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光纤激光器论文

激光原理及应用

学校：

红河学院

学院：

理学院

专业：

10物理学

*******

学号：

2010********

指导教师：

***

摘要

光纤激光器作为光源在光通信领域已得到广泛应用，而随着大功率双保层光纤激光器的出现，其应用正向着激光加工、激光测距、激光雷达、激光艺术成像、激光防伪和生物医疗等更广阔的领域迅速扩展。

本文以下内容概述了光纤激光器的原理、特点、应用及其发展前景。

关键词：

光纤激光器；应用扩展；基本原理

abstract

Fiberlaser asalightsource in thefieldof opticalcommunication hasbeenwidelyused,andasthe dual-protection layerof high-power fiberlasers appear,itsapplication is 

towardtothe laserprocessing,laserranging,laser radar,laser artof imaging, security andbio-medical laser rapidexpansionof awiderarea. Thefollowing article outlines theprinciplesof fiberlasers,characteristics,applicationsand prospectsfordevelopment.

Keywords:

 fiberlaser applications developmentprospects.

引言

所谓光纤激光器就是用光纤作激光介质的激光器，1964年世界上第一代玻璃激光器就是光纤激光器。

由于光纤的纤芯很细，一般的泵浦源（例如气体放电灯）很难聚焦到芯部。

所以在以后的二十余年中光纤激光器没有得到很好的发展。

随着半导体激光器泵浦技术的发展，以及光纤通信蓬勃发展的需要，1987年英国南安普顿大学及美国贝尔实验室实验证明了掺铒光纤放大器（EDFA）的可行性。

它采用半导体激光光泵掺铒单模光纤对光信号实现放大，这种EDFA已经成为光纤通信中不可缺少的重要器件。

由于要将半导体激光泵浦入单模光纤的纤芯（一般直径小于10um），要求半导体激光也必须为单模的，这使得单模EDFA难以实现高功率，报道的最高功率也就几百毫瓦。

为了提高功率，1988年左右有人提出光泵由包层进入。

初期的设计是圆形的内包层，但由于圆形内包层完美的对称性，使得泵浦吸收效率不高，直到九十年代初矩形内包层的出现，使激光转换效率提高到50%，输出功率达到5瓦。

1999年用四个45瓦的半导体激光器从两端泵浦，获得了110瓦的单模连续激光输出。

近两年，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展，光纤激光器的输出功率逐步提高，采用单根光纤，已经实现了1000瓦的激光输出。

随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。

其中，以光纤作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。

光纤激光器技术是研究的热点技术之一。

光纤激光器由于其具有绝对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生巨大而积极的影响。

最新市场调查显示：

光纤激光器供应商将争夺固体激光器及其他激光器在若干关键应用领域的市场份额，而这些市场份额在未来几年将稳步看涨。

到2010年，光纤激光器将至少占领工业激光器28亿美元市场份额的四分之一。

光纤激光器的销售量将以年增幅愈35%的速度攀升，从2005年的1.4亿美元增至2010年的6.8亿美元。

而同期，工业激光器市场每年增幅仅9%，2010年达到28亿美元。

一．光纤激光器的现状及发展趋势

国内现状

　　我国商用光纤激光器目前全部依赖进口，原因是我们还没有实现光纤激光器的商品化和产业化。

　　我国光纤激光器的研制其实并不落后，已经有好几个单位实现了连续200W以上的输出功率，但我国光纤激光器的产业化工作明显滞后。

下面分析一下我国光纤激光器产业化发展滞后的原因。

　　发展全光纤激光器需要5大关键技术，这5大关键技术除半导体泵浦激光器外，其他4大关键技术全部与光纤技术密切相关，准确的说，是与能量光纤技术密切相关。

能量光纤技术是以信号光纤技术为基础发展起来的，而信号光纤技术主要是为光纤通信服务的，因此，能量激光和光通信这两个技术领域通过光纤这种特殊的媒质联系起来，使从事光纤和光纤器件研制和生产的单位能够深入地介入这两个技术领域并成为其核心力量。

在光通信走入低谷的时候，适逢光纤激光器取得历史性突破之时，国外许多从事光通信光纤器件研制生产的单位开始转向能量光纤器件的研制和开发，以寻求新的发展机遇、拓展生存空间。

这些投入能量光纤激光器开发的单位目前已经成为光纤激光器发展的重要力量，为发展新型全光纤激光器作出了巨大贡献。

　我国进行光纤器件生产和开发的单位虽然非常多，但总体技术水平较弱，在光通信走入低谷的时候，相关单位基本上只能选择在本行业苦苦支撑或关闭生产线两种方式，无力投入巨大资源进行能量光纤器件的研制和开发，所以，当全光纤激光器飞速发展对能量光纤器件提出迫切需求的时候，我国在这方面基本上还是一片空白。

对于我国最早从事光纤激光器研制的单位来说，面对国内的这种局面，发展全光纤激光器基本上没有基础可言，因此，透镜整形聚焦端面泵浦外腔结构的方案成为现实选择。

这种结构很接近传统的全固态激光器，对光纤技术的依赖程度很低，采用非光纤技术即可制作。

但是，实践证明，光纤激光器只有采用全光纤结构才能充分体现整体的一致性、完整性、和谐性和匹配性，采用充分展现光纤激光器的优势，因此，全光纤结构方案更加符合光纤激光器发展的本质规律，所以，在世界范围内，全光纤激光器成为主流方案有其必然性。

　　全光纤激光器需要能量激光器技术与光纤技术有机结合起来，从某种程度上来说，光纤技术在光纤激光器的发展中所占的比重很大，因此，能量激光技术和能量光纤技术是光纤激光器发展不可或缺的两条腿。

目前，我国从事光纤器件研制和生产的单位仍然主要集中在光纤通信的产业链条之中，涉足能量激光技术的很少，这是我国光纤激光器发展面临的巨大问题。

本文希望我国从事光纤器件研制和生产的单位突破行业界限，关注光纤激光器的发展，积极参与新型能量光纤器件的研制开发，为我国光纤激光器国产化和产业化作出贡献。

应该看到，新型大功率全光纤激光器具有广阔的市场，发展能量型光纤器件，对于光纤器件研制生产单位是大有作为的。

还应该看到，国外光纤激光器取得突飞猛进的发展也是最近几年的事情，尽管我国目前与国外的水平差距很大，但是落后的时间并不长，只要我国光纤器件的研制生产单位积极开展相关产品的研制开发工作，我们是能够在光纤激光器的研制生产方面站在国际前列的

2002年南开大学报道了在掺Yb3+双包层光纤器中得到了脉宽4.8ns的自调Q脉冲输出和混合调Q双包层光纤激光中得到峰值功率大于8kW,脉宽小于2ns的脉冲输出。

2003年南开大学报道了利用脉冲泵浦获得100kW峰值功率的调Q脉冲,以及得到的60nm可调谐的调Q脉冲。

　　2003年11月20日报道，上海科学家在激光领域取得新成果，成功开发出输出功率高达107W的光纤激光器。

此激光器的全称为“高功率掺镱双包层光纤激光器”，与目前已有的激光器相比它的维护费用和功率消耗都要低得多，寿命是普通激光器的几十倍。

该课题组的负责人之一楼祺洪研究员告诉记者，激光打印有着广泛的应用前景，与市民生活直接相关的如食品的生产日期、防伪标志等，若以激光打印代替现在的油墨打印清晰度高、永不褪色、难以仿冒、利于环保，具有国际流行的新趋势。

上海科学家研制的光纤激光器使光纤激光输出功率又上升了一个新台阶，最大输出功率达107W，已经遥遥领先于全国同行。

　　2004年，南开大学又报道了连续泵浦206kW峰值功率的调Q脉冲。

　　2004年12月3日，烽火通信报道，继推出激光输出功率达100W以上的双包层掺镱光纤后，经过艰苦的攻关再创佳绩，将该类新型光纤的输出功率成功提高至440W，达到国际领先水平。

这是烽火通信在特种光纤领域迈出的重要一步，同时也是我国在高功率激光器用光纤领域的重大突破。

掺镱双包层光纤激光器是国际上新近发展的一种新型高功率激光器件，由于其具有光束质量好、效率高、易于散热和易于实现高功率等特点，近年来发展迅速，并已成为高精度激光加工、激光雷达系统、光通信及目标指示等领域中相干光源的重要候选者。

双包层掺镱激光器的主要激光增益介质是双包层掺镱光纤，因此双包层掺镱光纤的性能直接决定了该类激光器的转换效率和输出功率。

烽火通信作为国内唯一一家进行双包层掺镱光纤研究的单位，在成功推出输出功率达100W以上的完全可商用的双包层掺镱光纤产品后，又加大的研发力度，使得其输出功率实现440W以上，达到国际领先水平。

国外发展及现状

光纤激光器并不是什么新的器件，尽管到目前才引起广泛研究和重视。

可以毫不夸张地说光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。

第一个光纤激光器的荣誉应归于Sn5t2er和Koester，他们在l963年和1964年分别发表了多组份玻璃光纤中的光放大结果Lt．23，当时他们正为美国光学公司（Amer5can0pticaI勘rpoNt50n）工作。

不久以后，光纤激光器被用于光学信息处理方面的工作c31。

在光纤放大器方面的早期工作还有前苏联的Letokhov和PavliLL4J。

令人感兴趣的一篇非常重要的文章是屑于高银和Hockham的c53，他们在1966年首先讨论了利用光纤作为通信介质的可能性。

在光纤激光器发展的最初阶段就考虑了用半导体光源进行泵浦的可能性r61。

在70年代，Bell实验室（现在的AT8LT）的一个小组也开展了这方面的研究工作。

在1975—1985这十年中有关这个领域的文章较少，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。

低损耗的硅单模光纤和半导体激光器都已商品化并得到了广泛的应用，而且还进行了氟化镑光纤的制作和完善了基于硅光纤的定向耦合器的制作。

这些都为光纤激光器的研制铺平了道路。

半导体激光器，尤其是高功率输出的半导体激光器作为泵浦源在光纤激光器中极为重要。

而熔硅型定向锅台器则对全光纤的激光器的设计起着举足轻重的作用。

在80年代中后期的几年中，英国南安普敦大学的电子工程系和物理系也卷入了这个领域的研究?

8Ih，他们在其中扮演了非常重要的角色，是他们演示了用MCVD方法制作的单模光纤所构成的激光器的运行，从而再度唤起人们对这个研究领域的兴趣。

此后该校的这两个研究小组先后报导了光纤激光器的调Q，锁模，单纵模输出以及光纤放大器方面的研究工作。

英国通信研究实验室（BTRL）于1987年首次报导了其研究结果LJlotlll。

BTRL的研究人员展示了用各种定向锅合器制作的精巧的光纤激光器装置，他们在增益和激发态吸收等研究领域中也作了大量的基础工作，在用氟化桔光纤激光器获得各种波长的激光输出谱线方面做了开拓性的工作，最重要的是制成了利用半导体激光器作为泵浦源的光纤激光器和放大器。

其它在这个领域内发表过研究成果的研究机构还有德国汉堡的技术大学E1zi，NTTL““，HoyaLIdi，日本的三菱L151，美国的P01aroidCo叩oration（’氏，斯坦福大学[”和GTEL’：

；等。

当然世界上还有许多研究机构活跃于这个研究领域。

二．光纤激光器的简述

光纤激光器和放大器的研究与应用引起了广泛的重视和兴趣，已能制备以硅和氟化铅为基质的掺杂稀土金属元素的光纤。

用这些光纤制作成光源或光放大器在降低光通信系统的成本方面具有巨大的潜力。

接铰和饵离子的光纤激光器已有多种波长的输出，包括900nm，1060nm和1550nm等。

用输出波长为800nm的I‘D作为泵浦源也可以获得光通信重要窗口波长（1550nm）的输出。

激光输出诺可以通过改变稀土离子所处的玻璃基质进行改变。

由掺杂稀土元素离子的氟化错光纤可以在红外区产生波长为1050nm，1350nm，l380nm和l550nm的激光输出，其中1350nm波长非常有价值，因为利用以硅为基质的光纤要想得到这个波长的输出非常困难。

此外，这种光纤能在2．08ftm，2．3f4m和2．7Pm的中红外波长区产生激光输出也具有十分重要的价值。

这种光源可能在通信，医学，大气通信和光谱学方面得到应用。

光纤激光器的输出方式可以是连续的，也可以是脉冲的。

光纤激光器的调Q和锁模以及亚纳秒脉冲业已获得。

光纤激光器可以在其整个荧光谱范围内进行调节输出。

最重要的是可以获得窄带宽，单纵模的输出。

因此也可用于相干通信以及其他单色性要求较高的应用场合。

光纤放大器的优越性能以及用LD作为泵浦源实现了放大，使其在光通信系统中的应用越来越广泛。

在过去的几年中，光纤激光器和放大器得到了飞速的发展，世界上许多实验室都卷入了这方面的研究工作。

这些研究工作涉及下述所提到的所有方面。

以后将会利用可见和红外波长区的稀土元素跃迁，发现更多的谱线以满足各种不同的需要。

光纤中的光学过程的理论和基础研究也将进一步发展以优化其性能。

实验研究还需要进一步器件化以及满足实际需要。

对新型光纤和谐振腔的研究还将继续。

高功率的窄脉冲以及偏振控制，可调谐线宽输出都是应用所需要的。

与光纤兼容的调制器和隔离器也是目前所急需的。

光纤激光器的研究无疑将刺激光纤器件的发展。

光纤放大器在局域的和广域的光通信系统中应用前景广阔，这些都需要进一步的研究。

目前有关光纤激光器和放大器的研究大部分来自与光通信有关的实验室和研究机构，因为他们在光纤制备方面得天独厚，但实际上在其它领域光纤激光器和放大器的应用也初见端倪，例如光谱学，非线性光学，计量学，全息学，传感器和医学等领域，甚至在印刷和滑雪过程中。

我们将会看到，在整个国际科技界中涉及光纤激光器的技术领域将会越来越多。

三．光纤激光器原理　

　　利用掺杂稀土元素的研制成的放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。

由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成器，因此光纤激光器可在放大器的基础上开发。

目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的作为增益介质。

由于光纤激光器中纤芯很细，在泵浦光的作用下内极易形成高功率密度，造成工作物质的能级“粒子数反转”。

因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成振荡。

另外由于基质具有很宽的荧光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于WDM系统应用。

　　和半导体器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：

光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和的耦合。

　　我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。

也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。

对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点：

（1）阈值应越低越好；

（2）输出功率与抽运光功率的线性要好；（3）输出偏振态；（4）模式结构；（5）能量转换效率；（6）器工作波长等。

四、包层泵浦器技术

　　双包层的出现无疑是领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。

自1988年ESnitzer首次描述包层泵浦器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到器和放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。

图1（a）示出一种双包层的截面结构。

不难看出，包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂。

一个纤芯和传统的单模纤芯相似，专用于传输信号光，并实现对信号光的单模放大。

而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光（如图1（b）所示）。

这样，使用多个多模二极管同时耦合至包层上，当泵浦光每次横穿过单模纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过在内设置的光栅的选频作用，特定波长的自发辐射光可被振荡放大而最后产生输出。

目前，该技术被称为多模并行包层泵浦技术（Claddingpumpedtechnology），法国Keopsys公司在该技术上形成了一专利，称为“V-GrooveTechnologe”。

图1双包层光纤及工作原理

多模并行包层泵浦技术特性决定了该类光纤激光器有以下几方面的突出性能。

1、高功率

　　一个多模泵浦二极管模块组可辐射出100瓦的光功率，多个多模泵浦二极管并行设置，即可允许设计出很高功率输出的光纤激光器。

2、无需热电冷却器

　　这种大功率的宽面多模二极管可在很高的温度下工作，只须简单的风冷，成本低。

3、很宽的泵浦波长范围

　　高功率的光纤激光器内的活性包层掺杂了铒/镱稀土元素，有一个宽且又平坦的光波吸收区（930-970nm）,因此，泵浦二极管不需任何类型的波长稳定装置

4、效率高

　　泵浦光多次横穿过单模纤芯，因此其利用率高。

5、高可靠性

　　多模泵浦二极管比起单模泵浦二极管来其稳定性要高出很多。

其几何上的宽面就使得光纤激光器的断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低。

这样一来，泵浦二极管其可靠运转寿命超过100万小时。

目前实现包层泵浦器的技术概括起来可分为线形腔单端泵浦、线形腔双端泵浦、全环形腔双包层器三大类，不同特色的双包层器可由该三种基本类型拓展得到。

　　OFC’2002的一篇文献采用如图2所示腔体结构，实现了输出功率为3.8W、阈值为1.7W，倾斜效率高达85%的新型包层泵浦器[1]。

在产品技术方面，美国IPG公司异军突起，已开发出700W的掺镱双包层光纤激光器，并宣称将推出2000W的光纤激光器。

图2一种新型的光纤激光器腔体结构

五、拉曼光纤激光器技术

　　拉曼光放大技术为长距离传输提供了一种新的获取功率预算的手段，成为关注焦点。

对于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只14XXnm泵浦器通过偏振复用获得拉曼泵源，但其成本相对较高且结构复杂。

方法二是采用拉曼器（RFL）来产生特定波长的大功率，目前该技术已得到相当程度的发展并形成了商用产品（如美国IPG、法国Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模块），并被认为是用于拉曼放大和远泵EDFA放大应用的合理光源。

5.1线形腔拉曼光纤激光器

　　若从线形腔拉曼器的输出波长来划分，可以分为单波长和多波长拉曼器两大类。

不同线形拉曼器的结构基本相似，都采用布拉格光栅作为其谐振腔的反射镜。

就RFL所采用的有源增益介质来看，通常采用掺GeO2的掺杂作为增益介质，最近的报道是采用掺P2O5的掺杂作为增益介质，两者的区别在于所取得的Stock偏移不同，一般，掺GeO2的掺杂为440cm-1，而掺P2O5的掺杂为1330cm-1，因此采用P2O5掺杂所需要的拉曼频率变换的次数要少，可以提高效率并降低RFL的复杂度。

N.Kurukithoson等在ECOC’2001会议中报道了一个采用二级拉曼变换获得1480nm输出的RFL实验，其泵浦光波长为1061nm[2]，和采用掺GeO2的掺杂的RFL相比，减少了一级拉曼上变换。

ECOC’2001的另一篇论文中报道了采用掺P制作的1480nm单波长拉曼器实现+28dBm输出的EDFA[3]。

OFC’2001会议中有一篇论文报道了以二级Stocks输出的Raman光纤激光器作为泵浦源激励单模产生超连续谱的实验[4]。

它由拉曼激光器和超连续（SC）腔体两部分构成，其中Raman光纤激光器器工作原理图见图3。

在掺镱激光器的泵浦下，以掺镨为工作物质输出。

泵浦光为1064nm，输出脉冲为1483.4nm的（二级Stocks），输出功率为2.22W。

图3采用RFL产生超连续谱实验装置

图4一种三波长拉曼光纤激光器装置

　　近期浮现出的另一种称为多波长拉曼光纤激光器（MWRFL）引起了广泛的注意，其中双波长拉曼光纤激光器（2lRFL）和三波长拉曼光纤激光器（3lRFL）已成功演示，IPG等已开始形成产品。

　　阿尔卡特公司在OFC’2002会议上报道的一种可重构三波长拉曼器（3lRFL）图4所示[5]，得到了输出波长分别为1427nm、1455nm和1480nm的输出，可用于C+L波段的拉曼放大器中。

另外通过调整输出耦合器，每个波长的输出功率可在50mW—400mW范围内可调。

整个3lRFL的主体部分由11只光栅（FBG）和300米的掺P组成，并以输出波长为1117nm的Yb3+包层泵浦器作为泵浦源。

其内部的Stocks功率迁移如图5所示。

其基本的原理分为以下三步：

首先，在1117nm泵浦光的作用下，利用P2O5产生频移，得到1312nm的一级Stocks分量；然后在一级Stocks的作用下，利用石英的频移，得到1375nm的二级Stocks分量；最后，通过再次利用石英的频移，同时得到1427.0nm、1455.0nm和1480.0nm的输出。

应当指出，由于各拉曼峰值相距较远，因此，不同Stocks之间的交互作用是不可忽视的。

如图3虚线所示，1427.0nm的Stocks分量泵浦1455.0nm和1480.0nm并使之获得增益，同理，1312nm的Stocks分量可使1375nm、1427nm、1455nm和1480nm获得额外的拉曼增益。

图5三波长拉曼光纤激光器Stocks功率迁移

　　采用和图4相似的结构，OFC’2002的另外两篇论文报道了在泵浦光的作用下产生四级Stocks分量的可重构Raman光纤激光器，其输出波长均为1428nm、1445nm和1466nm[6][7]。

OFC’2001的一篇论文报道了一个3lRFL，其输出谱线分别为：

1427nm的谱线谱宽为0.8nm，1455nm和1480nm的谱线谱宽为0.4nm[8]。

5.2环行腔拉曼光纤激光器

　　环行腔结构在技术中具有重要的地位和作用，也是构建拉曼器的另一种重要方式。

OFC’2001中的一篇论文报道了一种双波长的环行拉曼光纤激光器（2lRFL）[9]，其结构如图6所示。

图中，除光栅1480A的反射率为90%外，其他的光栅的反射率均大于99%，拉曼A和B是长度分别为120米和220米的色散补偿（DCF）。

在工作波长为1313nm的Nd:

YLF光纤激光器作为泵浦源作用下，该器的二级Stocks波长为1480nm和1500nm。

报道的数据表明，该光纤激光器在3.2W的泵浦下，可以获得大于400mW的输出。

另外通过调整光栅1480B的反射率，可以对输出波长的功率进行控制和调整，该特性使得该类光纤器可较好地用到增益平坦的拉曼放大中。

图6一种双波长环行拉曼光纤激光器结构

六、新型的光纤激光器技术

　　早期对光纤激光器的研制主要集中在研究短脉冲的输出和可调谐波长范围的扩展方面。

今天，密集波分复用（DWDM）和光时分复用技术的飞速发展及日益进步加速和刺激着多波长器技术、超连续器等的进步。

同时，多波长光纤激光器和超连续光纤激光器的出现，则为低成本地实现Tb/s的DWDM或OTDM传输提供理想的解决方案。

就其实现的技术途径来看，采用EDFA放大的自发辐射、飞秒脉冲技术、超发光二极管等技术均见报道。

6.1多波长光纤激光器

　　文献[10]提出的一种基于半导体光放大器（SOA）的多波长光纤激光器如图7所示。

图中SOA1长度是500mm，在1522nm处提供的小信号增益为23dB，SOA2的长度是250mm，在1530nm处可提供10.5dB的小信号