（光學專業(yè)論文）摻鐿光纖激光器的研究.pdf

ab s t r a c t t o d a y , f i b e r l a s e r s a n d f i b e r a m p l i f i e r s h a v e m a n y p o t e n t ia l a p p l i c a t i o n s in o p t i c a l m e a s u r i n g , t e l e - c o m m u n i c a t i o n a n d s e n s o r , b u t t h e re i s a p r o b l e m i n c o m m o n f i b e r l a s e r , w h i c h i s t h e d i f fi c u l t y o f c o u p l i n g m u lt i - m o d e , h i g h p o w e r p u m p l a s e r s i n t o t h e s i n g le - m o d e f i b e r c o r e , s o i t i s d i f f i c u l t t o m a k e h i g h p o w e r f i b e r la s e r s a n d h i g h g a i n a m p l i f i e rs . t o s o l v e t h i s p r o b l e m , c l a d d i n g p u m p t e c h n o l o g ie s a r e w i d e l y a p p l i e d w e i n t r o d u c e t h e n e w e s t a p p l i c a t i o n s o f c l a d d i n g p u m p t e c h n o l o g y i n o p t i c al c o m m u n i c a t i o n i n t h i s p a p e r , a n d e x p e c t t h e k e y t e c h n o l o g ic a l p r o b l e m s t o b e r e s o l v e d o n c l a d d i n g p u m p t e c h n o l o g y . w e f o c u s o n e x p e r i m e n t a l a n d t h e o re t i c al r e s e a r c h o n y b 3 - d o p e d d o u b l e - c la d f ib e r l a s e r s a n d al l - f ib e r y b 3 + - d o p e d s in g le - m o d e la s e r s . t h e re s e a r c h w o r k s i n d e t a i l i s t h e f o l l o w in g : 1 . t h e o ret i c a l res e a r c h o n d o u b l e - c l a d fi b e r l a s e r s ( 1 ) n u m e r ic a l a n a ly s i s o f la s e r p e r f o r m a n c e o f y b 3 - d o p e d d o u b le c la d fi b e r la s e r s u s i n g e q u a t i o n s f o r f o r w a r d a n d b a c k w a r d p u m p i n g l a s e rs a n d s i g n a l l a s e r s i n d o u b le c la d f ib e r , w e n u m e r i c a l ly a n a l y s i s t h e la s e r p e r f o r m a n c e o f y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f i b e r l a s e r s , i n c l u d i n g e v o l u t i o n o f f o r w a r d a n d b a c k w a r d p u m p i n g p o w e r al o n g f i b e r u n d e r t h e d i ff e r e n t l o s s e s , e v o l u t i o n o f f o r w a r d a n d b a c k w a r d p u m p i n g p o w e r a l o n g f i b e r u n d e r t h e d i ff e r e n t s t r u c t u r a l c a v i ty , e v o l u t i o n o f g a i n f a c t o r a lo n g f i b e r u n d e r t h e d i ff e re n t l o s s e s , o u t p u t la s e r p o w e r v e r s u s fi b e r l o s s u n d e r d i ff e r e n t l a u n c h e d p u m p l a s e r p o w e r , o u t p u t l a s e r p o w e r v e r s u s fi b e r l o s s u n d e r d i ff e re n t l a u n c h e d p u m p p o w e r , o u t p u t p o w e r v e r s u s f i b e r l e n g t h u n d e r d i ff e r e n t l a u n c h e d p u m p p o w e r s a n d o u t p u t p o w e r v e r s u s o u t p u t a n d i n p u t m i n o r s r e fl e c t i v i t y u n d e r d i ff e r e n t l a u n c h e d p u m p p o w e r s a n d l o s s e s . ( 2 ) u s i n g n e w m o d e l , w e d i s c u s s a b s o r p t i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f d o u b l e c l a d f i b e r la s e r s a n d d e r i v e t h e re p r e s e n t a t i o n o f e ff e c t i v e a b s o r p t i o n c o e ff i c ie n t . ( 3 ) u s i n g r a y o p t i c s . w e a n a l y s i s t h e in fl u e n c e o f d i ff e r e n t in n e r c l a d s h a p e o n t h e a b s o r p t i v e e f fi c i e n c y o f d o u b l e c l a d f i b e r l a s e r s . 2 .e x p e r im e n t a l r e s e a r c h o n s in g le - m o d e al l 一 f i b e r y b 3 - d o p e d la s e r s ( i ) u s in g f b g . w e p r o d u c e y b 3 - d o p e d f - p c a v ity a ll f ib e r la s e r s . a n d g e t n a r r o w l i n e - w i d t h . h i g h s l o p e e ff i c i e n c y a n d s t a b l e o u t p u t l a s e r s . w e f i n d t h a t t h e l e n g t h o f y b 3 - - d o p e d f ib e r h a s g r e a t in fl u e n c e o n p e r f o r m a n c e o f la s e r s . w h e n y b 3 - - d o p e d f i b e r le n g t h i s 9 m . w e c a n g e t t h e m o s t o p t i m al p e r f o r m a n c e o f l a s e r . w i t h t h e n a r r o w e s t l a s e r l i n e - w i d t h , a n d t h e h i g h e s t l a s e r s l o p e e f fi c i e n c y . ( 2 ) u s in g f b g . w e p r o d u c e y b 3 - d o p e d lo o p c a v i ty a l l f ib e r la s e r s . l i n e - w id t h o f o u t p u t l a s e r i s 0 .2 n m , s l o p e e ff i c i e n c y is 6 1 . 7 % , o u t p u t l a s e r p o w e r i s 7 . 5 m w a n d t h e c e n te r w a v e - le n g th o f o u t p u t la s e r i s 1 0 6 4 n m . t h e o p t im a l le n g t h o f y b 3 - d o p e d f ib e r i s 1 2 m . a n d u n d e r t h i s c o n d i t i o n , w e c a n g e t t h e m o s t o p t i m a l p e r f o rma n c e o f l a s e r , w i t h t h e n a r r o w e s t l a s e r l i n e - w i d t h . a n d t h e h i g h e s t l a s e r s l o p e e ffi c i e n c y . 3 -e x p e r im e n t a l r e s e a r c h o n d o u b le - c la d y b 3 - d o p e d f i b e r la s e r s ( 1 ) w e s e tu p a c o m p l e t e e x p e r im e n t a l s y s t e m o f li n e a r c a v it y y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f i b e r la s e r , i n c l u d i n g l d w i t h p i g t a i l f i b e r , a s p h e r i c a l l e n s c o u p l i n g s y s t e m , c a v i ty m i r r o r s a n d y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f ib e r . t h e n w e d i s c u s s a s p h e r i c a l l e n s c o u p l i n g s y s t e m , c a v it y a n d t h e s t r u c t u re c l a d f i b e r i n d e t a i l . ( 2 ) u s i n g d o u b l e c l a d f ib e r w i t h d i ff e r e n t i n n e r c l a d s h a p e , y b 3 - d o p e d d o u b le c la d f ib e r l a s e r s a n d d i s c u s s o u t p u t d i ff e r e n t y b 3 + 一 。 p e d f ib e r . w e a n a l y s is a n d d is c u s s t h e e x p e r i m e n t i n d e t a i l . t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l d , a n d a b s o r p t i o n o f d o u b l e w e p r o d u c e 1 w earc a v i t y l a s e r p e r f o r m a n c e w i t h s t r a n g e p h e n o m e n o n i n k e y w o r d s : n u m e r ic a l a n a l y s i s , y b 3 + 一 。 p e d si ng l e m o d e f ib e r , y b 3 - d o p e d d o u b le c l a d f i b e r , fi b e r g r a t i n g , f i b e r la s e r s , r e c t a n g u l a r c i r c u l a r i n n e r c la d d i n g . i nnerc l a d d i n g , s q u a r e i n n e r c l a d d i n g , 1 1 1 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 第一章 包層泵浦技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用 1 . 1 引言 今天， 光纖激光器、 光纖放大器在光纖通信、 傳感和測量上有著巨大的應(yīng)用 前景。 但傳統(tǒng)的泵浦技術(shù)很難將高功率的多模泵浦光禍合到單模的纖芯中去， 因 此很難做出高功率的光纖激光器和高放大倍數(shù)的光纖放大器。 而包層泵浦技術(shù)解 決了單模光纖泵浦效率低的問題。 和普通單模光纖相比， 雙包層光纖不但在纖芯 和內(nèi)包層間存在一個傳光波導(dǎo)，而且在內(nèi)包層和外包層之間也存在一個傳光波 導(dǎo)， 這個波導(dǎo)有較大的數(shù)值孔徑和截面積。 高功率、 多模的泵浦光在內(nèi)包層中傳 輸， 產(chǎn)生的激光在纖芯中傳輸， 因此， 可以得到大功率， 基橫模的激光輸出。 同 時由于雙包層光纖具有較大的表面積與體積比，從而可以避免產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。 包層泵浦技術(shù)己被應(yīng)用來產(chǎn)生功率高達 1 1 0 w的光纖激光器。下面我們討論包層 泵浦技術(shù)在光纖通信中的最新應(yīng)用， 并且展望了包層泵浦技術(shù)中要解決的關(guān)鍵性 技術(shù)問題二 一 t 弓 。 1 . 2 . 包層泵浦技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀 在包層泵浦技術(shù)的發(fā)展初期， 人們的注意力主要集中在摻n d + 雙包層光纖激 光器的研究上，1 9 9 3 年， h . p o 等人報道了他們研制的高功率摻、 獷雙包層光纖 激光器， 在1 0 6 4 n m 波長獲得了 近5 w 的單模連續(xù)激光輸出. 斜率效率達到5 1 yo. 1 9 9 0 年，h . z e l l m e r 等人報道t輸出波長在 1 0 6 4 n m 、功率為9 . 2 w 的包層泵浦 的摻、 d 光纖激光器。z . j . c h e n等人報道了包層泵浦摻n d 調(diào)q 光纖激光器， 獲得了峰值功率3 . 7 k w 、脈寬2 n s 的脈沖激光輸出。 從2 0 世紀8 0 年代后期開始， y b 摻入石英或氛化物光纖中，作為一種激光 介質(zhì)才開始受到人們的重視。 特別是摻y(tǒng) b + 石英光纖激光器和放大器方面的研究 取得了很多進展。1 9 9 4 年，由h . n . p a s k 等人首先在摻y(tǒng) b “ 石英光纖中實現(xiàn)了 包層泵浦，實驗中得到了波長為 1 0 4 0 n m , 0 . 5 w的最大激光輸出，斜率效率達到 了8 0 06 。 正是由于摻y(tǒng) b 一 雙包層光纖激光器比摻 d 雙包層光纖激光器具有更高 的斜率效率，以及 y b 一 具有簡單的能級結(jié)構(gòu)、寬的吸收帶和較寬的發(fā)射截面， 使得人們的注意力逐漸轉(zhuǎn)向摻y(tǒng) b 一 雙包層光纖激光器的研究。 在 1 9 9 7 年的國際 激光電光會議 ( c l e o )上，美國p o l a r o i d 公司的n . h u e n d e l 等人報道了一種摻 y b 一 雙包層光纖激光器。他們用四根光纖禍合的9 1 6 n m 波長的激光二極管陣列， 以 1 . 4 w 的功率泵浦摻y(tǒng) b 一 雙包層光纖， 在 1 1 0 0 二波長上獲得了3 15 . 5 w 的連續(xù) 激光輸出。 在1 9 9 8 年的c l e o 會議上， l u c e n t 技術(shù)公司的j . k o s i n k i 和d . i n n i s s 報道了一種內(nèi)包層截面形狀為星形的摻y(tǒng) b 雙包層光纖激光器， 得到了2 0 w 的激 光輸出。1 9 9 9 年，v . d o m i n i c 等人報道了超高功率摻y(tǒng) h . 雙包層光纖激光器的 研究結(jié)果，他們用四個 4 5 w 的半導(dǎo)體激光二極管陣列組成總功率為 1 8 0 w 的泵浦 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 源， 在1 1 2 0 n m 得到1 1 0 w 的激光輸出， 圖1 為該實驗的裝置圖。 這是迄今為止所 見到的最高連續(xù)激光輸出功率的報道。 而且在如此高的功率水平下， 沒有發(fā)現(xiàn)對 光纖性能的 任何損傷， 預(yù)示著光纖作為激光介質(zhì)還能 承受更高的功率 ， 卜 ; 。 f ig . i 高功率光纖激光器實臉裝z. 1 . 3 .雙包層光纖的結(jié)構(gòu)與特性 1 . 3 . 1 雙包層光纖的結(jié)構(gòu) 包層泵浦技術(shù)的關(guān)鍵是雙包層摻雜光纖的結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 雙包層光纖的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，光纖由四層構(gòu)成，分別為光纖芯、內(nèi)包層、外包層和保護層，纖芯是由 摻稀土元素的 s i 0 : 構(gòu)成，它作為激光的傳輸通道， 對相關(guān)波長應(yīng)設(shè)計成單模， 以保證輸出激光是基橫模。內(nèi)包層由 s i 0 : 構(gòu)成， 它的橫向尺寸和數(shù)值孔徑比纖 芯大的多、 并且它是泵光通道， 對泵浦光是多模的。 一般內(nèi)包層可以做成各種形 狀， 有圓形、方形、矩形等。泵浦光在不同形狀的內(nèi) 包層中傳輸時，纖芯對泵浦 光的吸收率不同。 外包層是由 折射率比內(nèi) 包層小的聚合物材料構(gòu)成， 這樣在內(nèi)包 層和外包層之間形成了一個大截面、 大數(shù)值孔徑的光波導(dǎo)， 它可以允許大數(shù)值孔 徑、 大截面和多模的高功率泵光禍合到光纖中。 最外層是硬塑料， 用來保護光纖 內(nèi)包層 口 曰 回 外包層 f ig .2 雙包層摻雜光纖的構(gòu)形 f ig .3 不同內(nèi) 包層形 狀的光 纖徽截面 ( a 正方形:( b ) 矩形:( ， 梅花形 . 2 雙包層光纖的特性 目前大多數(shù)包層泵浦光纖激光器中使用的雙包層光纖都是圓對稱形的。 它 芯層3 冊舒漏l 有以下優(yōu)點:一是不需要對預(yù)制棒做光學機械加工使工藝更加簡單，二是當泵 浦源為帶尾纖的 l d時.圓形石英包層之間的尺寸匹配易于禍合連接。但是也 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 有一個的缺點:圓對稱特性會使內(nèi) 包層中大量的泵浦光成為螺旋光， 在傳輸?shù)?過程中不經(jīng)過摻 y b 的纖芯， 從而大大降低了 纖芯對泵浦光的利用效率。為了 克服這個缺陷， 提出了 新型的內(nèi) 包層截面。另外，隨著大功率雙包層光纖激 光器的發(fā)展， 連續(xù)的激光輸出已達幾十甚至百w i級， 此時單個 l d 作為泵 源其功率顯然是太小了。在各種改進的泵浦方案中，有的采用雙包層光纖 直接與半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面或陣列輻合，有的與集成束狀的尾纖禍合， 為了提高對泵光的利用效率， 并考慮到與具體的泵源形式相匹配， 近幾年來人 們開發(fā)出了多種內(nèi)包層截面形狀的雙包層光纖， 用于各種包層泵浦光纖激光器 的研制工作中，取得了很好的效果。圖3 給出幾種已見報導(dǎo)的雙包層光纖截面 形狀圖。 泵浦光在這些有不同形狀內(nèi) 包層的雙包層光纖中傳輸時， 對泵浦激光的吸收 率有很大不同。一般認為，矩形雙包層光纖具有較大的吸收率，理論上可達到 1 0 0 %的吸收。圓形的雙包層光纖， 光纖的曲率對吸收率的影響非常大，而對矩 形雙包層光纖， 光纖的曲率對吸收率的影響非常小。 還有內(nèi)包層尺寸對泵浦光禍 合效率也有影響【 甲 卜 曰 。 ， 。 1 . 4包層泵浦技術(shù)中的 藕合方式 摻鑲纖芯外包層 透鏡準直 拐合系統(tǒng) 雙包層光纖 a . 端泵示愈圖 雙包層光纖 b . 邊粟示意圖 c . t a p e r 光纖鍋合 f ig .4 泵浦方式試驗裝it示愈圖 目 前常用的有三種藕合方式:1 ) 端泵2 ) 邊泵3 ) t a p e r 光纖禍合 端泵是工藝最簡單，也是最常用的一種泵浦技術(shù)，但禍合效率較低( 如圖 4 a ) .并且有以下缺點: a )在雙包層光纖放大器中，要將多摸泵浦光和單模信號同時禍合到雙包層光纖 中，就必須采用體積較大的二向色鏡來禍合，增加了成本和體積。 b )泵浦光只能通過雙包層光纖的兩個端面注入雙包層光纖中.由于光纖端面的 面積有限，所以限制了不能由l d 陣列將高功率激光拐合到雙包層光纖中。 邊泵是禍合效率更高的一種泵浦技術(shù)， 圖4 b 是邊泵原理圖 ” ， 但由于其中 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 v 形槽要求很高的工藝，所以 較難實現(xiàn)。優(yōu)點是: a )可以在雙包層光纖上開多個v 形槽，采用多個l d 同時泵浦，使更多的泵浦 光藕合到雙包層光纖中，得到高功率激光輸出。 b ) 結(jié)構(gòu)靈活， 使雙包層光纖兩端空閑出來， 可以用來構(gòu)成環(huán)形腔激光器、 放大 器，也可以直接構(gòu)成放大器而不需要二向 色鏡，簡化了 激光器和放大器的結(jié)構(gòu)。 t a p e r 光纖是最近才應(yīng)用于雙包層激光器的 輻合， 特點是禍合效率高、 結(jié)構(gòu) 靈活 ( 如圖4 c ) . 1 . 5 包層泵浦技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用 1 . 5 . 1利用包層泵浦技術(shù)產(chǎn)生寬帶超熒光光潭 摻稀土元素光纖的放大自 發(fā)輻射 ( a s e )具有溫度穩(wěn)定性強，熒光譜線寬以 及時間相干度低， 使用壽命長等特點， 可以作低相關(guān)性的寬帶光源， 被稱為光纖 寬帶超熒光光源 ( s f s ) ， 可在光纖傳感、 和醫(yī)學中得到應(yīng)用。 近年來， 摻餌的單 模光纖超熒光光源己得到廣泛的研究， 但其超熒光的輸出功率相對較小， 因而大 功率的摻欽和摻鑲雙包層光纖超熒光光源逐漸引起了人們的注意。 圖5 是超熒光 光源的結(jié)構(gòu)圖， 利用有尾纖輸出的半導(dǎo)體激光器， 通過二向色鏡直接藕合到摻德 雙包層光纖中， 二向 色鏡的作用是把向后傳輸?shù)臒晒夥瓷浠厝ィ?從前面輸出。 這 種高功率超熒光光源有一個特點， 在不同功率的激光泵浦下， 測量超熒光輸出的 光譜特性曲線發(fā)現(xiàn)， 隨著超熒光輸出功率的增加， 其3 d b 帶寬將逐漸變窄， 這是 由于增益介質(zhì)的均勻展寬特性使超熒光光譜的帶寬隨著輸入功率的增加而減小， 甚至可能由于端面反饋而引起激光輸出， 造成熒光光譜功率下降、 帶寬變窄， 所 以雙包層光纖的輸出端面要磨成 1 5 “ 傾角就是為了抑制由于光纖端面的菲涅爾反 射而引起的傲光振蕩。國內(nèi)有人利用這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生最大熒光輸出功率為 5 4 . 1 m w ，此時斜率效率為6 9 . 3 5 9 6 ，中心波長 1 0 8 2 n m , 3 d b 帶寬為 1 7 . 2 n m 。國際 上采用2 w l d 激光器，利用邊泵技術(shù)，可以 產(chǎn)生4 8 5 m w ，中心波長 1 0 5 5 n m , mb 帶寬為4 1 n m 平坦的 熒光譜輸出 乒 布 。 摻鑲雙包層光纖 本 一 m 9 7 6 n m l d 二向色鈕 f ig .5超熒光探實驗裝w圖 . 5 . 2 雙包層光纖橄光器 . 5 . 2 . 1線形腔單端泵浦雙包層光纖激光器 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 雙包層光纖 傲光翰出 體激光器 進鏡準宜、 藕合耳 反 射 鏡 f i g . 6包 層 泵 浦 摻y(tǒng) b l + 光 纖 滋光 器 裝i m 圖6 是一種線形腔雙包層激光器的結(jié)構(gòu)示意圖， 根據(jù)y b 吸收光譜， 可以 看 到其在9 7 6 n m 和9 1 5 ，處有很強的吸收峰， 所以泵浦源可以使用9 7 6 n m 或9 1 5 n m 的半導(dǎo)體激光器。 并采用透鏡組將泵浦光禍合到光纖中。 在雙包層光纖激光器的 一端用一個對9 7 6 n m 高 透，對1 0 6 0 n m 激光高反的二向 色鏡為激光提供反饋，并 非?？拷p包層光纖，另一端，是直接切割的光纖端面，利用菲涅爾反射( 4 % 反 射率) 作為 激光反饋。 在這種結(jié)構(gòu)中 通過控制雙包層光纖的長度和摻雜濃度可以 選擇激光器的輸出波長。 在摻y(tǒng) b 光纖激光器中， 對于確定的泵浦波長， 摻雜濃 度、 光纖長度的增大將使激光的輸出向長波方向移動。 國內(nèi)有文獻報道， 利用非 球面透鏡禍合泵浦光，可以大大提高該系統(tǒng)的禍合效率，在泵浦半導(dǎo)體激光為 9 1 5 n m ，功率為1 . 0 瓦條件下， 摻鑲雙包層光纖激光器的最大輸出功率為4 4 0 m w , 輸出斜率效率達到 8 0 %。國內(nèi) 有人采用內(nèi)包層為矩形的雙包層摻鑲光纖實現(xiàn)波 長為1 0 7 0 . 6 n m 的 擻光輸出， 結(jié)構(gòu)如圖6 所示，內(nèi) 包層尺寸1 0 0 x 7 0 p m ,當入纖 泵浦功率達到 1 1 1 m w 時，激光輸出功率為8 4 m w ，斜率效率7 7 %. e r, y b 共 透摻雙包 透 二 向 色 鏡鉸 層 光 纖 鏡 二 向 色 鏡 摻鑲光纖 傲光 輸 出 9i 5 n m i口 布拉格光姍 r. . , . , = 1 0 0 0 0 布拉格光姍 r i n g=1 0 0 0 二向色鏡 f ig . 7 9 i 5 n m 或9 7 6 n m半 導(dǎo) 體 激光 器 單 瑞 泵 浦 線 形 腔 雙 包 層 滋光器結(jié)構(gòu)圖 f i g . 8采用布拉格光纖光姍為傲光反潰的線形腔 雙包層光纖激光器 另一種單端泵浦的線形腔激光器的試驗裝置如圖 7所示，分別用 9 8 0 n m或 9 1 5 n m 的半導(dǎo)體激光器單端泵浦， 泵浦光通過二向色鏡和透鏡注入到摻雜雙包層 光纖中。 光纖4 %的端面反射為激光提供反饋。 輸出和輸入端的二向色鏡將激光 從泵浦光路中分離出來， 從而可以單獨測量存在于光纖中的三種激光: 正向激光 輸出功率、反向激光輸出功率和剩余泵浦光功率。這種結(jié)構(gòu)的激光器使用靈活， 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 可以將光纖左端的二向色鏡和透鏡換成對輸出激光高反的器件， 如提供反饋的二 向 色鏡或布拉格光纖光柵等， 使激光在諧振腔內(nèi) 充分振蕩， 這樣可明顯提高激光 的輸出功率. 圖8所示是采用布拉格光纖光柵為激光提供反饋的線形腔雙包層光纖激光 器。 這種結(jié)構(gòu)的雙包層光纖激光器有兩個特點: 第一， 它采用了布拉格光柵為激 光提供反 饋， 輸入端的 布拉格光姍對 1 0 6 4 n m的 激光的反射率可以 達到 1 0 0 %, 而輸出 端的布拉格光柵對激光的反射率為5 %到1 0 %之間， 反射率由輸出激光的 波長而定. 由 于采用布拉格光柵避免了用二向色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來的 損耗， 所以 輸出 激光的斜率效率和輸出 功率會大大提高。 第二: 它在由 泵浦 l d 注入雙包層光纖時 采用了t a p e r 光纖， 而不采用損耗大、 體積大的透鏡組禍合系 統(tǒng)，這樣可以使泵浦光藕合效率達到9 5 % 以上。 1 . 5 . 2 . 2線形腔雙端泵浦雙包層光纖激光器 圖9 所示的裝置是一種雙端泵浦的雙包層光纖激光器，為方便于將光纖內(nèi)包 層的兩端并排粘在一起， 在這種結(jié)構(gòu)中用到的雙包層光纖的內(nèi)包層要為矩形。 先 將光纖的兩個端面拋光，再除掉光纖兩端大約8 0 m m 長的外包層，并將兩端粘在 一起， 最后與在裸光纖的表面均勻的涂一層外包層相同的材料。 將光纖放在透鏡 的光軸上，與l d 光源的發(fā)光方向一致， 構(gòu)成雙向泵浦的光纖激光器，這種結(jié)構(gòu) 可以將注入光纖的泵浦功率提高一倍，并可以 采用l d 陣列進行泵浦。而且由于 采用了矩形內(nèi)包層的雙包層光纖， 所以這種結(jié)構(gòu)激光器可以獲得大功率的激光輸 出。在一個光纖端面前再加上二向色鏡 n 2 ，使激光在腔內(nèi)的充分振蕩，激光輸 出功率會有更明顯的提高。 二向色鏡 n 1 的作用在輸出端將激光和泵浦光分離開。 國際上已 經(jīng)有人利用這種結(jié)構(gòu)得到高功率的激光輸出， 使用摻n d - 矩形內(nèi)包層雙 包層光纖和帶尾纖 l o w 激光輸出的l d ，可以得到2 . 5 w 的激光輸出，斜率效率達 到 5 1 00。 透鏡 透鏡 f 2 mi f i 二向色鏡 iti1e 二向色鏡 e r / yb 共 拼雙 包層 s ti 纖 纖 藕 合 功率計 f ig .9單泵浦潭雙端泵浦雙包層光纖激光 9 7 5 n m ld 二向色鏈 二向色銳 9 7 5 n m l d f ig . 1 0 雙 泵浦源雙向 泵浦雙包層光纖傲光器 裝里 圖 圖1 0 所示為雙泵浦源雙端泵浦雙包層光纖激光器裝置圖，與圖了 所示的單 端泵浦激光器的結(jié)構(gòu)相似， 所不同的是可以得到大功率的激光輸出。 由于采用端 面 l o u 菲涅耳反射作為激光的反饋， 激光不能在腔內(nèi)充分振蕩，并不能得到最大 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 的激光輸出， 為了 增加反饋， 可以 在一端的 激光輸出 外加激光反射鏡， 這樣雖然 增加了 激光的腔長和損耗， 但激光的輸出功率可有顯著的提高， 并可以得到特定 波長的激光輸出. 1 . 5 . 2 . 3 全光纖拾鑲環(huán)形腔雙包層激光器 抽出 泵浦光 光隔離簽 f ig . i i 扮鑲環(huán)形腔雙包層激光器裝t. 圖 1 1 是摻錐環(huán)形腔雙包層光纖激光器裝置圖，這種環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的雙包層激 光器除了用作激光增益介質(zhì)的雙包層光纖外， 其余所用器件都是由普通的單模光 纖器件構(gòu)成， 并且采用了邊泵技術(shù)， 易于實現(xiàn)激光器的小型化和集成化。 在這種 結(jié)構(gòu)中， 由于雙包層光纖與單模光纖的熔接處， 在雙包層光纖的內(nèi)包層中傳輸?shù)?泵浦激光會完全損失， 所以要求泵浦激光在光纖環(huán)形腔中只能傳輸一圈， 這樣必 須有足夠長的摻雜光纖， 將泵浦光一次吸收完。 而信號光卻在光纖芯中傳輸， 只 要單模光纖的纖芯 包層和雙包層光纖的纖芯 包層熔接好， 信號光并不會由于雙 包層光纖與單模光纖的對接而損失，可以在環(huán)形腔中多次傳輸、多次得到放大。 結(jié)構(gòu)中采用可調(diào)諧濾波器可以實現(xiàn)激光的調(diào)諧輸出， 調(diào)諧范圍十幾個納米。 光隔 離器是為了 抑制光纖中的背向 布里淵散 射， 穩(wěn)定 激光輸出 ” 、 。 1 . 5 . 2 . 5 包層泵浦調(diào)q 光纖激光器 8 0 0 / 1 0 6 0 n m 二向色鏡 摻鑲雙包 層光纖聲光調(diào)制鑒 i 激光翰出 反q 獷 全 石 f ig . 1 2雙包層光纖激光器調(diào) u 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 短脈沖激光器在醫(yī)學、 測t、 遙感和參t振蕩 等許多 領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用， 采用包層泵浦技術(shù)的調(diào)q 光纖激光器與常規(guī)調(diào)q 激光器相比， 可以 將峰值功率提 高一個數(shù)t級，脈寬可以從 7 o n s壓縮到 z n s 。最近，有報道說利用光纖中的分 布背向散射可以實現(xiàn)雙包層激光器的被動調(diào)q ，并可以產(chǎn)生z ns的短脈沖，與傳 統(tǒng)的調(diào)q 光纖激光器不同， 脈沖寬度與激光器的腔長無關(guān)， 而是由 受激布里淵散 射的遲豫振蕩產(chǎn)生的超短脈沖 ( 脈沖寬度約i n s ) 提供的反饋決定的， 這等效于 在非常短的時間內(nèi)將激光諧振腔的q 值提高幾個數(shù)量級。圖12為同時利用光纖 非線性和傳統(tǒng)的調(diào)q 技術(shù)實現(xiàn)短脈沖的輸出， 其中利用光纖非線性產(chǎn)生峰值功率 高和寬度窄的脈沖，同時利用傳統(tǒng)的聲光調(diào)制器穩(wěn)定輸出激光的重復(fù)頻率。 當光纖前端面反射被抑制后， 可以得到穩(wěn)定的巨脈沖序列。 原理上可以采用 將端面切成一定角度或?qū)⑵鋻伖獾姆椒▉硪种贫嗣娣瓷? 在這種結(jié)構(gòu)中， 通過將 一短段與雙包層光纖內(nèi) 包層尺寸一致的多模光纖 ( 期) 與雙包層光纖熔接， 可以 更方便的抑制端面反射。 可以使輸入端的激光反射低于2 . 5 xl護， 并且不會影響 注入泵浦光的效率。這樣可以得到峰值功率37 kw， 脈沖寬度z ns，重復(fù)頻率穩(wěn) 定的脈沖序列， 其中重復(fù)頻率受聲光調(diào)制器控制。 工作原理是， 泵浦光能量使激 光下能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 由于己 對光纖的端面進行了 特殊的處理， 激光在光纖端 面處的反射己被完全抑制， 而且由于a om阻礙了激光在腔鏡的反饋， 所以激光器 的問值很高， 因此可以得到非常高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 一旦粒子數(shù)反轉(zhuǎn)超過了激光的 閱值，并且聲光調(diào)制器打開，腔損迅速降低，q 值提高，腔內(nèi) 光子數(shù)密度也通過 自 發(fā)輻射迅速提高， 當強度足以強到激發(fā)s bs過程， 一個短脈沖產(chǎn)生， 當 這個脈 沖經(jīng)過摻n 曠光纖到達1 端口 后， 它經(jīng)歷了動態(tài)增益， 并激發(fā)出腔中存儲的能量， 可以達到幾千瓦的峰值功率 叫” 。 1 . 5 . 3 雙包層光纖放大器 在光纖通信方面， 飛速發(fā)展的w d m 技術(shù)使得光纖傳輸能力達到t b i t/s 以上。 在日新月異的因特網(wǎng)技術(shù)的驅(qū)動下， 高功率光纖放大器對通信方面的發(fā)展起著舉 足輕重的作用。 然而， 現(xiàn)在的摻餌光纖放大器依賴于單模激光二極管的泵浦， 輸 出功率僅在 lw以下。相對而言，包層泵浦光纖可以把價格低廉的幾個多模激光 二極管的激光能t集中起來泵浦纖芯中的稀土離子. 使泵浦光轉(zhuǎn)變?yōu)閱文８吡炼?的信號光束，所以必將有廣泛的應(yīng)用。 為了利用包層泵浦技術(shù)實現(xiàn)c 波段光信號的放大， 必須利用餌錐共摻的雙包 層光纖， 因為餌離子的吸收效率比較低， 而錐離子的吸收效率非常高， 所以摻入 錐離子吸收泵浦光， 能量通過無輻射躍遷從錐離子轉(zhuǎn)移給餌離子， 然后餌離子再 發(fā)射 1 . 5 5 卿 附近的熒光。目 前常見的包層泵浦光纖放大器是采用摻鑲離子或餌 鑲共摻雙包層光纖。 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 1 . 5 . 3 . 1 采用端泵的雙包層光纖放大器 邁銀 透鏡 二向色鏡 二向色鏡 雙包層摻錢光 e r / yb 共 冷雙包層 光纖 放大 信光入 小號輸 l斗 血n日日“. 翰入 透鏡 二 向 色 信 號光 怡出 透鏡 粉 入 信 號光 9 7 5 n m l d 二 向 色 鏡二 向 色 鏡 9 7 5 n m l d f i g . 1 3 單 端泵浦線形腔雙包 層光 纖放大登試 臉裝t圖 f i g . 1 4雙泵浦潭雙向泵浦雙包層光纖橄光器裝2 圖 1 3 為單端泵浦線形腔雙包層光纖放大器試驗裝置圖，這種結(jié)構(gòu)的光纖放 大器采用反向放大方式， 即信號光和泵浦激光的傳輸方向相反， 這樣可以保證信 號最強時放大器的增益最大， 從而保證最大的輸出激光功率和放大倍數(shù)。 二向色 鏡是為了 將放大信號光路與泵浦光路分離開， 泵浦光通過二向色鏡注入到雙包層 光纖中。信號光通過單模 7 0 / 3 0光纖藕和器注入到摻錐光纖中，3 0 %的信號光 輸出是為了監(jiān)視輸入信號光的功率。 圖1 3 中點1 , 2 構(gòu)成了放大器的輸入和輸出 端，所有光纖端面都被切成 1 5 角，以防止端面反射，避免由于泵浦功率超過激 光閩值而出現(xiàn)激光振蕩。 還有采用雙向泵浦的雙包層光纖放大器，其結(jié)構(gòu)如圖 1 4 所示，把雙包層光 纖的兩端都切成 1 5 0 ，避免端面反射，這樣不會出現(xiàn)激光振蕩。從左端輸入的信 號光經(jīng)過放大從右邊輸出， 與單向泵浦雙包層激光器相比， 雙向泵浦可以獲得更 大的小信號增益和輸出功率，利用這種結(jié)構(gòu)的放大器可以得到功率超過 1 w 放大 信號。 1 . 5 . 3 . 2 邊泵雙包層光纖放大器 與采用端泵的雙包層放大器不同的是， 邊泵雙包層放大器不需要使用二向色 鏡將泵浦光和信號光同時拱合到雙包層光纖中， 因此可以減小由于二向色鏡帶來 的損耗，并且可以得到結(jié)構(gòu)緊湊的高功率放大器。采用 v型槽技術(shù)，將 9 8 0 n m 泵浦光注入餌鑲共摻的雙包層光纖中，可以實現(xiàn) 1 5 0 0 n m波段的信號光放大 1 . 5 . 4雙包層橄光器作為拉受泵浦源的應(yīng)用 隨著寬帶業(yè)務(wù)的不斷增長，人們對光纖帶寬的利用越來越多，現(xiàn)有的利用 e d f a 放大的c 波段已不能滿足未來寬帶網(wǎng)絡(luò)的需要。人們開始利用l , s 波段乃 南開大 學碩士研究生畢業(yè)論文 至 全波光纖中 1 . 2 1 u n - 1 . 7 a m的 整 個的 無損區(qū) 域， 因 此出 現(xiàn)了 許多新的 光信號 放 大措施， 其中拉曼放大器以高達4 0 t h z 的增益帶寬， 適用于各種光纖的增益特性， 受到很大關(guān)注。 但這種技術(shù)對泵源要求很高， 而摻鏈雙包層激光器具有以下特點， 非常適合做拉曼放大器和激光器的泵源。 1 ) . 光纖輸出， 這樣可以 保證輸出 功率可以高效的禍合到光纖中去。 2 ) . 高輸出功率，目 前已 有功率上瓦的產(chǎn)品， 完全可以滿足拉曼放大器對泵源功 率的要求。 3 ) . 合適的輸出 波長， 摻鑲雙包層激光器輸出1 . 0 6 f t m 激光， 而通信用拉曼放大 器可以 通過3 級拉曼 位移， 利用1 . 0 6 e m l 激光實現(xiàn)對1 . 5 5 波段的信號光放大。 圖1 5 是光纖光柵級聯(lián)拉受橄光器試驗裝置圖，這種拉曼激光器前半部分是 雙包層摻鑲激光器， 輸出1 0 8 4 n m ， 后面用長7 0 0 m p - s i 光纖作拉曼轉(zhuǎn)換，實 現(xiàn) 了1 2 6 6 n m 和1 3 0 0 n m 的拉曼激光輸出， 采用摻磷光纖作為拉曼轉(zhuǎn)換是因為摻磷光 纖的拉曼平移大 ， 司 一 湯 。 協(xié)健光纖 p h o s p h o r釗 f ig . i s 光 纖光櫥級聯(lián)拉里橄光器試驗裝fm 1 . 6結(jié)論 包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)推進了高功率光纖有源器件的發(fā)展。 近年來， 各類雙包 層摻雜光纖的設(shè)計和制造， 包層泵浦高功率連續(xù)運轉(zhuǎn)激光器、 雙包層放大器和超 熒光光源等取得了 進一步重大發(fā)展， 并逐漸在光纖通信領(lǐng)域得到應(yīng)用。 今后， 隨 著包層泵浦技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 對雙包層光子器件也提出了很高的要求。 雙包層光 纖禍和器， w d !d ，光柵等.這些在理論上和實驗上都提出了 新的問題，伴隨著這 些問題的提出和解決，包層泵浦技術(shù)也必將得到更大的應(yīng)用和發(fā)展。 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 第二章 雙包層光纖激光器的理論分析 2 . 1拾健雙包層光纖激光器輸出特性的數(shù)值分析 2 . 1 . 1概述 雙包層擻光器的工作原理如圖2 . 1 所示， 當 利用數(shù)值模擬方法對激光輸出 特 性進行分析時， 考慮沿著光纖長度上的信號光分布損失和由于端泵引起的增益介 質(zhì)中非均一分布的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)等因素就很重要了。 在這部分中，我們利用龍格庫塔法和d i g o n n e t 所建立的 模型分析了 雙包層 光纖激光器輸出激光的特性。 首先， 討論了前向與后向泵浦光傳輸?shù)幕痉匠毯?相關(guān)參數(shù)。 其次， 數(shù)值模擬了輸出激光能t與輸出 腔鏡反射率、 注入泵浦光能量、 光纖損耗和光纖長度的等參數(shù)的關(guān)系。 m i雙 包 層 光 纖m 2 激光輸出 內(nèi) 包 層摻 雜 光 纖芯外 包層 圖2 . 1 雙包層光纖激光器泵浦示意圖 2 . 1 . 2前向 與后向的傳輸方程 我們要數(shù)值模擬雙包層激光器輸出激光的特性， 就需要先建立泵浦光、 激光 在雙包層激光器中的傳輸方程， 并引入各種簡化模型的近似， 以便得到方程的數(shù) 值解。 以前的大多數(shù)簡化忽略了自 發(fā)輻射和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的非均勻分布效應(yīng)， 而這 些效應(yīng)對高功率光纖激光器的輸出特性影響很大. 因而并不適用于雙包層光纖激 光器。 我們?yōu)榇瞬捎昧诵碌哪Ｐ停?數(shù)值計算了沿著光纖長度方向上的泵浦功率分 布、總輸出功率，斜率效率和其它參數(shù)。 數(shù)值分析的結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)如圖2 . 2所示，即是注入泵浦激光，p o u t是 正向激光輸出，p o u t 一 是反向激光輸出，p ( 0 ) , p 一 ( 0 ) , p - ( i ) 和p - ( l ) 是泵浦 光在邊界處的初始值。 根據(jù)輸出 激光的邊界 條件， 可以得到凡 。 一 = p - ( o ) 一 p ( 0 ) , p 。 一 二p ( 1 ) 一 p - ( l ) 。 南開大學碩士研究生畢業(yè)論文 po u t p - ( o )p ( l ) 二 李 中 . po u t . . 奮 p ( 0 ) f ( l ) 圖2 .2 雙包層光纖滋光器數(shù)值模擬示憊圖 咖+(:= 竺a , .p (o )e -( a a + a p )= f p . nv月， 尸了 p 0 + p + ( - ) 1 + ( p + ( = ) + p 一 ( = ) )/ p s 一 a p + ( c ) ( 2 . 1 a ) 中( :a s r f h v p二 。 (。，一 “口“， fpaf p 0 + p( : ) ， 十 ( p 十 (:)+ 尸 一 ( = )/ p , + a p ( : )( 2 . 1 b ) y (= ) = 竺a a p a (o )e - a a + a p )