光纤激光器

任务二　光纤激光器

◆知识点

¤　光纤激光器的工作原理

¤　常见的光纤激光器

¤　光纤激光器的优点

◆任务目标

¤　掌握光纤激光器的工作原理

¤　了解常见的光纤激光器特点

任务导入：

光纤激光器和其他激光器一样，由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。因而光纤激光器也有着和其他激光器相同的基本工作原理。常见的光纤激光器有稀土掺杂的光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器、光纤孤子激光器、光纤光栅激光器等，它们各自有不同的结构和适用条件。

相关知识：

1.光纤激光器的基本工作原理

图4.9示出典型光纤激光器的基本构形。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在两个仔细选择的反射镜之间，从而构成F-P谐振器。泵浦光束从反射器镜1入射到稀土掺杂光纤中，激射输出光从反射镜2输出来。从某种意义上讲，光纤激光器实质上是一个渡长转换器，即通过它将泵浦波长光转换为所需的激射波长光。

基本原理如下：当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激射能级，从而实现通常所说的粒子数反转。反转后处于高能态电子的寿命较短，很快就通过非辐射形式（放出声子）弛豫到寿命较长的所谓亚稳态上，然后以辐射（光子）的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质（光纤）中诱发出新的辐射跃迁，而产生和诱发这一过程的光子性质（包括频率、方向、偏振、相位等）完全相同的光子。这也就是通常所说的受激发射。尽管最初的光子来自于自发发射，但通过反馈谐振，受激发射光子越来越多，即光子在这种谐振过程中获得了增益。一旦光子在谐振腔内所获得的增益大于其在腔内所遭受的损耗（如散射、吸收等），就会在谐振腔的输出端得到激光输出，激射输出光从反射镜2输出来。

图4.9　光纤激光器的基本构形

由于激射是一种放大过程，要维持受激发射的增益，首先必须保证有足够的反转的粒子数，泵浦是实现粒子数反转的必要条件。泵浦由外部较高能量光源提供。如果是两个能级参与激射，要维持受激发射增益还要求泵浦能量高于较高能级的能量。由于泵浦能量高于激射能级，所以激射的光子波长应比泵浦光子的波长长，这一特点为光纤激光器的实用化提供十分有利条件，即可以用价廉的、成熟的GaAs激光器作为泵浦光源，从光纤激光器获得1.3μm、1.55μm和2～3μm的激射输出。

光纤激光器的工作状态（CW或脉冲输出）取决于激活的介质。对CW工作来说，较高激射能级的自发寿命必须大于较低激射能级的自发寿命。光纤激光器有两种激射状态：一是三能级激射，另一种是四能级激射。二者差别在于较低能级所处的位置。在三能级激光器中，较低能级基本上处于基态位置，而在四能级激光器中，有较低能级向基态跃迁的可能性。通常情况下，三能级激射的阈值功率高于四能级激射的阈值功率。因此，总是希望选取四能级激射机构。此外，激射的能级数直接影响激光器的阈值功率和掺杂光纤的长度。在四能级激光器中，阈值功率随光纤长度增加而下降，想获得低的阈值功率，应增加光纤的长度。而在三能级激射的激光器中，在最低阈值功率时有一个最佳光纤长度。

因此，要得到激光输出，必须满足两个条件，即粒子数反转条件和阈值条件。前者要求处于激光上能级（如前述亚稳态）的粒子数大于激光下能级上的粒子数；后者则要求这种粒子数要反转到一定的程度，即达到由腔内增益和损耗所决定的阈值。一旦出现粒子数反转，在腔内就有光子的正增益产生；而若达到阈值，则在腔内出现净增益。

为了更加清楚了解光纤激光器（包括光纤放大器）的工作原理，必须对下面几个问题有所了解。

（1）稀土离子及其光谱

稀土离子是光纤激光器的核心，因为它决定着对光泵的吸收和激射光谱。

稀土元素是化学元素周期表倒数第二行的一组元索，共计15个元素，其范围从具有原子数57的镧（La）到具有原子数71的镥（Lu）。所有稀土原子都具有相同的5s²5p⁶6s²外层电子结构，占据内部4f电子壳层的电子数的多少，支配着它们的光学特性。稀土元素通常是给出一个三价态形式（如Nd^3＋、Er^3＋）发生离化。

稀土离子在光纤中的浓度是十分重要的，浓度太低，可得到的离子数少，实现不了激射。但浓度过高又易引起浓度猝灭，导致较高激射能级上粒子数的减少。此外，浓度过高还会在玻璃矩阵中发生结晶。实验表明，最佳的激射结果有一个最佳的掺杂浓度，对大多数SiO₂光纤和氟锆酸盐光纤来说，掺杂的浓度一般在百万分之几百。

从光纤通信应用角度考虑，最感兴趣的传输波长是1300nm和1550nm。Si基质最感兴趣的稀土离子是Nd^3＋和Er^3＋，因为，Nd^3＋和Er^3＋有我们感兴趣的1300nm和1550nm荧光带和800nm～900nm吸收带。表4.2列出Nd^3＋和Er^3＋的吸收光谱和荧光光谱。从表4.2可看出，Nd^3＋一个显著特性是吸收带和荧光带在900nm波长处重叠，而Er^3＋的吸收带和荧光带在1550nm波长处重叠。吸收带和荧光带的重叠意味着存在着三能级激射，导致高的激射阈值功率。从表4.2还可看到，Nd^3＋掺杂的Si基光纤激光器可激射出900nm、1060nm和1350nm，但由于激励态吸收边缘使渡长发生漂移，故不易得到1350nm光谱，实际上只能得到1400nm激射光谱。Er^3＋掺杂的Si基光纤激光器可以得到1550nm激射光谱。

表4.2　Nd^3＋和Er^3＋的吸收光谱和荧光光谱

通常，玻璃是形成稀土掺杂光纤的基质材料。基质材料由共价结合的分子组成，形成无规则的网状矩阵。稀土离子作为网状系统的调节剂存在或者填隙式地存在于玻璃网状物中。尽管光纤激光器的光学特性主要受稀土离子的控制，但玻璃基质对光学特性也有着重要影响，这些影响包括由于基质原子间的结电场非均匀性分布引起的Stark分裂，导致光谱呈现出结构分布。另一个影响是由于基质电场不均匀性引起的能级扰动或由于声子增宽导致能级增宽。

已采用的基质材料是Si基质或基于氟化锆化合物玻璃组分基质，即通常所说的ZBLANP光纤，这种光纤不仅是制作光纤激光器的基质材料，也是理想的中红外传输光纤。

（2）谐振腔

如图4.10所示，光纤激光器的法布里珀罗（F-P）谐振腔是由稀土掺杂的波导光纤和一对平行的透射、反射镜组成的，当泵浦光通过器件发射光束时，传输和反射的频响是周期的，当满足谐振条件时，可获得较高的激射输出和较低的反射输出强度。当腔长等于波长的l／2整倍数且谐振之间的频率间隔是自由光谱范围（FSR）时，谐振腔发生谐振。最早的激光器是采用端面泵浦的平行平面腔或法布里—珀洛（FP）腔，如图4.10所示。作为增益介质的掺稀土元素光纤，对泵浦光与激射光都能以单横模传播。其中面镜1对应于泵浦光全部透射和对于激射光全反射，以便有效地利用泵浦光和防止泵浦光产生谐振而造成光输出不稳定，面镜2应对于激射光部分透射，以便造成激射光子的反馈和得到有用的激光输出。同时也要求面镜2对泵浦光反射，以使泵浦光能返回光纤再一次泵浦基态粒子的跃迁。实际上，面镜2很难同时满足对激光与泵浦光的透射与反射要求，因而不可避免地也有少量泵浦光从面镜2输出，而进入后续的系统。图4.11所示的是激光输出功率随输出面镜反射率R₂的变化，其中增益介质为掺铒光纤，其掺Er^＋3的浓度为5×10³⁴／m³，荧光寿命为9.8ms，光纤长度为1.5m。曲线（a）→（b）表示泵浦功率分别为4，6，8，10，12，14mW。由图4.10可以看出，对给定掺杂浓度和长度的光纤，存在着一个最佳的R₂值。输出反射镜对激射波长的最佳反射率取决于激射介质的增益，在低增益系统中，最佳反射率应大于或等于95%，而在高增益系统中，最佳反射率应小于或等于70%。如果输出反射镜完全透射泵浦波长光，则泵浦光与激射光一起出射，未转换的泵浦光可用滤光器滤掉。

图4.10　光纤激光器的谐振腔

图4.11　掺铒光纤激光器输出功率与输出镜反射率的关系

上述结构的激光器要求光纤端面与面镜紧密相接以减少反射损耗。然而，这种结构常出现以下情形：①光纤端面与面镜存在间隙；②光纤端面与纤轴不垂直；③光纤端面与面镜安装成斜角；④光纤端面成凹面。所有这些情况都将导致不理想的激光输出。同时，如用大数值孔径透镜来耦合泵浦光时，要求透镜的前表面尽量靠近光纤，以得到最大的泵浦效率，这就要求镀双色膜面的基体很薄；在高的泵浦功率下，薄的面镜可能出现热畸变和破坏所镀的介质膜。因此，图4.10所示的法布里—珀洛结构很难得到实际应用。

图4.12　光纤激光器谐振腔

借助于光纤方向耦合器，可以构成如图4.12（a）～（i）所示的多种谐振腔。图4.12中（a）、（b）均为横向耦合的FP腔，共同的特点是泵浦光输入和激光输出均直接通过光纤则是在高耦合比时才有高的谐振腔精细常数。两种情况均需要高的面镜反射率和低的光纤与面镜界面损耗、低的耦合损耗。图4.12中（c）与（d）的共同特点是均不需面镜，可以消除平端光纤与面镜的光学耦合损耗。其中（c）与（d）结构上的差别在于前者将光纤方向耦合器的两个臂熔为固定接头，由此会带来腔内损耗。和FP腔一样，若增加精细常数，虽不降低激光器阈值，但与此同时将使斜率效率降低。图4.12（d）结构的腔内损耗很小，因而可用普通光纤做成无源谐振腔，可以得到比FP腔高很多的精细常数。以上都是谐振结构，共同的缺点是不能使有用的激射光只从分路器的一个端口输出。如果使用光学隔离器使激射光单向输出，这又将导致较大的腔内损耗。图4.12（e）表示一种非谐振的干涉仪结构，这在光纤传感（如光纤陀螺）中称为Sagnac干涉仪。泵浦光从分路器的一个端口输入，由分路器分为在环内顺时针方向与反时针方向传播的光，二者在分路器相干叠加后，可以从输入端输出形成反射波，也可从另一端口输出而形成透射波。图4.12（f）是两个光纤环串接结构。这种结构既不需面镜，又允许两个反射元件的反射率分别控制。图4.12（g）是所谓Fox-Smith谐振器，可将其看成是具有一个共同臂的两个横向耦合光纤FP腔的结合。当两个腔的腔长满足两个很接近但不精确相等的整数比值时，这种结构具有选模作用。图4.12（h）和（i）实质上分别为透射式和反射式马赫-泽德干涉仪结构。后者可用做光纤激光器的反射调制器而可做Q开关使用。

2.各种光纤激光器

（1）稀土掺杂的光纤激光器

能用于制作稀土掺杂光纤激光器的稀土元素（离子）有Er^3＋，Nd^3＋，Tm^3＋，Ho^3＋，Yb^3＋，Dy^3＋，Ev^3＋，Sm^3＋，Dr^3＋和Pr^3＋等。以掺Er^3＋光纤激光器为例（见图4.13，两个0.98μm或1.48μm的激光二极管通过波分复用（WDM）器的耦合，对掺Er^3＋光纤两端泵浦，通过滤波器和偏振控制器使得腔内只有1.554μm的TM模振荡，与偏振无关的光隔离器确保光的单向传输，最后激光由一个输出耦合器输出。

图4.13　掺Er^3＋光纤激光器

掺Yb^3＋光纤激光器是1.0～1.2μm的通用源，Yb^3＋具有相当宽的吸收带（800～1064nm）以及相当宽的激发带（970～1200nm），故泵浦源选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。如果Er^3＋和Yb^3＋共同掺杂，将会使1.55μmEr^3＋光纤激光器的性能得以提高。

Tm^3＋光纤激光器的激射波长为1.4μm波段，位于光纤通信的1.45μm～l.50μm低损耗窗口，是重要的光纤通信光源。

其他的掺杂光纤激光器，如2μm工作的掺Ho^3＋光纤激光器主要是用于医疗上；3.9μm工作的掺Ho^3＋光纤激光器主要用于大气通信上。

（2）非线性效应光纤激光器

这类光纤激光器主要应用于光纤陀螺、光纤传感、WDM器以及相干光通信系统中，这类光纤激光器最大的优点是它有比稀土掺杂光纤激光器更高的饱和功率和没有泵浦源的限制。主要分为两类：①光纤受激拉曼散射激光器；②光纤受激布里渊散射激光器。

图4.14　受激拉曼散射光纤激光器

①光纤受激拉曼散射激光器

受激拉曼散射是一种三阶非线性光子效应，本质上是强激光与介质分子相互作用所产生的受激声子对入射光的散射。图4.14是一种简单的全光纤受激拉曼散射激光器示意图，其谐振腔为环形行波腔，腔内有一光隔离器使光单向传输，耦合器的光强耦合系数为k。一般典型的受激拉曼分子主要有GeO₂、SiO₂、P₂O₅和D₂。实现1.55μm拉曼激光大致有下面两种途径：①1.064μm的Nd：YAG固体激光器泵浦D₂分子光纤；②1.46μm的二极管激光泵浦GeO₂光纤。

②光纤受激布里渊散射激光器

受激布里渊散射是强激光与介质中的弹性声波场发生相互作用而产生的一种光散射现象。目前这类光纤激光器研究稍显滞后，主要由于两个本征偏振态致使受激布里渊散射通常不稳定，这对于光纤陀螺应用来说无疑是致命的弱点，利用由接头处有90°偏振轴旋转的保偏光纤组成的被动环形腔可消除这一不利因素。为了克服输出功率小、泵浦匹配以及腔内插入元件困难等问题，可采用布里渊和Er^3＋光纤激光器的混合结构。

（3）单晶光纤激光器

单晶光纤激光器是由红宝石、Nd：YAG、Cr：Al₂O₃：LiNbO₃、Ti：蓝宝石、Yb：LiNbO₃以及Nd：MgO：LiNbO₃等单晶材料拉制成光纤的光纤激光器。由于这些材料拉制的光纤比块状或棒状同类晶体有更优越的性能，因此便成为人们要重点开发的光纤激光器。特别是LiNbO₃单晶光纤及其器件在倍频激光器中有着较大的潜在应用，但目前LiNbO₃单晶光纤的制备技术还不够完善，从而限制了其器件的应用。

（4）塑料光纤激光器

塑料光纤激光器是由塑料光纤制成的光纤激光器，为了使光纤有增益特性，在塑料纤芯或包层塑料中充入染料。一种用N₂分子激光器泵浦的POPOP塑料光纤激光器是采用聚苯乙烯做纤芯、聚异丁烯甲酯做包层的光纤激光器，其激光振荡波长为410～420nm。这类光纤激光器目前还未得到有效的应用。

（5）光纤孤子激光器

光孤子是由于色散与非线性效应共同作用而形成的一种独特的非线性效应。实现1.55μm的光纤孤子激光器有两条途径：①利用掺Er^3＋光纤激光器的锁模或频移技术；②利用光纤中的受激拉曼散射。产生一阶光孤子的阈值条件为：

式中，c为光速；Aeff为纤芯有效截面积；ω₀为角频率；n₂是与极化率（X（3））有关的非线性系数；B₂是光渡材料色散系数；T0为脉宽。

图4.15是一光纤孤子激光器的示意图，其频域损耗调制元件为6nm的可调介电滤波器和声光频移器。时域损耗调制元件为非线性放大环面镜（NALM），利用掺Er^3＋光纤放大器来维持光孤子，共启动阈值为290mW，输出l.4ps的光脉冲。

图4.15　光纤孤子激光器

（6）光纤光栅激光器

光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源，它的优点主要有：①半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的DWDM波长标准，且成本很高，而稀土掺杂光纤光栅激光器利用光纤光栅等能非常准确地确定波长，且成本较低；②用做增益的稀土掺杂光纤制作工艺比较成熟；③有可能采用灵巧紧凑且效率高的泵浦源；④光纤光栅激光器具有波导式光纤结构，可以在光纤芯层产生较高的功率密度；⑤可以通过掺杂不同的稀土离子，获得宽带的激光输出，且波长选择可调谐；⑥高频调制下的频率啁啾效应小，抗电磁干扰、温度膨胀系数较半导体激光器小等。

近年来，随着紫外（UV）光写入光纤光栅技术的日趋成熟，已可以制作出多种光纤光栅激光器，并可使用不同的泵浦源，输出多种特性的激光。光纤光栅激光器在频域上可分为单波长、多波长两大类；在时域上可分为连续、脉冲两大类。

3.光纤激光器的特性

①光纤激光器与其他固体、气体激光器不同，它具有和半导体激光器类似的折射率波导结构。在有源光纤中产生的光子被限制在由纤芯与包层折射率差所决定的波导内，使其只能沿光纤轴向传播，这就能保证其有高的内量子效率。

②从泵浦方式上看，光纤激光器可用波长与稀土离子吸收带相匹配的体积很小的高功率半导体激光器来直接泵浦，因而可以得到很高的泵浦效率。

③从效果上看，光纤激光器是一种高效率的波长转换器，即由泵浦激光波长转变为由所掺杂稀土离子的激射波长。由于这一优点，可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价短波长半导体（如GaAs）激光二极管作为泵浦源，获得光纤通信低损耗窗口的13μm和155μm以及2～3μm中红外波长的光纤激光器。

④从工作条件上看，光纤激光器容易在低泵浦功率实现连续渡（CW）工作。由于光纤具有很高的表面积与体积比，这就能保证有良好的散热条件，因而它能在不加强制冷却的情况下连续工作；相比之下，用氙灯泵浦的钕玻璃固体激光器即使在水的强制冷却下也只能脉冲工作。

⑤不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码率前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。因此，对于既有数字格式又有模拟格式的网络（即同时传送语音、图像和数据的网络）特别适宜使用光纤激光器。

⑥光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）是完全相容的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。

⑦通过定向耦合技术和Bragg反射器技术，可以制作出窄线宽、可调谐的光纤激光器。

⑧光纤激光器可以作为光孤子源，是因为掺铒光纤锁模激光器能直接产生足够功率的变换极限超短光脉冲；同时由于光脉冲在光纤谐振腔中传输时的非线性效应，在适当的条件下，可产生脉宽为数十或数百飞秒的变换极限双曲正割形光脉冲，所以是光孤子通信的理想光源。目前，以主动锁模掺铒光纤激光器为光孤子源已成功地实现了2.5Gb／s、17000km无误码光孤子传输。

此外，光纤激光器的圆柱形几何尺寸和波导结构，可与通信及传感系统中所用光纤相容，可以方便地与这些光纤系统高效率地连接。光纤的固有柔性还给光纤激光器在光纤通信与医学上的应用带来很大方便。同时，由于可借助于光纤方向耦合器构成多种柔性谐振腔，不但使激光器结构紧凑、稳定，而且给应用和检测带来更多的灵活性。

尽管光纤激光器具有上述特点，但由于它需要高功率半导体激光器作泵浦源，导致成本增加，其光谱线宽较宽（5～10nm），不适合于相干性要求高的场合应用。因此，目前光纤激光器的应用还受到很大局限。

知识应用：

光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔／切割／焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，等等。

以光纤激光器激光标记机为例：

光纤激光器激光标记机是目前世界上最先进的激光标记产品，其主要特点如下：无水冷装置、体积更小、安装更方便；免维护、工作更稳定可靠；无耗材、功耗小、更节能和环保；标记更清晰美观，在对深度、光滑度、精细度要求较高的领域（如模具行业、位图打标行业）具有不可替代的优势。光纤激光器激光标记机适用于各种材料表面的激光标记，广泛应用于：电子及通信产品、集成电路芯片、电线电缆、电脑配件和电器；各种精密零件、五金工具、仪表仪器、航天航空器件；首饰、服饰、钟表、礼品、办公用品、商标标牌、卫生洁具；餐具、食品、饮料及烟酒等行业。

思考题与习题

1.阐述光纤激光器的工作原理。

2.常见的光纤激光器有哪些？

3.相比其他类型激光器，光纤激光器有哪些优点？