集成光電子器件lpl(第五章)

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1、 5.1 光 纖 激 光 器 基 本 概 述 5.2 稀 土 摻 雜 光 纖 激 光 器 5.2.1 摻 鉺 光 纖 激 光 器 5.2.2 摻 鐿 光 纖 激 光 器 5.2.3 Er/Yb共 摻 光 纖 激 光 器 5.3 非 線 性 光 纖 激 光 器 5.4 雙 包 層 光 纖 激 光 器 ：o 半 導(dǎo) 體 激 光 器 對(duì) 溫 度 敏 感 。 環(huán) 境 溫 度 的 變 化 和 注 入 電 流 的 熱 效 應(yīng)都 會(huì) 使 激 光 器 的 閾 值 電 流 、 外 微 分 量 子 效 率 發(fā) 生 變 化 ， 并 產(chǎn) 生 結(jié)發(fā) 熱 效 應(yīng) ， 導(dǎo) 致 輸 出 光 功 率 發(fā) 生 變 化 。 為 此

2、 必 須 采 取 各 種 復(fù) 雜 的控 制 措 施 和 插 入 各 種 必 要 的 輔 助 設(shè) 備 。o 半 導(dǎo) 體 激 光 器 與 光 纖 的 耦 合 比 較 困 難 ， 需 要 很 高 的 工 藝 水 平 ， 即便 如 此 ， 仍 有 較 大 的 耦 合 損 耗 。o 某 些 半 導(dǎo) 體 激 光 器 在 一 定 注 入 電 流 下 ， 輸 出 光 會(huì) 出 現(xiàn) 自 脈 動(dòng) 現(xiàn) 象 ，嚴(yán) 重 影 響 著 激 光 器 的 高 速 脈 沖 調(diào) 制 性 能 。o 半 導(dǎo) 體 激 光 器 一 致 性 很 差 ， 在 作 為 WDM系 統(tǒng) 用 光 源 時(shí) 篩 選 難 度 大 。 ：p 光 纖 激 光 器

3、 具 有 波 導(dǎo) 式 結(jié) 構(gòu) ， 可 以 在 光 纖 纖 芯 中 產(chǎn) 生 較 高 的 功 率密 度 ， 使 得 激 光 效 率 大 幅 度 提 高 ；p 基 于 的 SiO2光 纖 的 生 產(chǎn) 工 藝 現(xiàn) 在 也 已 經(jīng) 非 常 成 熟 ， 可 以 制 作 出 高精 度 、 低 損 耗 的 光 纖 。p 光 纖 激 光 器 基 質(zhì) 是 SiO2， 具 有 極 好 的 溫 度 穩(wěn) 定 性 ； 而 且 光 纖 結(jié) 構(gòu)具 有 較 高 的 面 積 體 積 比 ， 所 以 其 散 熱 效 果 很 好 。p 光 纖 激 光 器 與 常 規(guī) 光 纖 具 有 自 然 的 通 融 性 和 兼 容 性 ， 因 此

4、 易 于 進(jìn)行 光 纖 集 成 ， 與 通 信 線 路 耦 合 損 耗 低 ， 使 用 方 便 可 靠 。 n 20世 紀(jì) 60年 代 初 ， 法 國(guó) 的 Smitzer首 次 提 出 光 纖 激 光 器 的 概 念 。n 70年 代 初 美 國(guó) 、 蘇 聯(lián) 等 國(guó) 的 研 究 機(jī) 關(guān) 開 展 了 一 般 性 研 究 工 作 。n 1975年 至 1985年 ， 由 于 半 導(dǎo) 體 激 光 器 工 藝 和 光 纖 制 造 工 藝 的 成 熟 和 發(fā) 展 ， 光 纖 激 光 器 開 始 騰 飛 ： 國(guó) 外 ： 英 國(guó) 的 南 安 普 敦 大 學(xué) 和 通 信 研 究 實(shí) 驗(yàn) 室 、 西 德 的 漢

5、 堡 大 學(xué) 、 日 本 的 NTT、 美 國(guó) 的 斯 坦 福 大 學(xué) 和 Bell實(shí) 驗(yàn) 室 ， 相 繼 開 展 了 光 纖 激 光 器 的 研 究 工 作 ， 成 果 累 累 ； 國(guó) 內(nèi) ： 清 華 大 學(xué) 、 北 京 大 學(xué) 、 中 國(guó) 科 技 大 學(xué) 、 南 開 大 學(xué) 、 上 海 科 技 大 學(xué) 、 南 京 理 工 大 學(xué) 、 天 津 大 學(xué) 、 電 子 部 和 郵 電 部 等 單 位 的 研 究 工 作 也 取 得 了 很 大 進(jìn) 展 。 n 20世 紀(jì) 80年 代 后 期 ， 光 纖 光 柵 的 問 世 和 工 藝 的 成 熟 ， 為 光 纖 激 光 器 注 入 了 新 的 生

6、命 力 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 光 纖 激 光 器 的 全 光 纖 化 。n 90年 代 初 ， 包 層 泵 浦 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 使 傳 統(tǒng) 的 光 纖 激 光 器 的 功 率 水 平 提 高 了 4 5個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 可 謂 光 纖 激 光 器 發(fā) 展 史 上 的 又 一 個(gè) 里 程 碑 。 u 按 激 光 產(chǎn) 生 機(jī) 理 分 類 摻 稀 土 元 素 的 光 纖 激 光 器 ： 摻 鉺 （ Er3+） 、 鐿 （ Yb3+） 、 釹 （ Nd3+） 、 鐠 （ Pr3+） 、 銩 （ Tm3+） 等 非 線 性 效 應(yīng) 光 纖 激 光 器 ： 受 激 拉 曼 散 射 光 纖 激 光 器

7、受 激 布 里 淵 散 射 光 纖 激 光 器 u 按 諧 振 腔 結(jié) 構(gòu) 分 類 F-P腔 光 纖 激 光 器 DFB光 纖 激 光 器 DBR光 纖 激 光 器u 按 光 纖 結(jié) 構(gòu) 分 類 單 包 層 光 纖 激 光 器 雙 包 層 光 纖 激 光 器 n 稀 土 元 素 包 括 15種 元 素 ， 在 元 素 周 期 表 中 位 于 第 五 行 。目 前 比 較 成 熟 的 有 源 光 纖 中 摻 入 的 稀 土 離 子 有 Er3+、 Yb3+、Pr3+、 Tm3+等 。n 摻 鉺 光 纖 在 1.55m波 段 具 有 很 高 的 增 益 ， 正 對(duì) 應(yīng) 低 損 耗第 三 通 信 窗

8、 口 。 由 于 其 潛 在 的 應(yīng) 用 價(jià) 值 ， 摻 鉺 光 纖 激 光器 發(fā) 展 十 分 迅 速 。n 摻 鐿 光 纖 在 1.0-1.2m波 長(zhǎng) 具 有 很 高 的 增 益 ， Yb3+具 有 相當(dāng) 寬 的 吸 收 帶 (8001064nm)以 及 相 當(dāng) 寬 的 激 發(fā) 帶 (9701200nm)， 故 泵 浦 源 選 擇 非 常 廣 泛 ， 泵 浦 源 和 激 光 都 沒 有受 激 態(tài) 吸 收 。 n 摻 銩 光 纖 激 光 器 的 激 射 波 長(zhǎng) 為 1.4m波 段 ， 也 是 重 要 的 光 纖通 信 光 源 。 T Komukai等 人 獲 得 了 輸 出 功 率 100mw

9、、 斜 率 效率 59 的 1.47m摻 Tm3+光 纖 激 光 器 。n 其 他 的 摻 雜 光 纖 激 光 器 ， 如 2.1m工 作 的 摻 鈥 (Ho3+)光 纖 激光 器 ， 由 于 水 分 子 在 2.0m附 近 有 很 強(qiáng) 的 中 紅 外 吸 收 峰 ， 對(duì)鄰 近 組 織 的 熱 損 傷 小 、 止 血 性 好 ， 且 該 波 段 對(duì) 人 眼 是 安 全的 ， 故 在 醫(yī) 療 和 生 物 學(xué) 研 究 上 有 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景 。 摻 鉺 光 纖 激 光 器 的 原 理產(chǎn) 生 激 光 的 三 個(gè) 先 決 條 件 ： 增 益 介 質(zhì) 激 勵(lì) 源 光 學(xué) 諧 振 腔 1. 增

10、 益 介 質(zhì) 摻 鉺 光 纖 Er3+離 子 產(chǎn) 生 光 放 大 效應(yīng) 的 能 級(jí) 有 三 個(gè) ： 激 發(fā)態(tài) 、 亞 穩(wěn) 態(tài) 、 基 態(tài) ， 屬三 能 級(jí) 系 統(tǒng) ； 泵 浦 光 能 量 與 激 發(fā) 態(tài) 與基 態(tài) 之 間 的 能 量 差 相 同 ，亞 穩(wěn) 態(tài) 與 基 態(tài) 之 間 的 能量 差 與 1550nm的 光子 能 量 相 同 ； 鉺 離 子 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 圖 鉺 離 子 （ Er 3+） 能 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 4I11/24I13/24I15/2980nm泵 浦 1480nm泵 浦 無 輻 射 躍 遷1550nm 基 態(tài)高 能 態(tài)亞 穩(wěn) 態(tài) 在 摻 鉺 光 纖 中 注 入 足 夠強(qiáng) 的

11、 泵 浦 光 ， 就 可 以 將大 部 分 處 于 基 態(tài) 的 Er3+離 子 泵 浦 到 激 發(fā) 態(tài) 上 ，處 于 激 發(fā) 態(tài) 的 Er3+離 子又 迅 速 無 輻 射 地 轉(zhuǎn) 移 到亞 穩(wěn) 態(tài) 上 ； 由 于 Er3+離 子 在 亞 穩(wěn) 態(tài)上 能 級(jí) 壽 命 較 長(zhǎng) ， 很 容易 在 亞 穩(wěn) 態(tài) 與 基 態(tài) 之 間形 成 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 。 鉺 離 子 （ Er 3+） 能 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 4I11/24I13/24I15/2980nm泵 浦 1480nm泵 浦 無 輻 射 躍 遷1550nm 基 態(tài)高 能 態(tài)亞 穩(wěn) 態(tài) 2. 泵 浦 方 式 光 泵 浦泵 浦 光 波 長(zhǎng) 有 ：820nm

12、、 980nm和1480nm三 種 。因 為 980nm的 泵 浦 源 具有 突 出 優(yōu) 點(diǎn) ： 噪 聲 低 、泵 浦 效 率 高 、 驅(qū) 動(dòng) 電 流小 、 增 益 平 坦 性 好 等 。 鉺 離 子 （ Er 3+） 能 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 4I11/24I13/24I15/2980nm泵 浦 1480nm泵 浦 無 輻 射 躍 遷1550nm 基 態(tài)高 能 態(tài)亞 穩(wěn) 態(tài)應(yīng) 用 最 多 的 是 980nm泵 浦 源 。 F-P腔 、 DFB和 DBR3. 光 學(xué) 諧 振 腔泵 光 摻 Er3 石 英 光 纖 激 光 輸 出剩 余 泵 光F-P腔 光 纖 激 光 器優(yōu) 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 。 缺

13、點(diǎn) ： 調(diào) 制 或 泵 浦 功 率 變 化 時(shí) ， 不 再 維 持 原 激 射 模 式 ， 出 現(xiàn) 模 式 跳 變 和 譜 線 展 寬 。 難 以 實(shí) 現(xiàn) 動(dòng) 態(tài) 單 縱 模 ； 對(duì) 泵 浦 光 的 吸 收 效 率 和 斜 率 效 率 低 ； 存 在 自 脈 動(dòng) ， 導(dǎo) 致 模 式 跳 變 現(xiàn) 象 。 是 摻 鉺 光 纖 激 光 器 共 有 的 缺 點(diǎn)改 進(jìn) 辦 法 ： 采 用 光 纖 光 柵 激 光 器 ； 采 用 共 摻 雜 光 纖 激 光 器 ； 采 用 主 振 蕩 器 和 功 率 放 大 器 一 體 化 和 有 源 反 饋 技 術(shù) ； 采 用 共 振 泵 浦 ， 可 有 效 抑 制 自

14、 脈 動(dòng) 。 DBR光 纖 光 柵 激 光 器泵 浦 隔 離 器 FBG1 EDF FBG2 輸 出利 用 一 段 摻 鉺 光 纖 和 一 對(duì) 光 纖 光 柵 （ 其 Bragg波 長(zhǎng) 相 等 ） 構(gòu) 成 諧 振 腔 。利 用 光 纖 光 柵 與 縱 向 拉 力 的 關(guān) 系 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn) 輸 出 波 長(zhǎng) 可 調(diào) 。優(yōu) 點(diǎn) ： 能 比 較 準(zhǔn) 確 地 選 波 長(zhǎng) ， 成 本 較 低 。 缺 點(diǎn) ： 需 要 兩 個(gè) 光 柵 實(shí) 現(xiàn) 反 饋 和 波 長(zhǎng) 選 擇 ， 頻 率 穩(wěn) 定 性 受 限 ； 存 在 摻 鉺 光 纖 與 光 柵 的 熔 接 損 耗 ； 對(duì) 泵 浦 光 的 吸 收 效 率 和

15、 斜 率 效 率 低 ， 譜 線 較 環(huán) 形 激 光 器 要 寬 ； 存 在 自 脈 動(dòng) ， 導(dǎo) 致 模 式 跳 變 現(xiàn) 象 。改 進(jìn) 辦 法 ： 采 用 DFB光 纖 光 柵 激 光 器 ； 采 用 共 摻 雜 光 纖 激 光 器 ； 采 用 主 振 蕩 器 和 功 率 放 大 器 一 體 化 和 有 源 反 饋 技 術(shù) ； 采 用 共 振 泵 浦 ， 可 有 效 抑 制 自 脈 動(dòng) 。 DFB光 纖 光 柵 激 光 器泵 浦 隔 離 器 FBG EDF 輸 出直 接 在 摻 鉺 光 纖 中 寫 入 光 柵 構(gòu) 成 諧 振 腔 ， 有 源 區(qū) 和 反 饋 區(qū) 同 為 一 體 。優(yōu) 點(diǎn) ： 只

16、 用 一 個(gè) 光 柵 實(shí) 現(xiàn) 反 饋 和 波 長(zhǎng) 選 擇 ， 頻 率 穩(wěn) 定 性 更 好 ， 旁 瓣 抑 制 比 高 ； 避 免 了 摻 鉺 光 纖 與 光 柵 的 熔 接 損 耗 。缺 點(diǎn) ： 光 柵 寫 入 較 困 難 。 也 存 在 著 如 DBR光 纖 激 光 器 一 樣 的 問 題 ， 改 進(jìn) 方 法 也 與 DBR光 纖 激 光 器 相 同 。 摻 鐿 光 纖 是 這 種 光 纖 激 光 器 的 激 活 介 質(zhì) 。o Yb3+離 子 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 比較 簡(jiǎn) 單 ， 在 整 個(gè) 可 見 和 紅外 區(qū) 只 有 一 個(gè) 基 態(tài) 2F7/2和 激 發(fā) 態(tài) 2F5/2 兩 個(gè) 能 級(jí)族

17、 組 成 ， 其 它 能 級(jí) 都 在 紫外 區(qū) ；o 由 于 沒 有 高 能 級(jí) 的 存 在 ，摻 鐿 光 纖 中 沒 有 多 光 子 弛豫 和 激 發(fā) 態(tài) 吸 收 ， 適 于 發(fā)展 高 功 率 激 光 器 件 ； 鐿 離 子 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 圖 鐿 離 子 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 圖o 摻 鐿 光 纖 激 光 器 一 般 被 泵浦 到 激 發(fā) 態(tài) 中 的 子 能 級(jí) f；然 后 Yb3+離 子 快 速 無 輻 射躍 遷 到 激 發(fā) 態(tài) 的 子 能 級(jí) e，在 子 能 級(jí) e上 具 有 較 長(zhǎng) 的 壽命 ； 形 成 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 。o 鐿 離 子 的 基 態(tài) 和 激 發(fā) 態(tài) 都有 較 寬

18、 的 能 帶 ， 因 此 具 有很 寬 的 吸 收 譜 和 發(fā) 射 譜 ，可 以 采 用 不 同 波 長(zhǎng) 的 抽 運(yùn)源 ， 在 970 1200nm波段 獲 得 激 光 ； 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 ： 單 波 長(zhǎng) 、 窄 線 寬 摻 Yb3+光 纖 激 光 器泵 浦 隔 離 器 FBG1 FBG2YDF 輸 出摻 鐿 光 纖 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) C摻 Yb3+光 纖 有 很 寬 的 吸 收 譜 和 發(fā) 射 譜 ， 可 以 采 用 不 同 波 長(zhǎng) 的 抽 運(yùn) 源 ， 在 970 1200nm波 段 獲 得 激 光 ， 并 可 進(jìn) 行 寬 帶 調(diào) 諧 ；C同 時(shí) ， 這 種 光 纖 激 光 器 不 存

19、 在 激 發(fā) 態(tài) 吸 收 、 濃 度 淬 滅 、 多 聲 子 躍 遷 等 消 激 發(fā) 過 程 ， 量 子 效 率 高 ， 能 夠 獲 得 很 高 的 能 量 轉(zhuǎn) 化 效 率 。由 于 以 上 優(yōu) 點(diǎn) 及 其 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景 ， 摻 Yb3+光 纖 激 光 器 受 到 越來 越 多 研 究 者 的 關(guān) 注 。摻 鐿 光 纖 激 光 器 的 優(yōu) 點(diǎn) ： 摻 鉺 光 纖 激 光 器 的 缺 點(diǎn) ： 對(duì) 泵 浦 光 的 吸 收 效 率 和 斜 率 效 率 低 ； 頻 率 不 太 穩(wěn) 定 ， 出 現(xiàn) 跳 模 現(xiàn) 象 。 為 解 決 這 些 問 題 ， 采 用 Er/Yb共 摻 光 纖 作 為

20、 增 益 介 質(zhì) 。 2F5/22F7/2 4I11/24I13/24I15/2Yb3 Er3Er/Yb共 摻 光 纖 就 是 在 摻 Er3 光 纖 中 摻 入 Yb3 。 由 于 Yb3 具 有 較 大 的 峰 值 吸 收 ， 它 吸 收 泵 浦 光 （ 980nm） ， 然 后 迅速 轉(zhuǎn) 移 給 Er3 離 子 ， 以 實(shí) 現(xiàn) Er3 的 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 。Er/Yb離 子 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 圖 u 使 Er3 在 低 摻 雜 下 ， 對(duì) 泵 浦 光 的 吸 收 能 力 可 提 高 2個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 提 供 更 大 的 增 益 ；u Er/Yb共 摻 光 纖 中 Er3 的 低

21、 摻 雜 抑 制 了 激 光 器 的 自 脈 沖 效 應(yīng) 。這 大 大 提 高 了 激 光 器 的 效 率 和 輸 出 功 率 的 穩(wěn) 定 性 ， 可 以 在無 需 放 大 和 反 饋 的 條 件 下 實(shí) 現(xiàn) 高 功 率 高 效 率 輸 出 。 5.3 非線性效應(yīng)光纖激光器 非 線 性 效 應(yīng) 光 纖 激 光 器 的 優(yōu) 點(diǎn) ： C 比 稀 土 摻 雜 光 纖 激 光 器 具 有 更 高 的 飽 和 功 率 ；C 沒 有 泵 浦 源 的 限 制 。主 要 分 為 兩 類 ： 光 纖 受 激 拉 曼 散 射 激 光 器 光 纖 受 激 布 里 淵 散 射 激 光 器 1. 光 纖 受 激 拉 曼

22、 散 射 激 光 器受 激 拉 曼 散 射 ： 強(qiáng) 激 光 與 介 質(zhì) 分 子相 互 作 用 所 產(chǎn) 生 的 受 激 聲 子 對(duì) 入 射光 的 散 射 。 屬 三 階 非 線 性 效 應(yīng) 。 散 射 光 的 頻 率 下 移 ， 頻 移 量 等于 被 輻 射 介 質(zhì) 的 振 動(dòng) 頻 率 ， 這 種 類型 的 散 射 為 斯 托 克 斯 散 射 ； 散 射 光 的 頻 率 上 移 ， 頻 移 量 等于 被 輻 射 介 質(zhì) 的 振 動(dòng) 頻 率 ， 這 種 類型 的 散 射 為 反 斯 托 克 斯 散 射 。 大 功 率 泵 浦 隔 離 器 FBG1 EDF FBG2 輸 出光 纖 受 激 拉 曼 散

23、 射 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 光 纖 拉 曼 散 射 激 光 輸 出 光 譜 圖隨 入 射 泵 浦 光 功 率 的 增 大 ， 輸 出 泵 浦 光 減 弱 ， 拉 曼 散 射 光 增 強(qiáng) 。 2. 光 纖 受 激 布 里 淵 散 射 激 光 器受 激 拉 曼 散 射 ： 是 強(qiáng) 激 光 與 介 質(zhì) 中 的 彈 性 聲 波 場(chǎng) 發(fā) 生 相 互 作 用 產(chǎn) 生 的 一 種 光 散 射 現(xiàn) 象 。 散 射 光 中 除 包 含 入 射 光 頻 外 ， 其 兩 側(cè) 還 有 頻 移 線 （ 布 里 淵 雙 重 線 ） 。 頻 率 偏 移 量 由 介 質(zhì) 決 定 。 光 纖 受 激 布 里 淵

24、散 射 環(huán) 形 激 光 器 結(jié) 構(gòu) 圖 所 以 ， 一 般 常 規(guī) 光 纖 激 光 器 的 輸 出 功 率 僅 在 毫 瓦 量 級(jí) 。 5.4 雙包層光纖激光器 單 包 層 光 纖 激 光 器 的 缺 點(diǎn) ： L 泵 浦 光 較 難 有 效 地 耦 合 到 幾 何 尺 寸 只 有 幾 微 米 的 光 纖 芯 內(nèi) ， 光 光 轉(zhuǎn) 換 效 率 較 低 ；L 常 規(guī) 的 單 模 光 纖 激 光 器 要 求 泵 光 的 輸 出 模 式 必 須 為 基 模 ， 這 也 限 制 了 其 輸 出 功 率 的 水 平 。 80年 代 后 期 ， 美 國(guó) 寶 麗 來 公 司 的 研 究 者 們 作 出 了 開

25、創(chuàng) 性 的 工作 ， 發(fā) 展 了 一 種 包 層 泵 浦 技 術(shù) ， 大 大 促 進(jìn) 了 高 功 率 光 纖 激 光 器 的發(fā) 展 。 所 謂 包 層 泵 浦 技 術(shù) ， 就 是 采 用 雙 包 層 光 纖 做 為 激 光 器 的 增 益介 質(zhì) ， 泵 浦 光 不 能 直 接 耦 合 到 光 纖 芯 內(nèi) ， 而 是 將 泵 浦 光 耦 合 到 內(nèi)包 層 ， 光 在 內(nèi) 包 層 和 外 包 層 之 間 來 回 反 射 ， 多 次 穿 過 單 模 纖 芯 被其 吸 收 。 雙 包 層 摻 雜 光 纖 的 結(jié) 構(gòu) 光 纖 芯 外 包 層保 護(hù) 層 激 光 輸 出泵 浦 光外 包 層 ： 外 包 層

26、由 折 射 率 比 內(nèi) 包 層 小 的 軟 塑 材 料 構(gòu) 成 ；保 護(hù) 層 ： 最 外 層 由 硬 塑 材 料 包 圍 ， 構(gòu) 成 光 纖 的 保 護(hù) 層 。光 纖 芯 ： 由 摻 稀 土 元 素 的 SiO2構(gòu) 成 ， 它 作 為 激 光 振 蕩 的 通 道 ， 對(duì) 相 關(guān) 波 長(zhǎng) 為 單 模 ；內(nèi) 包 層 ： 內(nèi) 包 層 由 橫 向 尺 寸 和 數(shù) 值 孔 徑 比 纖 芯 大 的 多 、 折 射 率 比 纖 芯 小 的 純 SiO2構(gòu) 成 ， 它 是 泵 光 通 道 ， 對(duì) 泵 光 波 長(zhǎng) 是 多 模 的 ； | 包 繞 纖 芯 ， 將 激 光 輻 射 限 制 在 光 纖 芯 內(nèi) ；|

27、泵 浦 光 的 傳 輸 通 道 ， 把 多 模 泵 浦 光 轉(zhuǎn) 換 為 單 模 激 光 輸 出 。 泵 浦 光 的 能 量 不 是 直 接 耦 合 到 光 纖 芯 內(nèi) ， 而 是 將 泵 浦 光 耦 合到 內(nèi) 包 層 ， 光 在 內(nèi) 包 層 和 外 包 層 之 間 來 回 反 射 ， 多 次 穿 過 單 模 纖芯 被 其 吸 收 。 這 種 結(jié) 構(gòu) 的 光 纖 不 要 求 泵 浦 光 是 單 模 激 光 ， 而 且 可對(duì) 光 纖 的 全 長(zhǎng) 度 泵 浦 ， 因 此 可 選 用 大 功 率 的 多 模 激 光 二 極 管 陣 列作 泵 浦 源 ， 將 約 70%以 上 的 泵 浦 能 量 間 接

28、 地 耦 合 到 纖 芯 內(nèi) ， 大大 提 高 了 泵 浦 效 率 。 雙 包 層 光 纖 的 內(nèi) 包 層 形 狀 ： 雙 包 層 光 纖 內(nèi) 包 層 的 形 狀內(nèi) 包 層 的 形 狀 有 ： 圓 形 偏 心 形 D形 長(zhǎng) 方 形 正 方 向 梅 花 形內(nèi) 包 層 的 橫 截 面 積 、 形 狀 和數(shù) 值 孔 徑 都 是 限 制 吸 收 泵 浦光 功 率 的 主 要 因 素 。 圓 形 、 偏 心 、 D形 、 矩 形 內(nèi) 包 層 的 雙 包 層 光 纖 吸 收 效 率 的 比 較 俄 羅 斯 普 物 所 研 制 的 內(nèi) 包 層 為 方 形 的 摻 Yb雙 包 層 光 纖 ； 美 國(guó) 寶 麗

29、來 公 司 研 制 的 內(nèi) 包 層 為 矩 形 的 摻 Yb雙 包 層 光 纖 ； 美 國(guó) 朗 訊 公 司 研 制 的 內(nèi) 包 層 為 星 形 的 摻 Yb雙 包 層 光 纖 ； 德 國(guó) 研 制 的 內(nèi) 包 層 為 D形 的 摻 Yb和 Nd雙 包 層 光 纖 ； 中 國(guó) 武 漢 郵 電 科 學(xué) 研 究 院 研 制 了 摻 Yb雙 包 層 光 纖 ； 中 國(guó) 天 津 46所 和 南 開 大 學(xué) 合 作 研 制 成 功 摻 Yb雙 包 層 光 纖 。 雙 包 層 光 纖 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) 雙 包 層 光 纖 激 光 器 有 許 多 的 優(yōu) 點(diǎn) ：o 可 實(shí) 現(xiàn) 極 高 功 率 輸 出 的

30、光 纖 激 光 器 ； o 由 于 光 纖 的 表 面 積 與 體 積 之 比 很 大 ， 高 功 率 光 纖 激 光 器 工 作 時(shí) 一 般 無需 復(fù) 雜 的 冷 卻 裝 置 ； o 多 模 二 極 管 泵 浦 源 的 穩(wěn) 定 性 (其 可 靠 運(yùn) 轉(zhuǎn) 壽 命 超 過 l00萬 小 時(shí) )決 定 了這 種 激 光 器 具 有 高 可 靠 性 ； o 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 ； o 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 牢 固 、 不 需 精 密 的 光 學(xué) 平 臺(tái) ， 能 夠 適 應(yīng) 惡 劣 的 工 作 環(huán) 境 。 雙 包 層 光 纖 激 光 器 有 許 多 的 缺 點(diǎn) ： 石 英 雙 包 層 光 纖 的 原 料

31、 制 備 復(fù) 雜 、 要 求 純 度 高 ， 拉 絲 困 難 ， 并且 不 能 做 到 高 摻 雜 （ 摻 雜 濃 度 小 于 0.2 ， 一 般 是 0.15 ） ，使 光 纖 激 光 器 所 需 的 光 纖 長(zhǎng) 度 較 大 ， 一 般 為 20 50m， 因 此 ，。 高 功 率 摻 鐿 雙 包 層 光 纖 激 光 器 美 國(guó) 朗 訊 公 司 S.Kosinki和 D.Inniss在 98 CLEO會(huì) 議 上 報(bào)導(dǎo) ， 用 一 種 內(nèi) 包 層 為 星 形 的 雙 包 層 單 模 Yb3+光 纖 激 光 器 得 到 20W的 激 光 輸 出 加 州 圣 何 塞 光 譜 二 極 管 實(shí) 驗(yàn) 室

32、 工 程 師 V.Dominic等 人 在 99年 CLEO會(huì) 議 上 報(bào) 道 在 一 個(gè) 摻 Yb3+的 雙 包 層 光 纖 激 光 器 上 ， 實(shí) 現(xiàn)了 連 續(xù) 輸 出 功 率 大 于 110W的 單 模 輸 出 。 其 光 光 轉(zhuǎn) 換 效 率 為58.3%。 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 如 圖 所 示 ： 美 國(guó) IPG公 司 的 摻 Yb雙 包 層 高 功 率 激 光 器 的 輸 出 功 率 水 平 超 過700瓦 ， 幾 十 瓦 幾 百 瓦 的 雙 包 層 光 纖 激 光 器 的 商 品 也 已 問 世 。 國(guó) 內(nèi) 上 海 光 機(jī) 所 用 大 于 10瓦 的 915nm LD泵 浦 內(nèi) 包 層為

33、 矩 形 的 摻 Yb雙 包 層 光 纖 獲 得 1060nm、 4.9瓦 的 激 光 輸 出 。光 -光 轉(zhuǎn) 換 效 率 為 43.6%。 南 開 大 學(xué) 對(duì) 高 功 率 光 纖 激 光 器 進(jìn) 行 了 研 究 。 Dichroic mirror(HT(976nm)， HR(1064nm)LDs D-shaped double clad fiber 400m350m OutputCoupler光 纖 ： 選 用 了 內(nèi) 包 層 形 狀 為 D形 的 摻 Yb3+雙 包 層 光 纖 ， 幾 何 尺 寸 為 400m 340m， 數(shù) 值 孔 徑 0.38。 摻 雜 濃 度 0.65mol%。 光

34、 纖 長(zhǎng) 度 20米 。 諧 振 腔 ： 二 色 鏡 （ 對(duì) 976nm泵 光 高 透 、 對(duì) 1060nm激 光 高 反 ） 和 光 纖 端 面 （ 費(fèi) 涅 爾 反 射 3.5%） 構(gòu) 成 駐 波 腔 。泵 浦 源 ： 采 用 輸 出 尾 纖 直 徑 為 800m、 數(shù) 值 孔 徑 小 于 0.22、 輸 出 波 長(zhǎng) 976nm的 多 模 大 功 率 LD作 泵 源 。 用 精 心 設(shè) 計(jì) 光 束 耦 合 系 統(tǒng) 從 右 端 面 泵 入 腔 內(nèi) 。性 能 指 標(biāo) ： 閾 值 功 率 ： 570mW 輸 出 功 率 ： 6.8W 耦 合 效 率 ： 40 斜 率 效 率 ： 86.5 中 心

35、波 長(zhǎng) ： 1098nm 光 譜 半 寬 ： 1.6nm 高 功 率 的 光 纖 激 光 器 一 般 仍 采 用 二 色 鏡 等 傳 統(tǒng) 的 體 器 件 構(gòu) 成 諧振 腔 ， 未 能 實(shí) 現(xiàn) 全 光 纖 化 ， 這 不 僅 極 大 地 限 制 了 光 纖 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu)緊 湊 性 和 工 作 可 靠 性 ， 也 增 加 了 抽 運(yùn) 光 的 耦 合 難 度 ， 同 時(shí) 不 利 于 光纖 激 光 器 與 后 續(xù) 光 纖 光 學(xué) 系 統(tǒng) 的 匹 配 兼 容 。 為 解 決 上 述 問 題 ， 采 用 光 纖 Bragg光 柵 （ FBG） 作 為 腔 鏡 的 全光 纖 高 功 率 激 光 器

36、 。 光 纖 ： 摻 Yb雙 包 層 光 纖 的 內(nèi) 包 層 形 狀 為 正 方 形 ， 截 面 尺 寸 為 125 m 125 m， 數(shù) 值 孔 徑 約 為 0.38。 單 模 纖 芯 的 模 場(chǎng) 半 徑 為 7 m， 數(shù) 值 孔 徑 為 0.11。 纖 芯 中 摻 雜 有 較 高 濃 度 的 Yb離 子 ， 對(duì) 976nm抽 運(yùn) 光 的 吸 收 損 耗 約 為 1.7dB/m。 光 纖 長(zhǎng) 度 為 20m。 諧 振 腔 ： 一 對(duì) 中 心 反 射 波 長(zhǎng) 為 1060nm的 FBG作 為 選 頻 反 饋 腔 鏡 ， 構(gòu) 成 駐 波 腔 ， 相 應(yīng) 的 峰 值 反 射 率 分 別 為 99%

37、和 5%。泵 浦 源 ： 為 一 臺(tái) 帶 有 輸 出 尾 纖 的 LD模 塊 ， 中 心 波 長(zhǎng) 為 976nm。 在 LD模 塊 與 光 纖 激 光 器 注 入 端 之 間 專 門 設(shè) 計(jì) 了 一 個(gè) taper型 光 纖 耦 合 器 ， 以 提 高 抽 運(yùn) 光 的 注 入 效 率 。性 能 指 標(biāo) ： 閾 值 功 率 ： 300mW 輸 出 功 率 ： 1.18W 光 光 轉(zhuǎn) 換 效 率 ： 53.1% 斜 率 效 率 ： 68 中 心 波 長(zhǎng) ： 1060nm 光 譜 半 寬 ： 0.1nm 高 功 率 可 調(diào) 諧 摻 鐿 雙 包 層 光 纖 激 光 器 窄 線 寬 、 可 調(diào) 諧 、

38、高 功 率 摻 Yb3+雙 包 層 光 纖 激 光 器有 著 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景 ， 研 究 工 作 進(jìn) 展 很 快 。 英 國(guó) 南 安 普 敦 大 學(xué) 采 用 空 氣 包 層 Yb3+雙 包 層 光 纖 ， 在 Littrow結(jié) 構(gòu) 中 得到 的 調(diào) 諧 范 圍 1010nm1120nm; 法 國(guó) 的 Ammar Hideur等 人 在 全 光 纖 環(huán) 行 腔 摻 Yb3+雙 包 層 光 纖 激 光 器 得到 的 調(diào) 諧 范 圍 1040nm1100nm， 輸 出 功 率 大 于 800mW; 德 國(guó) M.Auerbach等 人 采 用 Littman-Littrow外 腔 結(jié) 構(gòu)

39、(雙 光 柵 結(jié) 構(gòu) )，在 1040nm1100nm范 圍 內(nèi) 獲 得 了 調(diào) 諧 輸 出 ， 輸 出 功 率 大 于 200mW； 上 海 光 機(jī) 所 陳 柏 等 人 則 通 過 調(diào) 節(jié) 光 纖 后 端 面 與 后 腔 鏡 之 間 的 距 離 以 及后 腔 鏡 角 度 的 方 法 ， 獲 得 了 50nm的 調(diào) 諧 輸 出 ； 南 開 大 學(xué) 采 用 國(guó) 產(chǎn) 圓 形 內(nèi) 包 層 摻 Yb 3+雙 包 層 光 纖 為 增 益 光 纖 分 別 用Littrow、 Littman和 雙 光 柵 三 種 外 腔 結(jié) 構(gòu) 實(shí) 現(xiàn) 了 寬 帶 調(diào) 諧 輸 出 。 LD 976 nm DM Yb-dop

40、ed DCF Polished at 8 Grating Output beam Lens Coupling system 調(diào) 諧 范 圍 ： 1040nm1107.6nm 功 率 ： 34mW 1. Littrow結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器的實(shí)驗(yàn)研究 2. Littman結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器的實(shí)驗(yàn)研究 LD 976 nm DM Yb-doped DCF Polished at 8 Grating Output beam Lens Coupling system Mirror 調(diào) 諧 范 圍 ： 1037.6nm 1097nm 功 率 ： 25.4mW Polished at 8 Grating 1 Output beam Grating 2 2 1 1 LD 976 nm DM Yb-doped DCF Lens Coupling system 3. 雙光柵結(jié)構(gòu)外腔調(diào)諧激光器的實(shí)驗(yàn)研究 調(diào) 諧 范 圍 ： 1040nm 1107.6nm 功 率 ： 24.5mW