【正文】 1 第八章 如何使信號源更強(qiáng) ? 哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院 光子科學(xué)與技術(shù)研究中心 2022年 3月 第八章 如何使信號源更強(qiáng) ? 光纖激光器簡介 光纖激光器的結(jié)構(gòu) 光纖激光器的實(shí)驗(yàn) 1. 20世紀(jì) 60年代初，美國光學(xué)公司的（斯尼澤）Snitzer首次提出光纖激光器的概念。 2. 70年代初美國、蘇聯(lián)等國的研究機(jī)關(guān)開展了一般性研究工作。 3. 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。英國的南安普敦大學(xué)和通信研究實(shí)驗(yàn)室、西德的漢堡大學(xué)、日本的 NTT、美國的斯坦福大學(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。 光纖激光器的發(fā)展 1985年英國南安普敦大學(xué)的研究組取得突出成績。他們用 MCVD方法制作成功單模光纖激光器 ,此后他們先后報(bào)道了光纖激光器的調(diào) Q、鎖模、單縱模輸出以及光纖放大方面的研究工作。英國通信研究實(shí)驗(yàn)室 (BTRL )于 1987年展示了用各種定向耦合器制作的精巧的光纖激光器裝置 ,同時在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領(lǐng)域中也做了大量的基礎(chǔ)工作 ,在用氟化鋯光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作。世界上還有很多研究機(jī)構(gòu)活躍在這個研究領(lǐng)域 ,如德國漢堡技術(shù)大學(xué) ,日本的 NTT、 三菱 ,美國的 貝爾實(shí)驗(yàn)室 ,斯坦福大學(xué)等。 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命力，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器的全光纖化。 光纖激光器的發(fā)展 1988年 , E. Snitzer等提出了雙包層光纖 ,從而使一直被認(rèn)為只能是小功率器件的光纖激光器可以向高功率方向突破。 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個數(shù)量級，可謂光纖激光器發(fā)展史上的又一個里程碑。 進(jìn)入 21世紀(jì)后 ,高功率雙包層光纖激光器的發(fā)展突飛猛進(jìn) ,最高輸出功率記錄在短時間內(nèi)接連被打破 ,目前單纖輸出功率 (連續(xù) )已達(dá)到 2022W 以上。 光纖激光器的分類 按諧振腔結(jié)構(gòu)分類： FP 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 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 按增益介質(zhì)分類：稀土類摻雜光纖激光器、非線性效應(yīng)光纖激光器、單晶光纖激光器 按摻雜元素分類：摻鉺（ Er3+）、釹（ Nd3+）、鐠（ Pr3+）、銩（ Tm3+）鐿（ Yb3+）、鈥（ Ho3+） 按輸出波長分類： S波段（ 1280~1350nm）、 C波段（ 1528~1565nm） L波段（ 1561~1620nm） 按輸出激光分類：脈沖激光器、連續(xù)激光器 光纖激光器的優(yōu)點(diǎn) 光纖激光器近幾年受到廣泛關(guān)注，這是因?yàn)樗哂衅渌す馄魉鶡o法比擬的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在 : (1)光纖激光器中，光纖既是激光介質(zhì)又是光的導(dǎo)波介質(zhì)，因此泵浦光的耦合效率相當(dāng)?shù)母?，加之光纖激光器能方便地延長增益長度，以便使泵浦光充分吸收，而使總的光 光轉(zhuǎn)換效率超過 60%； (2)光纖的幾何形狀具有很大的表面積 /體積比，散熱快，它的工作物質(zhì)的熱負(fù)荷相當(dāng)小，能產(chǎn)生高亮度和高峰值功率，己達(dá) 140mW/cm； (3)光纖激光器的體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，可設(shè)計(jì)得相當(dāng)小巧靈活，使用方便； (4)作為激光介質(zhì)的摻雜光纖，摻雜稀土離子和承受摻雜的基質(zhì)具有相當(dāng)多的可調(diào)參數(shù)和選擇性，光纖激光器可在很寬光譜范圍內(nèi) (4553500nm)設(shè)計(jì)運(yùn)行，加之玻璃光纖的熒光譜相當(dāng)寬，插入適當(dāng)?shù)牟ㄩL選擇器即可得到可調(diào)諧光纖激光器，調(diào)諧范圍己達(dá) 80nm； (5)光纖激光器還容易實(shí)現(xiàn)單模 ,單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖； (6)光纖激光器增益高，噪聲小，光纖到光纖的耦合技術(shù)非常成熟，連接損耗小且增益與偏振無關(guān)； (7)光纖激光器的光束質(zhì)量好，具有較好的單色性、方向性和溫度穩(wěn)定性； (8)光纖激光器所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此，可以制作出高精度，低損耗的光纖，大大降低激光器的成本。 由于光纖激光器具有上述優(yōu)點(diǎn)，它在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示、激光印刷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 通信 :在光通信領(lǐng)域，采用布喇格光柵作為腔反饋和模式選擇的摻鉺光纖激光器比較容易實(shí)現(xiàn)單模、單頻和低噪聲，并被應(yīng)用于光通信和光傳感系統(tǒng)中，特別是可應(yīng)用于密集波分復(fù)用 (DWDM)通信和光孤子通信中。如外調(diào)制的摻鉺光纖激光器在 1996年就能提供傳輸距離 654km，速率為，與 DBF半導(dǎo)體激光器性能類同，但后者難以實(shí)現(xiàn)波長特定。劉頌豪院士認(rèn)為，光纖光孤子激光器、光纖放大器和光孤子開關(guān)是三項(xiàng)使孤子通信走向?qū)嵱没闹饕夹g(shù)。光孤子通信傳輸距離可達(dá)百萬公里，傳輸速率高達(dá) 20Gb/s，誤碼率低于 1013，實(shí)現(xiàn)了無差錯通信。 軍事 :美國空軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在努力將光纖激光器的輸出功率提高到千瓦數(shù)量級。定向能量瞄準(zhǔn)項(xiàng)目中的激光集成技術(shù)分項(xiàng)目的研究人員正與加州 San Jose市的SDL公司合作，開發(fā)高亮度、光照面積小的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能作為激光防御武器替代目前看好的化學(xué)激光器。 工業(yè)加工 :激光波長在 1080nm附近的摻鐿光纖激光器，其極高的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統(tǒng)的 YAG激光器相媲美。在打標(biāo)領(lǐng)域，由于光纖激光器具有高的光束質(zhì)量和定位精度，使其不僅在微米量級對半導(dǎo)體及包裝打標(biāo)效率極高，而且也常被用于塑料和金屬打標(biāo)中。激光印刷 :雙包層光纖激光器，因其擁有極高的熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率而大量進(jìn)入印刷市場，印刷廠利用它可進(jìn)行校樣的制模。 醫(yī)療 :功率超過幾瓦的光纖激光器在顯微外科手術(shù)中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射源。 光纖激光器原理 激光器必須具備可以產(chǎn)生受激光發(fā)射的物理?xiàng)l件，在一般的激光器中，這些條件是通過下面三部分來實(shí)現(xiàn)的，也可以叫作構(gòu)成激光器的 三要素 。 1. 產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在通常的情況下，任何材料處于平衡態(tài)時部是低能態(tài)電子數(shù)遠(yuǎn)大于高能態(tài)電子數(shù)，當(dāng)外來光子將低能態(tài)電子激發(fā)到高能態(tài)后，由于高能態(tài)的電子壽命很短，處于高能態(tài)電了又很快回到低能態(tài)，這種向上和向下的躍遷幾乎是同時進(jìn)行的。所以，為了獲得粒子反轉(zhuǎn)，就需要極大的激發(fā)強(qiáng)度，能夠一下子把低能態(tài)電子大部分激發(fā)到高能態(tài)上去。具有這樣大激發(fā)強(qiáng)度的光源是很難得到的，因而也限制了激光器的使用；同時，很大的激發(fā)功率也可能損壞材料。 2．諧振腔 激光器共振腔一般為 FP干涉共振腔結(jié)構(gòu)，它是由兩個反射率很高的相互個行的端面組成的腔體，激光材料產(chǎn)半的受激光發(fā)射就是在共振腔個形成的。 如果共振腔內(nèi)的激光材料已達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，那么共振腔兩端面之間來回反射的光在傳播過程中不斷激發(fā)出凈受激輻射，由凈受激輻射產(chǎn)生的光子加入到傳播方向平行于共振腔的激發(fā)光行列中，這一過程使產(chǎn)生凈受激躍遷的光場越來越強(qiáng)。 L P i P f R 1 R 2 反射面 反射面 腔體軸線 1 2 E f E i 激光輸出