影响光纤激光器呢光束性能的研究

西安邮电学院
科研训练论文毕设题目：影响光纤激光器光束性能因素的研究
院系：电子工程学院光电子技术系
专业：光信息科学与技术
班级： 0702
姓名：冯盼
指导教师：朱海燕
影响光纤激光器光束性能因素的研究
作者：冯盼（西安邮电学院,电子工程学院,光信息科学与技术,0702班）
指导教师：朱海燕（电子工程学院）
摘要：由于光纤激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑、无需外部水冷等优点而得到人们地广泛应用，是目前发展最快、市场前景最好的一类激光器。

因而光纤激光器输出功率和光束质量对于人们来说很是重要,但是光纤激光器内部器件中光纤与光纤的耦合，光纤弯曲导致的损耗，光纤中的模式传输特性等，都影响着输出光束的质量,所以研究影响光纤激光器的性能因素，在激光技术中具有重要意义。

本文主要介绍了各个影响光纤激光器光束性能的因素。

关键词：光纤激光器；光束性能；光纤耦合；光纤传输损耗；光纤模式传输特性Research of the Impact on Optical Fiber Laser Beam Performance
Writor：Pan Feng（0702 class，Optical Information Science and Technology，Electronic engineering, Xi’an University Posts&Telecommunications）
Direct teacher（hai-yan zhu，Electronic engineering）
Abstract：Because the laser has a small size, lightweight, compact structure and no external cold water , The fibre is widely used in various flieds and is the best type of laser and the fastest growing markets for the future.So the research of t he lasers’ output power and beam quality is very important to people.But an internal component of fibre and wastage of fiber coupling and fibre in the transmission properties are affecting the quality of the beam and it is significance in laser technology to study the impact of laser beam performance . This article mainly introduce impact on optical fiber laser beam performance.
Key words：Fibre laser，Beam performance，fiber coupling，Fibre transport cost，Fibre properties of transport mode
0 引言
光纤激光器诞生于20世纪60年代初，它是伴随着光纤通信技术，光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而孙萌发展起来的新型器件。

由于其在高速率，密集波分复用通信系统，高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景，所以备受世界各国科研工作者的青睐，现已成为国际学术界的热门研究对象。

光纤激光器与其他类型激光器相比较，其优点有以下几点：⑴泵浦功率低，增益高，输出光束质量好；⑵与其他光纤器件兼容，可实现全光纤传输系统；⑶使用光纤作为基体，其结构具有比较高的比表面积，因而散热好；⑷体积小，携带方便；⑸光纤激光器可以作为光孤子源，实现光孤子通信。

因而，光纤激光器应用范围非常广泛，如光纤通信，工业加工，军事国防，医疗器械，大型基础建设等。

随着对光纤激光器研究的不断深入，其应用的范围不断地扩展，实用化的步伐不断加快。

所以，研究影响光纤激光器的性能因素，在激光技术中具有重要意义。

在光纤激光器中，内部器件中光纤与光纤的耦合，光纤弯曲导致的损耗，光纤中的模式传输特性等，都影响着输出光束的质量。

1 影响光纤激光器光束性能的各个因素
1.1 光纤耦合对光束性能的影响
光纤激光器作为波导激光器的一种,将不可避免地产生谐振腔反馈耦合损耗[1],这将影响激光输
出效率。

反馈耦合损耗产生的原因主要有两个方面: 1) 由于到达腔镜光束的波前和腔镜的曲率不匹配, 当光场被反馈到光纤端面时, 不能全部进入光纤; 2) 一部分进入光纤中的光场能量没有耦合到光纤基模中, 对基模来说就是损耗。

为了使光纤激光器的反馈耦合损耗最小, 选择合适的腔镜是非常必要的。

(1)光纤激光器反馈耦合损耗
双包层光纤激光器中通常使用的腔镜结构可以分为两类, 第一类为平面反射镜[2]、球面反射镜[3],其结构如图1（a）。

第二类为透镜和平面反射镜组成的复合腔镜, 其结构如图1( b) 。

在结构1 中, 曲率为R 的球面反射镜被放置在离光纤端面z 的位置处。

在结构2 中,焦距为f的透镜被放置在离光纤端面f处,平面反射镜放置在透镜后z处。

以上均假设透镜和反射镜足够大以致可以忽略衍射损耗。

图1腔镜结构
根据定义, LP01模的模式反馈耦合效率c2可定义为经过腔镜反馈后进入波导中并重新耦合为LP01模的能量占总能量的比例。

因此, 反馈耦合损耗C01可以表示为：
(1)
式(1)中, c 为光纤端面出射场E(r)和被腔镜反射后返回到光纤中的返回场E′(r)的交叠积分。

E′(r) 可以由式(2) 表示为[4]：
（2）
拉盖尔 斯光束的q 参量可以表示为[4]（3）
设纤芯折射率为n, 以下对图1 和图2 中两种腔镜结构所产生的反馈耦合损耗分别进行讨论：
①腔镜结构1
拉盖尔-高斯光束在光纤端面和腔镜间往返一次的ABCD矩阵可以表示为
（4）通过M 可以计算返回场的q 参量q=（A q0+B）/(C q 0+D) (5)
则返回场拉盖尔 斯光束的特征参量ω，ρ，β可以表示为
（6）
拉盖尔 斯光束在光纤端面和腔镜间往返一次的相移为[5]
(7)
式中b1 和b2 分别为从光纤端面出射后以及通过腔镜变换后的瑞利长度, z′为通过腔镜变换后腰斑距离腔镜的位置, 可以求得
(8)
②腔镜结构2
同腔镜结构1，可以求得拉盖尔-高斯光束在光纤端面和腔镜间往返一次的ABCD矩阵为
（9）
通过M可以求得返回场的拉盖尔-高斯光束的特征参量R,β，ω拉盖尔 斯光束在光纤端面和腔镜间往返一次的相移为
（10）式中, b1 , b2和b3分别为拉盖尔 斯光束在光纤端面处、经过透镜后以及被平面镜反射后再次通过透镜后的瑞利长度, l′为被平面反射镜反射后再次通过透镜后腰斑距离透镜的位置。

可以求得：
（11）将ω，ρ，β代入式(2),就可以求得返回场E’(r)。

根据式(1)，便可求得腔镜结构1和结构2中的反馈耦合损耗。

(2)数值结果和讨论
设V= 2.405,则ω0 = 1.0815a。

前六项拉盖尔-高斯光束的展开系数A P和F(m)在表1中列出。

可以看出, 前六项拉盖尔-高斯光束包含了LP01模能量的99. 99% 。

图2 为LP01模的精确电场分布和拉盖尔-高斯近似的场分布, 拉盖尔-高斯近似的均方差为10-3。

因此, 可以用前六项拉盖尔-高斯光束来近似LP01模。

由此, 可以利用拉盖尔 斯光束在空间中的传输来分析光纤激光器中的反馈耦合损耗。

表1V = 2. 405 时, 拉盖尔-高斯光束展开系数和F(p) 图2LP01 模纤芯电场的拉盖-高斯模拟
对于腔镜结构1, 可以分为三种情况:
①在z 处, R = R’= z + b2/z 即球面反射镜的曲率半径R和到达腔镜的光束波前的曲率半径R’相匹配。

如图3, 当z/b趋向于0时,由式(7)可得φ趋于0, 即返回场和光纤端面出射场的相位差为0。

所以C01趋于0,即匹配反射镜紧靠光纤端面时,它引入的耦合损耗很低。

当z/ b趋于无穷时，由式(7)可得φp=(2p+ 1)，所有的拉盖尔高斯光束将同相返回,它们再度叠加的时候还原为LP01,这种情况下引入的耦合损耗也很低。

②腔镜为平面反射镜，即R/b=∞从图3可以看出,C01随平面反射镜离光纤端面的距离增大而急剧上升。

即使平面反射镜离开光纤端面毫米量级的距离,损耗也非常大。

所以在实际的光纤激光器中, 如果使用平面反射镜为腔镜, 则必须将其紧贴光纤端面。

当z = 0 时,平面反射镜是匹配腔的一种特例, 此时C01= 0值。

而此时光纤激光器常用的4% 菲涅尔反射的光纤端面可以看作是平面反射镜紧贴光纤端面的一种特例。

③在z处, R≠ R′,高斯光束被腔镜反射后不能够自再现变换, 耦合损耗将增大,并且R 和R′偏离越大, 耦合损耗越大。

从图3 可以看出, 对于R= 2b, 4b, 8b 球面镜, 它们的反馈耦合损耗曲线有和图中虚线( 对应匹配腔) 都有两个交点, 这是因为在这些交点处, 刚好实现匹配耦合。

图3 腔镜结构1的反馈耦合损耗
图4是腔镜结构2的反馈耦合损耗曲线。

如图4对于焦距f=5b,10b，15b和20b透镜, 反馈耦合损耗都是随着平面反射镜离透镜的距离增加先减小再增大。

当平面反射镜放置在透镜的焦平面位置处, 对于不同焦距的透镜, 反馈耦合损耗相同并且都达到最小, 此时C01= 0. 25%。

这是因为从光纤端面出射的高斯光束经过透镜后, 束腰刚好在焦平面处,当平面反射镜放置在焦平面处, 高斯光束被平面反射镜反射后返回到光纤端面处能够实现自再现变换。

从图4 还可以看出, 当透镜焦距较大的时候, 反馈耦合损耗随平面反射镜放置的位置变化就越不明显。

图4 腔镜结构2的反馈耦合损耗
通过上面两种腔镜结构的反馈耦合损耗的分析可知, 可以通过选择腔镜的结构来优化光纤激光器的反馈耦合效率。

在第一种腔镜结构中, 当平面镜反射镜紧贴光纤端面时,C01= 0。

在第二种腔镜结构中, 当平面反射镜放置在透镜焦平面时,C01 = 0.25%。

虽然在第一种腔镜结构中, 当R = R′时, 反馈耦合损耗也很小,但是在这种情况下, 反馈耦合损耗对腔镜位置敏感, 不易调节。

所以, 在光纤激光器中, 通常选择平面反射镜紧贴光纤端面或者透镜加平面反射镜这两种腔镜结构。

结果表明,对于腔镜为球面镜的情况, 当球面镜和到达球面镜的光束的曲率半径匹配时获得最小的耦合损耗,特别是当平面镜紧贴光纤端面时,耦合损耗为0.当球面镜到达球面镜的光束的曲率半径不匹配时,耦合损耗急剧增大对于腔镜为透镜加平面反射镜的情况, 0.25% 的最小反馈耦合损耗在平面镜放置在透镜焦平面时获得, 同时反馈耦合损耗的变化随着透镜焦距的增大而趋于平缓。

1.2.光纤中的模式传输对光束性能的影响
由于光纤端面的激光损伤和光纤中的非线性效应, 单根双包层光纤要实现几百瓦甚至近千瓦级的功率输出, 就要突破单模光纤的限制, 而采用纤芯较粗的多模双包层光纤。

由于光纤本身不是单模的, 因此在纤芯中的参与激光振荡模式很多, 导致光纤激光不是单模激光, 而是多模输出, 光束
质量较差。

(1)模式控制原理
1999 年英国Southampton 大学的J. A. Alvarez- Chavez 等人将粗芯的双包层光纤进行拉锥,由于纤芯横截面相应变小, 使得在拉锥区域的纤芯接近满足单模条件, 从而使得高阶模的损耗增大, 而基横模LP01的损耗最小, 得到高光束质量的激光输出。

2000 年美国Livermore实验室的D.A.V.Kliner小组提出了一种基于光纤宏弯损耗的模式选择技术, 实现了多模双包层光纤的单模激光振荡或放大输出。

宏弯损耗是由于光纤轴线的弯曲产生的, 理论上的分析是以弯曲光纤相应求解亥姆霍兹方程为基础的, 对厚片波导的方程解说明当弯曲半径超过某个临界值后, 电磁场为振荡的; 当弯曲半径小于临界值时, 电磁场就发生指数级的衰减。

特别是宏弯损耗与光纤中的模式有关, 当光纤弯曲时, 高阶模最先消失, 因此可以将光纤弯曲为一定的半径, 使基横模LP01基本上不受影响, 但是LP11及以上的高阶模却发生较大的损耗。

(2)结论
通过手动测量方式, 对20m双包层光纤的光束质量进行测量。

其D内包层尺寸为650/600um, 数值孔径为0.37,其芯径尺寸为43um, 数值孔径为0.08。

所用凹面镜曲率半径均为30mm,镀以直径为1mm 的薄膜。

光束质量评价的参数有很多,包括聚焦光斑尺寸、远场发散角,和斯特列尔比等,M2因子同时考虑了束宽和远场发散角的变化对激光光束质量的影响, 是评价激光光束质量的有效方法。

M2 因子的定义式为
(12)
其中W0x和W0y为光束在x , y 方向的束腰宽度,θx 和θy 为光束在x 和y 方向的远场发散角。

光束在自由空间中满足光束传输方程为:
(13)
其中L0为相对某一参考面束腰ω0 的位置。

在导轨上放置CCD, 测量输出光束聚焦后在焦点附近测量焦斑直径。

记录下CCD位于导轨上的刻度z，和此时测得的焦斑直径ωz。

沿导轨移动CCD, 进行多次测量, 然后用oringin按( 2)式定义一个非线性拟合函数, 在导入实验测所数据x , y 后, 就可以用这个函数进行非线性拟合。

图5为镀膜直径1mm 时Origin 给出的拟合结果,M2为1.3。

图5 M2 测量曲线
由此可见,外腔限模方法可以有效改善粗芯光纤的输出光模式, 操作简单, 不损伤光纤. 但光路调整较为繁琐, 而且斜率效率并不高, 这种外腔结构还有待于进一步完善, 可以通过把凹面外腔镜换成非球面镜来提高效率.
1.3光纤损耗对光束性能的影响
近年来，光纤通信在许多领域得到了广泛的应用。

实现光纤通信，一个重要的问题是降低光纤
的损耗。

所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB／km。

光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近，因此，了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。

(1) 光纤的吸收损耗
这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，它们把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括物质本征吸收损耗,掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗和原子缺陷吸收损耗几种.
(2) 光纤的散射损耗
光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。

散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。

光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。

这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。

光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。

另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。

(3) 波导散射损耗
这是由于交界面随机的畸变或粗糙所产生的散射，实际上它是由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合。

一种模式由于交界面的起伏，会产生其他传输模式和辐射模式。

由于在光纤中传输的各种模式衰减不同，在长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。

要降低这种损耗，就要提高光纤制造工艺。

对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。

(4) 光纤弯曲产生的辐射损耗
光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。

由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。

当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略
3.结论
光纤激光器中内部器件中光纤与光纤的耦合，光纤弯曲导致的损耗，光纤中的模式传输特性等，都影响着输出光束的质量。

通过研究这些对光束质量因素的研究，再逐渐改善各个方面，将会大大地提高输出光束的质量和功率。

光纤激光器将会被人们广泛应用在各个领域，影响着人们的生活。

参考文献：
[1] ABRAMS R L. Coupling losses in hollow waveguide laser resonators[J].I EEE Journal of Quantum Electronics,1972,8(11):838-843.
[2] WEI Wen-lou, YAN Ping, GONG Ma-li, et al .Performance and efficiency of high power Yb-doped double-clad fiber laser with F-P laser cavity[J].Journal of Guang xi University 2003, 28(4):286-292.
[3]樊承钧, 向清. 具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器:中国, 03118554.1[P] . 2004-08-18.
[4]吕百达，激光光学[M].第2 版.成都: 四川大学出版社, 1992.
[5] MORKEL P R, FARRIES M C, PAYNE D N. Losses in fiber laser cavities[J] . Electronics Letters, 1988, 24(2): 92-93.。