辅助阅读材料 第一章光纤器件 第一章光纤器件 1.1光纤激光器 1.1.1基本概念 许多稀土离子，如铒、铥、和镜，都可用于制造光纤激光器，其工作波长在 0.4m~4m之间。早在1961年就研制了第一台光纤激光器，当时所用的是掺钕 光纤，芯径为300m。低损耗的硅光纤出现不久，便于1973年出现了被用于 极管激光器泵浦源的光纤激光器。虽然之后又开展了一些工作，但直到20世纪 80年代后期，光纤激光器才取得长足的进展。初期工作侧重于掺钕和掺饵的光 纤激光器，但诸如钬、钐、铥和镜等参杂物也曾使用过。从1989年开始，研究 重点集中在锁模的掺饵光纤激光器上，这类激光器能在1.55m波段产生超短脉 冲，并在光纤通信、超快现象、光纤传感器等方面有广泛应用。 1泵浦和光增益 激光器泵浦结构可分为三能级和四能级两种，如图1.1所示。在某种情况下， 另一种泵浦机制也可能实现，即上转换激光。作为一个实例，图1.2给出了Tm 掺杂上转换激光器的泵浦过程。来自同一（或不同）泵浦激光器的两个或多个光 子被掺杂离子同时吸收，使该离子跃迁到能力相差大于单个泵浦光子能量的能级 上。结果激光器的工作频率高于泵浦光频率，该现象在非线性光学中被称为频率 上转换。频率上转换可以用半导体激光器产生的红外光泵浦，而使激光器工作在 蓝光波段，因此引起人们的注意。在图1.2所示的例子中，三个1.06m的泵浦 光子使Tm3*离子跃迁到'G,激发态，通过'G,→3H,的辐射跃迁，发出475m的 蓝光。注意，图中各能级事实上均是因基质加宽形成的能带。 (a)三能级系潮结构 (化)四能级结构 图11两种泵浦原理的示意图 1
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 第一章 光纤器件 1.1 光纤激光器 1.1.1 基本概念 许多稀土离子，如铒、铥、和镱，都可用于制造光纤激光器，其工作波长在 0.4 µm~4 µm之间。早在 1961 年就研制了第一台光纤激光器，当时所用的是掺钕 光纤，芯径为 300 µm。低损耗的硅光纤出现不久，便于 1973 年出现了被用于二 极管激光器泵浦源的光纤激光器。虽然之后又开展了一些工作，但直到 20 世纪 80 年代后期，光纤激光器才取得长足的进展。初期工作侧重于掺钕和掺铒的光 纤激光器，但诸如钬、钐、铥和镱等参杂物也曾使用过。从 1989 年开始，研究 重点集中在锁模的掺铒光纤激光器上，这类激光器能在 1.55 µm波段产生超短脉 冲，并在光纤通信、超快现象、光纤传感器等方面有广泛应用。 1 泵浦和光增益 激光器泵浦结构可分为三能级和四能级两种，如图 1.1 所示。在某种情况下， 另一种泵浦机制也可能实现，即上转换激光。作为一个实例，图 1.2 给出了Tm 掺杂上转换激光器的泵浦过程。来自同一（或不同）泵浦激光器的两个或多个光 子被掺杂离子同时吸收，使该离子跃迁到能力相差大于单个泵浦光子能量的能级 上。结果激光器的工作频率高于泵浦光频率，该现象在非线性光学中被称为频率 上转换。频率上转换可以用半导体激光器产生的红外光泵浦，而使激光器工作在 蓝光波段，因此引起人们的注意。在图 1.2 所示的例子中，三个 1.06 µm的泵浦 光子使Tm3+离子跃迁到 4激发态，通过 的辐射跃迁，发出 475 1 G 5 3 4 1 G → H µm的 蓝光。注意，图中各能级事实上均是因基质加宽形成的能带。 图 1.1 两种泵浦原理的示意图 1
辅助阅读材料 第一章光纤器件 (被纹箭头表示光子通过非辐射过程的快速驰豫) G 泵浦 0.48um H 泵 桑浦 图1.2铥掺杂上转换激光器的泵浦过程 (波纹箭头表示能级间的快速跑豫过程，吸收三个1.064m的泵浦光子后，发射一个0.484m 的光子 G. 激发态吸收 图1.3掺钕光纤激光器的四能级结构图 在图11所示的泵浦结构中，掺铒光纤激光器使用的是三能级泵浦机制，可 用输入波长为0.98m或1.48m的半导体激光器实现高效率泵浦。图1.3是掺钕 光纤激光器的四能级结构图。该激光器可用输出波长为0.8m的GaAs半导体激 光泵浦，实现12→*F2的跃迁：该激光器可工作在0.92m、1.06m和135m 三个波长上，其中工作波长1.06m时泵浦效率最高。虽然工作波长为1.35m也 是四能级泵浦过程，但其效率受到‘F→G跃迁引起的激发态吸收的严重影
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 （波纹箭头表示光子通过非辐射过程的快速驰豫） 图 1.2 铥掺杂上转换激光器的泵浦过程 （波纹箭头表示能级间的快速驰豫过程，吸收三个 1.06 µm的泵浦光子后，发射一个 0.48 µm 的光子） 图 1.3 掺钕光纤激光器的四能级结构图 在图 1.1 所示的泵浦结构中，掺铒光纤激光器使用的是三能级泵浦机制，可 用输入波长为 0.98 µm或 1.48 µm的半导体激光器实现高效率泵浦。图 1.3 是掺钕 光纤激光器的四能级结构图。该激光器可用输出波长为 0.8 µm的 GaAs 半导体激 光泵浦，实现 5 2 4 9 2 4 I → F 的跃迁；该激光器可工作在 0.92 µm、1.06 µm和 1.35 µm 三个波长上，其中工作波长 1.06 µm时泵浦效率最高。虽然工作波长为 1.35 µm也 是四能级泵浦过程，但其效率受到 7 2 4 3 2 4 F → G 跃迁引起的激发态吸收的严重影 2
轴助阅读材料 第一章光纤器件 响。第一台光纤激光器出现于1961年，工作波长为1.06m。而半导体泵浦的光 纤激光器则出现于1973年，现在用半导体激光器阵列泵浦的掺钕光纤激光器已 能产生功率超过10W的连续光。 普通通信用的小功率光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，多采用单模光 纤、端面泵浦。但单模纤芯直径只有9μm,对LD的输出光束有严格的要求， 无法承受太高的功率密度，因为强泵浦光耦合在很细的的纤芯里会出现很严重的 非线性效应，从而改变纤芯光学性能、降低转换效率。 高功率光纤激光器多采用双包层光纤。单模纤芯由掺稀土离子的石英材料构 成，作为激光器振荡通道：内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率 比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纤：因为掺杂激 活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层是分开的，所以实现了多模光泵浦而单模 输出。为了提高纤芯的吸收效率，内包层的截面形状多采用D形、矩形和梅花 形。 高功率光纤激光器采用侧面泵浦。光纤侧面引出多个权纤，每个分权可与带 尾纤的LD耦合形成分点泵浦，不仅极大地提高输出功率，同时又避免了传统端 泵带来的一系列热效应问题。 2腔形设计 光纤激光器的腔形设计可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔一法布 里-珀罗(FP),它是将增益介质置于两片高反射率的腔镜之间构成的。在光纤 激光器中，腔镜经常对接耦合到光纤端面，以避免衍射损耗。1985年出现的早 期掺钕光纤激光器就采用了这种结构，介质膜对1.08m的输出光高反，而对 0.82m的泵浦光高透。该腔的损耗很小，仅需1004W的泵浦功率就可以达到激 光阈值。但这种腔的调整较为困难，光纤端面或腔镜稍微倾斜，就会使损耗急刷 增加，允许的倾斜度小于°。该问题可通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛 光面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感，而且泵浦光也经由用 一腔镜入射，所以当泵浦光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。 有几种替代方法可以使注入的泵浦光不通过介质膜镜。第一种是使用定向光 纤耦合器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分泵浦光从耦合器的第一个出口输 入腔内，耦合器是光纤激光器的一部分，这样地耦合器称为WDM耦合器。第二 种方法是直接在光纤上刻写光纤光栅作为腔镜。对激光器波长而言，布拉格光栅 相当于高反镜，对泵浦光则是透明的。如果将FP腔的两个腔镜都用这种方法制 3
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 响。第一台光纤激光器出现于 1961 年，工作波长为 1.06 µm。而半导体泵浦的光 纤激光器则出现于 1973 年，现在用半导体激光器阵列泵浦的掺钕光纤激光器已 能产生功率超过 10W 的连续光。 普通通信用的小功率光纤激光器输出功率一般都是毫瓦级，多采用单模光 纤、端面泵浦。但单模纤芯直径只有 9 µ m，对 LD 的输出光束有严格的要求， 无法承受太高的功率密度，因为强泵浦光耦合在很细的的纤芯里会出现很严重的 非线性效应，从而改变纤芯光学性能、降低转换效率。 高功率光纤激光器多采用双包层光纤。单模纤芯由掺稀土离子的石英材料构 成，作为激光器振荡通道；内包层由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率 比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模 LD 泵浦光的多模光纤；因为掺杂激 活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层是分开的，所以实现了多模光泵浦而单模 输出。为了提高纤芯的吸收效率，内包层的截面形状多采用 D 形、矩形和梅花 形。 高功率光纤激光器采用侧面泵浦。光纤侧面引出多个杈纤，每个分杈可与带 尾纤的 LD 耦合形成分点泵浦，不仅极大地提高输出功率，同时又避免了传统端 泵带来的一系列热效应问题。 2 腔形设计 光纤激光器的腔形设计可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔——法布 里-珀罗（F-P），它是将增益介质置于两片高反射率的腔镜之间构成的。在光纤 激光器中，腔镜经常对接耦合到光纤端面，以避免衍射损耗。1985 年出现的早 期掺钕光纤激光器就采用了这种结构，介质膜对 1.08 µm的输出光高反，而对 0.82 µm的泵浦光高透。该腔的损耗很小，仅需 100 µW 的泵浦功率就可以达到激 光阈值。但这种腔的调整较为困难，光纤端面或腔镜稍微倾斜，就会使损耗急剧 增加，允许的倾斜度小于 10 。该问题可通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛 光面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感，而且泵浦光也经由用 一腔镜入射，所以当泵浦光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。 有几种替代方法可以使注入的泵浦光不通过介质膜镜。第一种是使用定向光 纤耦合器。可以设计一种光纤耦合器使得大部分泵浦光从耦合器的第一个出口输 入腔内，耦合器是光纤激光器的一部分，这样地耦合器称为 WDM 耦合器。第二 种方法是直接在光纤上刻写光纤光栅作为腔镜。对激光器波长而言，布拉格光栅 相当于高反镜，对泵浦光则是透明的。如果将 F-P 腔的两个腔镜都用这种方法制 3
辅助阅读材料 第一章光纤器件 造的光纤光栅代替，就形成了全光纤系统：利用布拉格光栅的另一个优点就是由 于光栅具有频率选择幸而能获得单纵模窄线宽的激光输出。第三种方法是使用光 纤环形镜，该镜可设计成对输出光全反，而对泵浦光全透。 因环形腔能够单向输出而经常用于激光器系统。应用于光纤激光器时，由于 环形腔中没有腔镜，因此构成了一个全光纤系统。最简单的环形腔结构是将 WDM耦合器的两端通过一段掺杂光纤连在一起，如图1.4所示。在光纤环路中 插入光纤隔离器是为了使激光器单向运转，如果所使用的是普通的掺杂光纤而不 是保偏光纤，还需要插入一个偏振控制器。 泵浦 8 DM和输出 锅合器 输出 排杂光纤 图14单向环形腔光纤激光器的示意图 早在1985年研制的第一台掺钕光纤激光器上就使用了这种环形腔设计，之 后又出现了几种新的结构形式。图1.5给出了一种用于锁模光纤激光器的结构， 这种结构因其形状而被称为“8”字形腔，右边的环形腔相当于一个具有增益作 用的非线性光纤环形镜。非线性效应对“8”字形激光器有重要作用。在低功率 运转时，光纤环路透射率很低，使得连续工作时腔内损耗很大：当光脉冲的峰值 功率达到一临界值时，环路儿乎透明。基于此原因，“8”字形腔有利于锁模运转。 左侧腔中的隔离器可以保证激光器单方向运转。激光通过另一个光纤耦合器输 出，其透射率很小(<10%)，以降低腔内损耗。“8”字形腔的一个有趣特征在于 它不用任何附加元件，如饱和吸收体，就可以实现被动锁模
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 造的光纤光栅代替，就形成了全光纤系统；利用布拉格光栅的另一个优点就是由 于光栅具有频率选择幸而能获得单纵模窄线宽的激光输出。第三种方法是使用光 纤环形镜，该镜可设计成对输出光全反，而对泵浦光全透。 因环形腔能够单向输出而经常用于激光器系统。应用于光纤激光器时，由于 环形腔中没有腔镜，因此构成了一个全光纤系统。最简单的环形腔结构是将 WDM 耦合器的两端通过一段掺杂光纤连在一起，如图 1.4 所示。在光纤环路中 插入光纤隔离器是为了使激光器单向运转，如果所使用的是普通的掺杂光纤而不 是保偏光纤，还需要插入一个偏振控制器。 图 1.4 单向环形腔光纤激光器的示意图 早在 1985 年研制的第一台掺钕光纤激光器上就使用了这种环形腔设计，之 后又出现了几种新的结构形式。图 1.5 给出了一种用于锁模光纤激光器的结构， 这种结构因其形状而被称为“8”字形腔，右边的环形腔相当于一个具有增益作 用的非线性光纤环形镜。非线性效应对“8”字形激光器有重要作用。在低功率 运转时，光纤环路透射率很低，使得连续工作时腔内损耗很大；当光脉冲的峰值 功率达到一临界值时，环路几乎透明。基于此原因，“8”字形腔有利于锁模运转。 左侧腔中的隔离器可以保证激光器单方向运转。激光通过另一个光纤耦合器输 出，其透射率很小（<10%），以降低腔内损耗。“8”字形腔的一个有趣特征在于 它不用任何附加元件，如饱和吸收体，就可以实现被动锁模。 4
辅助阅读材料 第一章光纤器件 WDM 菜浦 光 隔离器 偏振控制器 图1.5“8”字形腔锁模光纤激光器示意图 还有许多其它腔可以用于光纤激光器系统。例如，可以将两个FP腔连在 一起。这种腔形的最简单形式是将一个腔镜放在距光纤端面一定距离处，具有 4%反射率的光纤空气界面相当于一个低反射率镜，它将光纤腔和空气为介质的 空腔耦合在一起。这种复合腔曾用于减小掺铒光纤激光器的线宽。将三个光纤光 栅串联也可以构成两个耦合FP腔。 1.1.2掺饵光纤激光器 掺饵光纤激光器是利用掺入石英光纤的稀土铒E离子作为增益介质，在 泵浦光激发下进行光放大从而发射激光，其特性主要由掺杂元素决定，而不是由 起主介质作用的石英光纤决定。 产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效 获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与 发射光波长取决于介质的能级结构。图1.6展示了铒离子(E)的能级结构。 由于石英的非晶态特性，E+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子 从下能级(152)向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃 迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态 能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，形成粒子数反转。随后产生粒子数 反转分布的由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对 E+,存在如下有实际意义的跃迁过程： 「+1,2（对应800nm泵浦） 吸收过程：从基态*152→1w2(对应980nm泵浦) L32(对应1480nm泵浦) 激光发射过程：从激发态1→1s2(对应1536nm) 5
辅助阅读材料 第一章 光纤器件 图 1.5 “8”字形腔锁模光纤激光器示意图 还有许多其它腔可以用于光纤激光器系统。例如，可以将两个 F-P 腔连在 一起。这种腔形的最简单形式是将一个腔镜放在距光纤端面一定距离处，具有 4%反射率的光纤-空气界面相当于一个低反射率镜，它将光纤腔和空气为介质的 空腔耦合在一起。这种复合腔曾用于减小掺铒光纤激光器的线宽。将三个光纤光 栅串联也可以构成两个耦合 F-P 腔。 1.1.2 掺铒光纤激光器 掺铒光纤激光器是利用掺入石英光纤的稀土铒(Er3+)离子作为增益介质，在 泵浦光激发下进行光放大从而发射激光，其特性主要由掺杂元素决定，而不是由 起主介质作用的石英光纤决定。 产生激光放大的过程是在增益介质的吸收波长上提供泵浦，使掺铒光纤有效 获得能量而被激光。激活后的光纤介质提供形成激光放大的条件。介质的吸后与 发射光波长取决于介质的能级结构。图 1.6 展示了铒离子（Er3+）的能级结构。 由于石英的非晶态特性，Er3+的能级展宽为一定的能带。在泵浦光照射下，电子 从下能级（4 I15/2）向上能级跃迁，对应于光的吸收，根据不同的泵浦光波长，跃 迁至不同的能级。当泵浦光能量足够时，被泵浦光抽运到上能级而停留在亚稳态 能级上的粒子数会超过基态上剩余的粒子数，形成粒子数反转。随后产生粒子数 反转分布的Er3+由上能级向下能级发生受激辐射，对应于发射激光的过程。对 Er3+，存在如下有实际意义的跃迁过程[3]： 吸收过程： ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ → （对应 泵浦） （对应 泵浦） （对应 泵浦） 从基态 I 1480nm I 980nm I 800nm I 13 / 2 4 11/ 2 4 9 / 2 4 15 / 2 4 激光发射过程：从激发态4 I13/2 →4 I15/2 （对应 1536nm） 5