光纖激光器的研究與應(yīng)用

光纖激光器的研究與應(yīng)用

0光纖激光器簡(jiǎn)介該光纖耳機(jī)由20世紀(jì)60年代初制成。它是一種新型的骨骼材料，隨著光纖通信技術(shù)、光纖制造技術(shù)和激光制造技術(shù)的成熟而發(fā)展。由于其在高速率、密集波分復(fù)用(DWDM)通信系統(tǒng)、高精度傳感技術(shù)和大功率激光加工等方面呈現(xiàn)出潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景,所以備受世界各國(guó)科研工作者的青睞,現(xiàn)已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的熱門研究對(duì)象。光纖激光器與其他類型激光器相比較,其優(yōu)點(diǎn)為:(1)泵浦功率低、增益高、輸出光束質(zhì)量好;(2)與其他光纖器件兼容,可實(shí)現(xiàn)全光纖傳輸系統(tǒng);(3)使用光纖作為基體,其結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積,因而散熱好;(4)體積小,攜帶方便;(5)光纖激光器可以作為光孤子源,實(shí)現(xiàn)光孤子通信。1原則和分類1.1光學(xué)諧振腔和激發(fā)增益介質(zhì)圖1所示為典型光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)。典型光纖激光器主要由三部分組成:產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激發(fā)增益介質(zhì)的泵浦源。其中,增益介質(zhì)為摻雜稀土離子的纖芯。當(dāng)泵浦光從反射鏡1(或光柵1)入射到摻雜光纖芯中時(shí),會(huì)被所摻雜的稀土離子吸收。吸收了光子能量的稀土離子會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷,實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”,反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)弛豫后會(huì)以輻射形式再?gòu)募ぐl(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài),并釋放出能量,從反射鏡2(或光柵2)輸出。1.2激光特性分類根據(jù)光纖激光器激射機(jī)制、器件結(jié)構(gòu)以及輸出激光特性的不同可以有多種不同的分類方式。以目前光纖激光器技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看,其分類主要有以下幾種:(1)根據(jù)光纖基結(jié)構(gòu)分類單包層和雙包層光纖激光器。(2)根據(jù)輸出波長(zhǎng)數(shù)的分類單波長(zhǎng)激光器和多波長(zhǎng)激光器。(3)根據(jù)附加介質(zhì)的分類稀土離子摻雜光纖激光器(如Nd3+、Er3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+等)、單晶光纖激光器、塑料光纖激光器和光纖孤子激光器。(4)根據(jù)恒振腔結(jié)構(gòu)分類F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器等。2光纖激光器分類目前,對(duì)于光纖激光器的研究方向主要集中在高功率光纖激光器、窄線寬光纖激光器、多波長(zhǎng)光纖激光器、超短脈沖光纖激光器、拉曼光纖激光器和光子晶體光纖激光器等幾個(gè)方面。2.1光纖激光器在國(guó)外的發(fā)展情況高功率光纖激光器與同等功率水平的其他類型激光器相比較,其具有效率高、體積小、冷卻溫度低和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),因此高功率光纖激光器一直是光纖激光器領(lǐng)域中最熱門的研究方向。如何提升單根光纖激光的輸出功率,是高功率光纖激光器發(fā)展的主要研究?jī)?nèi)容之一。1999年美國(guó)的V.Dominic等人用4個(gè)45W的半導(dǎo)體激光器從光纖兩端泵浦,獲得了110W的單模連續(xù)激光輸出。但由于光纖和泵浦源技術(shù)的限制,在此后近3年的時(shí)間里,單光纖激光輸出功率沒(méi)有獲得突破性進(jìn)展。2003年,隨著大模場(chǎng)光纖技術(shù)和高功率泵浦源技術(shù)的發(fā)展,光纖激光器的輸出功率快速提高,德國(guó)的IPHT、英國(guó)的SPI和美國(guó)的IPG公司分別報(bào)道了200W、270W和300W的光纖激光器。在2004年初的PhotonicsWest會(huì)議上,英國(guó)的SPI公司報(bào)道了1kW的光纖激光器。隨后,英國(guó)南安普頓大學(xué)報(bào)道了1.36kW連續(xù)波光纖激光器,并預(yù)言通過(guò)對(duì)摻雜光纖更先進(jìn)的設(shè)計(jì)和采用更高功率的泵浦源,單根光纖的輸出功率有可能提高到近萬(wàn)瓦。2004年美國(guó)的IPG公司研制出了10萬(wàn)瓦的光纖激光器和1.7萬(wàn)瓦的工業(yè)光纖激光器生產(chǎn)線。由于單根光纖輸出的激光功率畢竟有限,于是人們想到利用激光光束組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出功率的提高。近年來(lái),其研究方法主要有兩種:相干光束組合和非相干光束組合。由于光纖激光器的相干組束技術(shù)可以將多路激光束相干疊加,在提升輸出總功率的同時(shí),保持了光纖激光器良好的光束質(zhì)量,因此該技術(shù)成為了高功率光纖激光器研究中很有前途的發(fā)展方向。目前,研究人員已經(jīng)提出了多種相干組束技術(shù),主要有:主振蕩放大技術(shù)、多芯光纖自組裝技術(shù)、全光纖組束技術(shù)、光譜組束技術(shù)和外腔相干組束技術(shù)等。光纖激光器的相干組束技術(shù)研究才剛剛起步,尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。2.2光纖激光器在壓縮器中的應(yīng)用對(duì)于激光器來(lái)說(shuō),如果只允許一個(gè)縱模振蕩,則形成單頻激光器,其輸出光具有極高的時(shí)間相干性。該類型激光器具有很高的實(shí)用價(jià)值,所以窄線寬光纖激光器就成為光纖激光器研究領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn),它以線寬窄、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖遙感、高精度光譜及光纖通信領(lǐng)域。窄線寬光纖激光器的早期研究工作主要集中在固定波長(zhǎng)的窄線寬光纖激光器上,振蕩波長(zhǎng)由固定波長(zhǎng)響應(yīng)的濾波器控制,如布拉格光柵,其反射中心波長(zhǎng)由光柵周期決定,反射帶寬由光柵長(zhǎng)度決定。除了通過(guò)對(duì)光纖光柵施加應(yīng)力或溫差來(lái)改變振蕩波長(zhǎng)外,還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵、調(diào)節(jié)腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具角度、利用聲光濾波器、電調(diào)液晶標(biāo)準(zhǔn)具等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。窄線寬光纖激光器常見(jiàn)的腔體結(jié)構(gòu)有線形腔結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。其中,線形腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,但是由于駐波場(chǎng)存在空間燒孔效應(yīng),不利于實(shí)現(xiàn)單頻運(yùn)轉(zhuǎn),常常把腔體變短,從而導(dǎo)致抽運(yùn)轉(zhuǎn)化效率低。而采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的窄線寬光纖激光器則可以消除空間燒孔效應(yīng),并實(shí)現(xiàn)單頻運(yùn)轉(zhuǎn),其腔體較長(zhǎng),增益高。2007年光庫(kù)通訊向市場(chǎng)推出一款超窄線寬光纖激光器,其采用美國(guó)核心專利技術(shù)和高濃度鉺/鐿離子共摻有源光纖,有效解決了輸出功率與光束質(zhì)量之間的矛盾。其腔體長(zhǎng)度小于5cm,線寬小于3kHz,高達(dá)150mW的輸出功率,波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為20GHz,相干長(zhǎng)度可達(dá)75km。2.3多波長(zhǎng)同時(shí)激射-條件三多波長(zhǎng)光纖激光器在DWDM光纖通信系統(tǒng)、分布式多波長(zhǎng)光纖傳感系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)試、光譜學(xué)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。多波長(zhǎng)光纖激光器主要是利用光纖光柵反饋和濾波機(jī)理實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)選擇的。為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間隔可調(diào),人們將保偏光纖引入R型光環(huán)路中,用保偏光纖替代濾波器。對(duì)于多波長(zhǎng)光纖激光器來(lái)說(shuō),摻鉺光纖增益在室溫條件下的均勻展寬線寬較大,各縱模間存在模式競(jìng)爭(zhēng),難以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)的同時(shí)激射。只有將其放置于液氮(溫度77K)條件下,摻鉺光纖才能實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)同時(shí)激射。所以,實(shí)現(xiàn)常溫條件下輸出波長(zhǎng)可調(diào),波長(zhǎng)間隔可調(diào)和通道可調(diào)一直是多波長(zhǎng)光纖激光技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。2002年,R.Slavik等人報(bào)道了一種在腔內(nèi)放置聲光頻移器的多波長(zhǎng)摻鉺光纖環(huán)形激光器,其在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了C波段的1538~1548nm之間13條譜線或者1543~1560nm之間18條譜線輸出。2003年,K.Cheng等人報(bào)道了一種室溫條件下超低損耗的全光纖多頻激光器,實(shí)現(xiàn)了18通道輸出。2006年,Y.G.Liu等人在常規(guī)摻Er3+環(huán)形激光器上實(shí)現(xiàn)了室溫下多波長(zhǎng)激光的輸出。2007年,YanM等人利用級(jí)聯(lián)的長(zhǎng)周期光柵做諧振腔濾波器得到1556.0nm,1558.6nm和1561.2nm三個(gè)波長(zhǎng)的激光輸出。目前,已經(jīng)報(bào)道的多波長(zhǎng)EDFL都具有較窄的增益頻譜,因此限制了更多波長(zhǎng)的激光振蕩。DWDM技術(shù)的成熟對(duì)多波長(zhǎng)激光器的性能也提出了更高的要求。另外,由于增益介質(zhì)和激光腔的設(shè)計(jì)仍是制作高性能、低成本多波長(zhǎng)光纖激光器的關(guān)鍵,所以如何改善目前多波長(zhǎng)EDFL中EDF過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生的對(duì)環(huán)境敏感等因素和如何使得輸出波長(zhǎng)更加穩(wěn)定且易于調(diào)節(jié),是以后多波長(zhǎng)EDFL研究發(fā)展的趨勢(shì)。2.4皮秒光纖激光器超短脈沖光纖激光器是根據(jù)鎖模原理實(shí)現(xiàn)激光輸出的,即當(dāng)光纖中各縱模頻率間隔相同且相鄰縱模間相位差為常數(shù)時(shí)即可獲得鎖模激光脈沖輸出。根據(jù)鎖模方式不同,可分為主動(dòng)鎖模光纖激光器和被動(dòng)鎖模光纖激光器。由于主動(dòng)鎖模調(diào)制能力有限,限制了鎖模脈沖的寬度,所以主動(dòng)鎖模光纖激光器的脈沖寬度通常為皮秒量級(jí)。而被動(dòng)鎖模光纖激光器則是利用光纖或其他元件中的非線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎖模的,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在一定條件下不需要插入任何調(diào)制元件就可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模工作。2006年,A.Polynkin等人報(bào)道了一種新的被動(dòng)鎖模超短腔高平均功率皮秒級(jí)短脈沖光纖激光器,獲得穩(wěn)定的重復(fù)率達(dá)550MHz的脈沖激光輸出(平均輸出功率500~775mW)。2007年,Sumimura等人利用啁啾光柵做諧振腔得到了穩(wěn)定的、單模輸出的飛秒鎖模光纖激光器。超短脈沖的飛秒技術(shù)應(yīng)用已步入快速發(fā)展階段,并在很多領(lǐng)域得以應(yīng)用。在不久的將來(lái),脈沖能量為100μJ、輸出功率為幾十瓦的飛秒激光器有可能在工業(yè)中得到應(yīng)用。據(jù)報(bào)道,皮秒光纖激光器現(xiàn)已經(jīng)突破了100W壁壘,并有可能成為未來(lái)高速自由空間系統(tǒng)的中心組件,用于衛(wèi)星間,甚至行星間的通信。超短脈沖技術(shù)在通信領(lǐng)域中已經(jīng)成為了實(shí)現(xiàn)高速光時(shí)分復(fù)用的關(guān)鍵,而對(duì)于超短脈沖激光器的應(yīng)用也已經(jīng)深入到材料、生物和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域。2.5在拉拔劑和激光器中的應(yīng)用RFL利用光纖中的受激拉曼散射效應(yīng)作為基本原理來(lái)實(shí)現(xiàn)激光振蕩?；谑芗だ⑸湫?yīng)原理制備的光纖激光器與基于摻雜稀土離子的光纖激光器相比較,其具有更高的飽和功率,同時(shí)又沒(méi)有泵浦源的限制,所以該類激光器在光纖陀螺、光纖傳感、波分復(fù)用及相干光通信系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。當(dāng)前RFL的主要增益介質(zhì)是鍺硅光纖和磷硅光纖,它們的拉曼頻移分別為440cm-1和1330cm-1。如果選擇合適的泵浦源和增益介質(zhì),原則上RFL能夠在任意波段獲得激光輸出,并可進(jìn)行寬帶調(diào)諧。近年來(lái),由于RFL的研究進(jìn)展迅速,新結(jié)構(gòu)、新用途的激光器相繼出現(xiàn),使得RFL各方面的性能大為提高,已經(jīng)具有了實(shí)用價(jià)值。阿爾卡特公司在OFC’2002會(huì)議上曾報(bào)道了一種可重構(gòu)三波長(zhǎng)的RFL結(jié)構(gòu),其用于C+L波段的拉曼放大器中。2003年南開(kāi)大學(xué)的蘇紅新等人報(bào)道了內(nèi)腔級(jí)聯(lián)RFL輸出特性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。2004年深圳大學(xué)的杜戈果等人報(bào)道了利用國(guó)產(chǎn)鍍膜鏡作為諧振腔鏡實(shí)現(xiàn)的一級(jí)拉曼激光輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同年,Skubchenko等人研制出一種高功率的全光纖保偏RFL;Abeeluck等人利用高非線性色散位移光纖獲得了3.2W,超過(guò)544nm的超連續(xù)輸出;Sim等人在1539nm實(shí)現(xiàn)了輸出13.2W,轉(zhuǎn)換效率為32.5%的激光,是目前在1400~1600nm波段已報(bào)道的功率最高的級(jí)聯(lián)RFL。2.6pcf激光器的發(fā)展由于與傳統(tǒng)的光纖相比較,光子晶體光纖(PCF)具有無(wú)限單模特性、可控色散特性、高雙折射、超連續(xù)性和大模場(chǎng)面積等優(yōu)點(diǎn),所以使得PCFL具有了其他光纖激光器所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。自2000年Wadsworth首次報(bào)道PCFL以來(lái),PCFL的研究已經(jīng)取得重大研究進(jìn)展,其某些性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了常規(guī)光纖激光器。其中具有發(fā)展前景的典型器件是摻Y(jié)b和雙包層的PCFL、基于PCF的脈沖光源及全光纖PCF拉曼激光器。2003年,德國(guó)和丹麥的研究人員分別報(bào)道了波長(zhǎng)為1070nm、輸出功率達(dá)到80W、斜率效率為78%的高功率PCFL激光器。2003年,Wadsworth等人報(bào)道了利用大模面積空氣包層PCF研制的高功率PCFL,最大輸出功率3.9W,斜率效率30%,實(shí)現(xiàn)了單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。2004年,CrystalFiberA/S公司利用三芯結(jié)構(gòu)光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了激光輸出,功率為260W。2005年,英國(guó)Bath大學(xué)A.Ortigosa等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜。2006年,閆培光等人制備出3.8WPCF拉曼激光器。3金屬或非金屬元素的防護(hù)光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛,如光纖通信(包括空間遠(yuǎn)距通信)、工業(yè)加工(金屬或非金屬的打標(biāo)、鉆孔、切割、焊接)、軍事國(guó)防、醫(yī)療器械、大型基礎(chǔ)建設(shè)等。隨著對(duì)光纖激光器研究的不斷深入,其應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)展,實(shí)用化的步伐不斷加快,其中在軍事、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和通信領(lǐng)域的應(yīng)用尤為突出。3.1光纖激光器在軍事上的應(yīng)用窄線寬光纖激光器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用十分突出,尤其是高精度激光目標(biāo)指示和超遠(yuǎn)距離測(cè)距技術(shù)。目前一般的商業(yè)激光測(cè)距儀的測(cè)量距離最遠(yuǎn)為10~20km,這是由于它的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量敏感度限制所致,其性能無(wú)法滿足軍方ISR(情報(bào)、監(jiān)視、偵察)綜合平臺(tái)的需求。基于頻率調(diào)制連續(xù)波長(zhǎng)技術(shù)原理,光庫(kù)通訊研制出一種1550nm超窄線寬光纖激光器,能廣泛應(yīng)用于幾百公里的激光目標(biāo)指示和激光測(cè)距,從而大大降低了搭建ISR平臺(tái)的成本。另外,研制激光武器一直是軍事領(lǐng)域中的焦點(diǎn)。據(jù)報(bào)道,2006年美國(guó)海軍提出在10年內(nèi)研制出一種100kW,機(jī)載光纖激光器吊艙。另?yè)?jù)美國(guó)軍事與航空航天電子網(wǎng)報(bào)道,美國(guó)空軍研究人員于2007年開(kāi)始探索先進(jìn)光纖激光器系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)及方法。所以,光纖激光器極有可能成為未來(lái)武器級(jí)固態(tài)激光器系統(tǒng)的候選方案。3.2固體或氣體激光器與傳統(tǒng)激光器的對(duì)比光纖激光器在工業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)成為金屬和非金屬切割、加工與處理的理想設(shè)備,其在激光打標(biāo)、精密切割、激光焊接、精密打孔和激光測(cè)量等應(yīng)用技術(shù)方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的固體或氣體激光器。光纖激光器現(xiàn)已在汽車和船舶等制造業(yè)中大顯身手。3.3美蘇葉手術(shù)治療方面光纖激光器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用,如光相干層析技術(shù)、顯微外科手術(shù)、皮膚美容等。在此方面的應(yīng)用,美國(guó)處于世界領(lǐng)先地位。激光醫(yī)療設(shè)備不僅在美國(guó)獲得廣泛應(yīng)用,而且大量出口。3.4光孤子通信的關(guān)鍵技術(shù)光纖激光器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)帶動(dòng)了光纖通信的發(fā)展,是實(shí)現(xiàn)光孤子通信