半導(dǎo)體激光器。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,光纖激光器的包層泵浦方式主要采用端面泵浦技術(shù)、V型槽側(cè)面系浦技術(shù)、角度側(cè)面系浦精合、嵌入反射鏡式泵浦禍合、多模光纖融錐側(cè)面系浦技術(shù)以及GT--Wave光纖式泵浦技術(shù)等。其中,端面泵浦技術(shù)為簡(jiǎn)單,系浦光經(jīng)過(guò)一個(gè)聚焦透鏡后賴合到雙包層光纖的內(nèi)包層中,選擇合適的聚焦透鏡可以提高禍合效率。這種泵浦方式比較適合于實(shí)驗(yàn)室使用,可以選擇正向果浦、反向錄浦或者是雙向泵浦三種方式。但是利用這種泵浦方式的光纖激光器與其他光纖器件無(wú)法直接融合,需要通過(guò)空間耦合,因此對(duì)環(huán)境要求比較高,穩(wěn)定性較差。而使用尾纖輸出的光纖器件可以有效地解決這一問(wèn)題,帶有尾纖輸出的系浦半導(dǎo)體激光器可以直接熔接,便于實(shí)現(xiàn)光纖激光器的全光纖化,且容易與其他的光纖器件相匹配。

4Yb離子在石英坡璃中的基本特性

1985年,南安普頓大學(xué)S.B.Poole等人成功制成了低損耗摻雜稀土離子的光纖，隨后該小組又利用摻Er光纖研制了摻鉺光纖放大器（EDFA）,使光纖通信真正發(fā)展起來(lái)。在研究EDFA的同時(shí),人們發(fā)現(xiàn)有很多其他的稀土摻雜離子能夠產(chǎn)生激光,例如Er、Nd、Yb、Tm等摻雜離子,因此將目光轉(zhuǎn)向摻雜這些稀土離子的光纖放大器的研究,期望得到相應(yīng)波長(zhǎng)的高功率激光輸出。在后來(lái)的研究中,人們發(fā)現(xiàn)摻Y(jié)b光纖具有很多優(yōu)勢(shì),利用摻Y(jié)b光纖研制的光纖激光器具有較高的斜率效率和光光轉(zhuǎn)換效率,可以在1um波段得到高功率的激光輸出,從而使摻Y(jié)b的光纖激光器迅速發(fā)展起來(lái)。本論文主要研究的是利用摻Y(jié)b光纖實(shí)現(xiàn)高功率的脈沖激光輸出。

與其他摻雜離子相比,摻Y(jié)b光纖具有諸多優(yōu)點(diǎn),首先其能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只有兩個(gè)多重態(tài)展開的能級(jí):基能級(jí)2F7/2和上能級(jí)2F5/2。與氟化物材料相比,石英坡璃是Yb離子的基底材料,摻雜在石英坡璃中,由于石英坡璃中電場(chǎng)分布不均勻,Yb離子的能級(jí)會(huì)發(fā)生明顯的Stark分裂,使基級(jí)變成四個(gè)分裂能級(jí),上能級(jí)變成三個(gè)分裂能級(jí)。兩個(gè)能級(jí)間隔較遠(yuǎn),約在1000cm左右,難以發(fā)生交叉地豫現(xiàn)象,可以有效抑制濃度淬滅效應(yīng),由于沒(méi)有更高的能級(jí)結(jié)構(gòu)而沒(méi)有激發(fā)態(tài)吸收（ESA）。

與其能級(jí)結(jié)構(gòu)想對(duì)應(yīng)的石英光纖中的Yb離子的吸收和發(fā)射截面,Yb離子具有很寬的吸收譜線,在915nm和975nm附近有兩個(gè)吸收峰,在975nrn和1040nm附近有兩個(gè)發(fā)射峰。Yb離子在975nm處的吸收截面很高,比在915nm處約大三倍,選用975nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源有利于縮短腔長(zhǎng),但是其吸收譜很窄,受泵浦激光波長(zhǎng)變化影響很大,因此需要進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制。相比之下,采用915nm輸出的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源時(shí),泵浦波長(zhǎng)漂移幾個(gè)納米對(duì)Yb離子的吸收影響不大,因此不需要溫度控制。

5摻鐿增益介質(zhì)

Yb 離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只有兩個(gè)多重態(tài)展開的能級(jí)2F7/2和2F5/2，由于 Stark 效應(yīng)，2F7/2展寬成四個(gè)子能級(jí)，2F5/2則展寬成三個(gè)子能級(jí)，由于 Yb 離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)中沒(méi)有其它的上能級(jí)存在，因此在泵浦波長(zhǎng)和激光波長(zhǎng)處不存在激發(fā)態(tài)吸收。正因?yàn)樗牧Ｗ訐p耗很小，使得激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)情況下有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的熱效應(yīng)；而且 Stark 能級(jí)的展寬使得激光器的增益帶寬很大（975nm~1200nm）；Yb離子的上能級(jí)壽命比較長(zhǎng)（通常在1毫秒左右），上述因素都有利于調(diào) Q 技術(shù)。然而這種很小的粒子損耗同樣有它的弊端——在短波長(zhǎng)有顯著的三能級(jí)行為。激發(fā)態(tài)2F5/2的 Stark 子能級(jí) e 和 f 分別對(duì)應(yīng)于 975nm 和 915nm 的吸收峰，而波長(zhǎng) 915nm 的泵浦到能級(jí) f上的粒子會(huì)快速地*躍遷弛豫到能級(jí) e 上。從能級(jí) e 到基態(tài)2F7/2可發(fā)生兩種不同類型的激光躍遷：

（1）三能級(jí)躍遷：激光波長(zhǎng)為 975nm（從 Stark 能級(jí) e 躍遷到 Stark 能級(jí) a）；

（2）四能級(jí)躍遷：激光波長(zhǎng)從1010nm 到 1200nm（從Stark 能級(jí) e躍遷到 Stark能級(jí) b、c、d）。

一般地，激光器工作在三能級(jí)系統(tǒng)還是四能級(jí)系統(tǒng)與激光波長(zhǎng)、抽運(yùn)波長(zhǎng)及光纖長(zhǎng)度有關(guān)。大致可以認(rèn)為工作波長(zhǎng)在 1μm 以下時(shí)，激光系統(tǒng)以三能級(jí)工作，工作波長(zhǎng)在 1μm 以上時(shí)，激光系統(tǒng)以四能級(jí)工作。本文主要涉及光纖激光器的工作波長(zhǎng)在 1μm 以上，因此以四能級(jí)系統(tǒng)為模型。

在室溫下，Yb 離子的吸收截面和發(fā)射截面，吸收峰主要對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng) 915nm（譜寬大約為 50nm）和波長(zhǎng) 976nm（譜寬大約為10nm），發(fā)射峰對(duì)應(yīng)于三能級(jí)的 975nm（譜寬大約為 10nm）和四能級(jí)的 1036nm（譜寬大約為 50nm）。由于它的吸收譜帶較寬，使得泵浦光源的選擇具有更多的靈活性，而寬的發(fā)射譜帶利于實(shí)現(xiàn)很寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和超短光脈沖的激光輸出。還可以看出，在 975nm 處的吸收峰和發(fā)射峰重合，因此，當(dāng)用 915nm 的半導(dǎo)體激光器泵浦時(shí)，在 976nm 處會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的放大自發(fā)輻射（ASE）效應(yīng)；而用 980nm的半導(dǎo)體激光器泵浦時(shí)，雖然泵浦的效率會(huì)降低，但能有效地抑制 975nm 處很強(qiáng)的放大自發(fā)輻射（ASE）效應(yīng)；正因?yàn)?980nm 泵浦波段靠近吸收峰和發(fā)射峰，使得它的泵浦效率隨波長(zhǎng)變化明顯。