1、掺铒光纤激光器 目目 录录?早 期?原 理?现 状?展 望?早早1961年,美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作;1963 年和 1964 年分别发表了多组分玻璃光纤中的光放大结果,提出了光纤激光器和光纤放大器的构思;1963年,由美国光学公司的Snitzer和Koester用掺杂钕(Nd3+)的方法研制出世界上第一台光纤激光器,实现了以光纤作为增益介质及谐振腔的设想，但由于当时光纤损耗较大;1966年,英籍华人高馄博士通过分析玻璃纤维损耗的主要原因,首次提出首次提出只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就有可能使光纤损耗降低到20dB/km,从而使光导纤维可用于光
2、通信;1970年,美国康宁公司研制出 传输损耗仅为20dB/km 的光纤,证明高馄博士的预言,拉开了光纤通信的新篇章;在1975-1985 十年间,光纤通信进入了实用化阶段,由于相关条件的限制,对光纤激光器的研究很少,不过在这十年中许多发展光纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟;80年代后期,英国Southhampton大学的S.B.Poole等用化学气相沉积(MCVD)法制成了低损耗的掺铒光纤;R.J.Mears等人发现掺杂稀土元素的光纤中存在激光振荡和光放大的现象;最终于1986年,应用该掺铒光纤制作了世界上第一台掺铒光纤激光器世界上第一台掺铒光纤激光器；?期期 摸摸 索索?中中 前前 进进?
3、产生激光的基本条件 图1.激光器的基本结构 The basic structure of laser?增益介质：增益介质：要有能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状态的增益介质；?激励源：激励源：在受激辐射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒子数逐渐增多，所以要通过 泵浦泵浦不断将粒子激励到高能级，破坏热平衡,实现粒子数反转实现粒子数反转；泵浦光必须足够大,在泵浦阈值功率以上；?谐振腔：谐振腔：要有一个能使受激幅射和光放大过程持续使受激幅射和光放大过程持续 的构造光学谐振腔，利用光学谐振腔 提高光子简并度提高光子简并度；同时，对于光学谐振腔,要获得光自激振荡,须令光在腔内来回一次所获增
4、益至少能补偿传令光在腔内来回一次所获增益至少能补偿传播中的损耗播中的损耗。产生激光的基本条件?在光学谐振腔光学谐振腔 内,沿轴线方向传播的光 在两反射镜之间往复传播。(这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发光)往复传播作用,相当于延长了激光工作物质的长度,使其中的光能密度不断增加,也使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率,从而使沿光学谐振腔轴线传播的光,在粒子数反转分布的条件下,受激辐射占了绝对优势。?增益介质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光输出的先决条件。除此之外,产生激光器还必须 满足阈值条件和相位平衡条件满足阈值条件和相位平衡条件 11l)激光器产生激光的 阈值条件即 G0
5、?i?ln2LR1R2 G0为小信号增益系数,?i为损耗系数,L为谐振腔的长度,R1和R2为两个反射镜的折射率。2)在谐振腔中,还要满足 相位平衡条件 的波,才能在往复反射过程中得到加强,即 2?2L?2?q，q?1,2,3?q 2?q为光在激光工作物质中传播时的波长，为光在激光物质中传播单位长度时的相位变化。?qEr的基本组态：Xe4f 5 s 5p3?11262S?1LJ无辐射跃迁无辐射跃迁 5s和5p层的电子始终保持不变,可以屏蔽屏蔽4f层的内层电子，使其不受外场的干扰，因此4f-4f4f-4f跃迁的跃迁的光谱特性光谱特性(荧光和吸收特性荧光和吸收特性)不易受不易受3?宿主影响宿主影响，
6、所以 Er 具有很好的稳很好的稳定性。定性。4受激吸收受激吸收 受激辐射受激辐射 I11/2I13/2激 励 源 980nm 亚稳态亚稳态 41480nm 1530nm 4图图2.2.Er的主要能级图的主要能级图 3?Eergy-level configuration of Er3?I15/2掺铒光纤(Erbium Doped Fiber)所具有的优势?高功率密度：高功率密度：由于光纤纤芯直径只有几个微米,光纤内易形成更高光纤内易形成更高泵浦功率密度泵浦功率密度,能够降低阈值功率能够降低阈值功率（在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度,造成粒子数反转），这种特性对于三能级系统尤为重要；?可调
7、谐：可调谐：具有很宽的荧光谱具有很宽的荧光谱,光纤可调参数多，选择范围大，因此可产生多激光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范围,适合于波分复用(WDM)光纤通信系统应用;?耦合效率高：耦合效率高：光纤激光器中,光纤既是激光介质又是光的波导介质光纤既是激光介质又是光的波导介质,因此泵浦光的耦合效率很高,加之光纤激光器可以 方便地延长增益方便地延长增益介质的长度介质的长度,使泵浦光被充分吸收,使光光转换效率超过使光光转换效率超过 60%60%；?结构紧凑：结构紧凑：光纤具有极好的柔绕性极好的柔绕性,光纤激光器可以设计的相当小巧灵活,能够采用多种封装方式,使激光器的结构更加紧凑；掺铒光纤
8、(Erbium Doped Fiber)所具有的优势?工作波长合适：工作波长合适：由于掺铒(Er3+)光纤在在1550nm 1550nm 波长具有很高的波长具有很高的增益，其增益，其 40nm40nm宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗口口，具有潜在的应用价值，在光纤通信领域获得越来越广泛的应用，故发展最为迅速。?散热性能好：散热性能好：光纤结构具有 较高的面积体积比较高的面积体积比,因而散热效果好,具有很高的转换效率和闭值功率很高的转换效率和闭值功率,能够在室温下连续工作；?光束质量高：光束质量高：掺铒光纤激光器可以实现单模运行,具有极窄的
9、线具有极窄的线宽宽,良好的单色性和高稳定性；良好的单色性和高稳定性；?稳定性高：稳定性高：全光纤的谐振腔结构更加稳定,受机械扰动影响更小受机械扰动影响更小,并且具有相当多的可调参数和选择性具有相当多的可调参数和选择性,光学元件接入后不需要光学准直；谐振腔的选择 1 1、线形腔、线形腔(F-P(F-P腔腔)图3.一般线行腔掺铒光纤激光器结构示意图 General schematic diagram of a linear cavity EDFL?优点：优点：结构简单,而且谐振腔可以设计得很短，因此线形腔结构很适合单纵模输出激光器;?缺陷：缺陷：光纤端面与镜面存在间隙或成斜角；即使是将介质镜直接镀
10、在光纤端面上也可能存在光纤端面与纤轴不垂直、光纤端面有细微缺陷等问题;?实际实际的F-P腔光纤激光器通常 借助光纤光栅，光纤方向耦合器借助光纤光栅，光纤方向耦合器等,可以构成多种谐振腔。2、环形腔、环形腔 空间烧孔效应会破坏均匀加宽激光器的模式竞争，造成多模振荡，而加了隔离器以后，光在腔内单向传播，形成行波场，行波场在腔内的场强分布均匀，避免了空间烧孔，有利于实现窄线宽。?可以不使用反射镜,构成全光纤谐振腔 图4.环形腔掺铒光纤激光器基本结构 Basic ring cavity EDFL 通过在光纤激光器的环形腔中插入 隔离器可以迫使激光器运行在行波工作状态环形腔，与大多数 F-P腔工作在驻波
11、状态不同,行波工作状态可以避免空间烧孔效应。因此,在没有滤波器的情况下,通常环形腔结构比线形腔结构在输出功率及输出激光频率方面更稳定；?环形腔结构对掺铒光纤增益的利用效率更高；环形腔的谐振腔纵模间隔是线形腔的两倍；谐振腔内可接入多种光纤器件(光纤光栅,光纤滤波器等),尽管这些器件有很高的回光反射,但通过使用光隔离器可以消除反射光的影响。可调谐光纤激光器（tunable laser）可调谐光纤激光器:在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监制、半导体加工、信息处理与通信等。近年来，可调谐光纤激光器得到迅速发展,其调谐范围多为C波
12、段(1530-1565nm)或者L波段(1565-1610nm)，大多采用旋转 F-P滤光片、光纤光栅的轴向压缩调谐、轴向拉伸调谐和悬臂梁调谐等调谐方式。到目前为止，窄线宽输出和波长范围宽带可调谐是可调谐光纤激光器的主要研究方向。目前已制作出温度和应变调谐光纤激光器、可调谐掺铒光纤激光器（EDFL）、可调谐调 Q 光纤激光器、集成阵列波导光栅（AWG）的可调谐光纤激光器、高重复率超快光纤激光器、基于光纤放大器的可调谐光纤激光器以及超连续谱可调谐光纤激光器等。尤其是 可调谐环形 EDFL，因其具有较大的调谐范围及高的输出功率，已然成为可调谐激光器的主流，在高速大容量、长距离传输的光纤通信系统和
13、DWDM 通信系统中被广泛应用。掺铒光纤环形腔激光器掺铒光纤环形腔激光器是一种以掺铒光纤为增益媒质、环形腔为谐振腔形式的光纤激光器。可调谐掺铒光纤激光器的发展 始于20世纪八十年代中期?图5.半导体激光泵浦的可调谐激光器 Tunable diode pumped fiber laser 由于光纤光纤F-PF-P 滤波器的低损耗滤波器的低损耗 及EDFEDF的低阈值的低阈值,故采用光纤F-P滤波器的环形腔结构掺铒光纤激光器比采用其他滤波元件的光纤激光器有更低的阈值功率,更高的斜率效率及更宽的波长调谐范围,并且调谐方式简单,激光器结构简单紧凑 1991年,美国电话电报公司(AT&T)贝尔实验室(B
14、ell Laboratories)的J.L.zyskind等人研制了半导体激光器泵浦的可调谐环形腔掺铒光纤激光器(图5)；采用1480nm 半导体激光器泵浦,泵浦功率32mW利用30m长的掺铒光纤作为工作物质,最终获得 6Onm的波长调谐范围(1525-1586nm)；90年代中期,G.A.Ball 等人成功研制第一台单纵模输出可调谐掺饵光纤激光器,采用线性腔结构,通过光纤光栅滤波,其波长调谐范围可达 32nm；KevinHsu等人用Er3+/Yb3+共掺光纤制成可调谐范围25nm的F-P腔激光器。?图6.宽带可调谐环形腔掺铒光纤激光器示意图 Configuration of a widely
15、 tumable EDF ring laser 图7.掺杂石英光纤中的 稀土离子的发射光谱覆盖范围.?1999年,东京大学的ShinjiYamashita等人的研究小组采用环形腔结构获得了波长调谐范围覆盖C+LC+L波段的连续可调激光输出波段的连续可调激光输出；滤波器件仍用光纤F-P滤波器，泵浦为1480nm的半导体激光器,输出功率84mw,输出耦合比10:1，最终获得了80nm(1520一1600nm)的激光输出,波长调谐范围覆盖C+L波段；?研究结果证明通过优化EDF长度和采用腔内的光纤F-P滤波器可以获得覆盖C+L波段的激光输出,显示出可调谐环形腔掺铒光纤激光器的潜力。?图8.单模光纤损
16、耗谱 2000年后,AntoineBellemare 等人在宽带可调谐掺铒光纤激光器理论模拟及实验研究方面取得了许多进展。他们通过理论模拟及实验研究了影响掺铒光纤激光器输出特性的几个因素,并通过优化激光器结构及参数获得了波长调谐范围超过110nm的激光输出；泵浦采用180mW的980nm半导体激光器,采用多层薄膜干涉滤波器 实现波长调谐,半宽度(f u l l-w i t h h a l f-maximum,FWHM)0.15nm,EDF 掺杂浓度6.8xl024m-3。AntoineBellemare 等人指出:宽带可调谐掺铒光纤激光器波长调谐范围对腔内损耗具有敏感性,减小谐振腔损耗对于宽带
17、可调谐掺饵光纤激光器至关重要;同时,仍应注意最佳EDF长度的选择。图9.掺铒光纤的吸收和增益谱 国内的发展 图10.宽带可调谐环形腔掺铒光纤激光器 Schematic diagram of the proposed tunable EDFRL 2003年，董新永等人采用线性腔结构及环形腔结构研制成功了性能很好的可调谐光纤激光器,波长调谐范围超过波长调谐范围超过IOOnmIOOnm，覆盖了整个C+L波段。一个可调谐窄带F-P滤波器和一个宽带滤波器分别插入到线形腔两端的环形镜内，以此减少插入损耗。实验分析并选取了最佳长度的掺铒光纤及最佳耦合比的输出耦合器，获得了超宽带连续可调的、高功率的单频激光。
18、国内从 90年代初 开始了光纤激光器的研究工作,取得了一些阶段性的成果。在宽带可调谐掺饵光纤激光器研究领域中,较为突出的是 南开大学现代光学所。2000年后,董新永等人发表了多篇关于可调谐掺饵光纤激光器的研究报道，他们通过理论模拟着重分析了饵离子团簇对光纤可调谐掺饵光纤激光器输出特性的影响,指出尽管铒离子团簇的存在 使得激光器的输出功率及平坦度都下降,但其可帮助环形腔掺铒光纤激光器产生更长波长的激光输出；此外，董新永等人仍然强调了减小谐振腔损耗、掺铒光纤长度优化及输出耦合比选取的重要性；近10年?追求追求波长调谐范围大、泵浦斜率效率高、激光阈值低、信噪比高、线宽窄?2011年，剑桥大学的 D.
19、Popa 等人在环形腔光纤激光器内加入新材料 50m 厚的石墨烯，使其做可饱和吸收体，设计出一种 调Q可调谐光纤激光器。当泵浦功率达到 40mW 时，输出连续波长的激光；当泵浦功率达到74mW时，脉冲激光开始运转，其重复频率随泵浦功率的变化 从36kHz 到103kHz 连续可调，输出谱从1522nm 到1555nm连续可调，最大输出脉冲能量为 40nJ；?2012年，浙江大学的孙兵等人在M-Z一臂上连接偏振控制器，另一臂上连接光可变延迟线，构成光纤光学参量振荡器，构造出波长间隔可调谐多波长光纤激光器。结构中使用高非线性色散位移光纤作为增益介质，M-Z?2007 年，韩国汉阳大学的Young-
20、Geun Han 等人把一种特别制作的啁啾作为梳状滤波器，实现了波长范围从 1541nm 到1558nm 的光纤光栅固定在带有锯齿和齿轮的可24个波长输出。同时，波长间隔在 0.08nm、0.2nm、移动平台上，让其作为多信道滤波器。0.4nm、0.8nm上可调；分别放在掺铒光纤放大器及多波长拉?2013年，北京交通大学的邹慧等人在双通道 M-Z 一曼散射放大器的激光腔内，实现了固端插入一段保偏光纤构成一个M-Z 的梳状谱被余弦调制定波长间隔为 0.51nm 的多波长激光输的滤波器，其又和一个高精细度滤波器构成复合滤波器出。将 EDFA 与多波长拉曼激光器同时进一步压窄线宽。在此基础上，他们设
21、计出一种稳定、稳定、作用在 CFBG 上，得到波长间隔大范围可调谐、高边模抑制比的线偏振单波长光纤激光器可调谐、高边模抑制比的线偏振单波长光纤激光器。在连 续 可 调 的 激 光，测 得 灵 敏 度 为泵浦功率达到 200mW 时，激光的 边模抑制比超过 72dB，0.033nm/mm。同时，调节多波长拉曼在一个小时内峰值功率波动小于 0.08dB，波长漂移小激光器的泵浦功率，可以得到不同波于 0.02nm，通过调节偏振控制器，波长可 从1560.37nm 到 1568.56nm 可调谐 长数目的激光；2006 年，天津大学的王肇颖、胡智勇等人报道了一种简单易行的新型环形腔可调谐多波长光纤激光
22、器。以半导体放大器作为增益介质，利用高双折射光纤环形镜来进行波长选择，得到了 17个波长的激光输出，各波长线宽约为 0.102nm，信噪比大于 25dB，波长间隔符合 ITU-T标准100GHz。调节环内的偏振控制器，实现了波长范围最大50GHz的可调谐；基于Sagnac环的可调谐掺铒光纤激光器 在以往可调谐掺铒光纤激光器的研究基础之上，设计了新型的光学滤波器，构造了可调谐光纤激光器。首先，对带有单个FBG的Sagnac环进行了模拟仿真，又对带有双FBGs的Sagnac环滤波器进行了实验研究，构造激光器，在室温下实现了单双波长可开关的激光输出。其次，提出了一种基于高双折射光纤的 Sagnac环
23、与M-Z级联的滤波器。?1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是萨格纳克效应(Sagnac Effect)。图11.Sagnac 环的基本结构?构造光纤滤波器是光纤Sagnac环的一个重要应用，在Sagnac环中加入不同的光纤器件可构造出不同的光纤滤波器；嵌入 FBGs 的 Sagnac 环滤波器 FBG:fibber bragg grating,即光纤布拉格光栅?FBG：用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间分布，形成光栅结构
24、，并且能精确控制谐振波长。其特性是能将某一频段内的光反射回去，起到了光波选频选频的作用。此外，通过温度变化或机械装置调谐光纤光栅，使其布拉格波长发生变化，可实现波长调谐。具有良好调谐速度和带宽，及良好的稳定性，可用于通信、传感及各种测试等。如图12.与传统的两个FBGs串并联结构相比，耦合器代替了价格比较贵的环形器，同时去掉了可变光衰减器，仅在Sagnac环中接入一个PC就可实现双波长激光可开关。?FBG-FSI作为带通滤波器，其输出透射谱与两个FBGs的反射谱相同。原理:入射光从耦合器 1 端口进入，经耦合器分成 3、4两路光，符合布拉格中心波长的光被反射回来，再次经耦合器耦合输出；图12.
25、FBG-FSI 结构图 图13，当耦合比越接近耦合比越接近 0.5 0.5 时，时，滤波器的滤波性能越好滤波器的滤波性能越好，且消光比要远大于耦合比为0.2和0.3时的消光比。因此，激光器实验中采用耦合比为 0.5的耦合器组成滤波系统，测 得 透 射 峰 的 波 长 分 别 为1545.34nm、1548.20nm。图13.不同耦合比的 FBG-FSI 的透射谱 选取FBG-FSI中的耦合器为3dB 耦合器，调节环中的 PC，输出的透射谱如图14所示:实线的消光比最大，此时滤波性能最好；虚线中在布拉格波长处的透射率小于两边的透射率，因此在两个布拉格波长处无法激射出激光。所以，通过调节环中通过调
26、节环中的的PCPC，可以实现双波长可开关，可以实现双波长可开关。图14.不同偏振状态下 FBG-FSI 的透射谱 嵌入FBGs的Sagnac环的双波长可开关掺铒光纤激光器 图13.基于嵌入 FBGs 的 Sagnac 环的双波长可开关掺铒光纤激光器结构图?980nm 的泵浦源泵浦源(LD)经980/1550nm 波分复用器(WDM)耦合进光纤激光腔内，7m长的掺铒光纤(EDF)作为增益介质增益介质，隔离器隔离器（ISO）确保腔内激光的单向运转，Sagnac 环中插入两个FBGs和一个偏振控制器(PC1)作为选频元选频元件件，FBGs 的中心波长分别为 1545.34nm、1548.20nm，3
27、dB 带宽分别为0.216nm、0.23nm。PC2、起偏器、PC3 及普通单模光纤组成非线性偏振旋非线性偏振旋转结构，稳定双波长输出转结构，稳定双波长输出。最后经耦合器10%端口输出到光谱仪(OSA)进行观测，90%的光返回腔内继续振荡。实验结果 1.常温下，泵浦功率调至200mW,调节PC1,获得比较稳定的且峰值功率比较均匀的双波长激光,缓慢调节PC2和PC3使双波长激光稳定输出(图15);2.2小时内,每隔20分钟对输出激光进行观测,图16表明,双波长峰值功率的波动小于 0.7dB,表示该结构的光纤激光器可在室温下稳定工作室温下稳定工作;3.重新调整泵浦功率,功率达到18mW时，双波长激
28、光开始激射;至125mW 时,增益饱和(图17)。图15.双波长激光的输出谱 图16.2 小时内双波长激光的输出 图17.双波长激光输出功率随泵浦功率的变化曲线(a)波长为1545.34nm 图18.单波长激光的输出谱 (b)波长为1548.20nm 实物图实物图 图19.单波长激光输出功率随泵浦功率的变化曲线 实验结果分析 设计了一种基于嵌入 FBGs 的 Sagnac 环的双波长可开关掺铒光纤激光器。一个3dB 耦合器、一个 PC、两个 FBGs 组成了一个带通滤波器，通过调节 Sagnac 环中的 PC实现了单双波长可开关的激光输出，并实验分析了FBG-FSI中耦合器的不同耦合比对滤波性
29、能的影响，优化了滤波系统。再利用非线性偏振旋转效应来抑制模式竞争，获得了常温下稳定的双波长激光。泵浦功率为 200mW 时，得到双波长激光的中心波长分别为1545.34nm、1548.20nm，峰值功率分别为-13.36dBm、-14.58dBm，边模抑制比分别为 41.10dB、39.88dB。此结构与传统结构相比，去掉了环形器，降低了成本，而且无需可变光衰减器就可以控制各个波长的增益损耗，构成了全光纤结构。小结 理想的宽带可调谐掺铒光纤激光器应具有波长调谐范围大、泵浦斜率效率高、激光阈值低、信噪比高、线宽窄等特性。所以,为了开发可调谐掺铒光纤激光器的潜力,提高激光器的输出特性,始终强调减小
30、谐振腔损耗、掺饵光纤长度优化及输出耦合比选取的重要性。除此之外，多年以来,掺铒光纤环形腔激光器的 结构方面研究热点集中在以下几个方面：?研究光纤环形腔激光器的注入锁定,脉冲输出和非线性特性；?减小环形腔激光器的跳模,稳定激光频率；?获得激光波长宽带可调谐的激光器；?实现多波长激光稳定振荡；今今 年年 基于半导体可饱和吸收镜的双波长可调谐掺铒光纤激光器 少量氟化石墨烯羧甲基纤维素聚合物复合锁模掺铒光纤激光器 MoSe2宽频带可饱和吸收调Q Er Yb Tm共掺光纤激光器 调谐范围75 nm的锁模掺铒镱 双包层光纤激光器 后来 窄线宽可调谐光纤激光器、超短脉冲光纤激光器和高功率光纤激光器仍会是近几年的热点。今后掺铒光纤激光器的主要研究方向应该会集中在:?进一步提高光纤激光器的输出性能,如提锁模锁模 可调谐可调谐 共掺共掺 大功率大功率 高激光器输出功率、线宽压缩；?寻找新的激光输出波段,扩展激光器的可调谐范围；?增加超短脉冲(Ps和fs量级)峰值的高亮度激光器；?进行激光器实用化、小型化、智能化 的研究 20152015年年4 4月月1010号号
