光纤激光器的原理及应用

光纤激光器的原理及应用

张洪英

哈尔滨工程大学理学院

摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。

关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势

1引言

对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。

与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。

光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。

2光纤激光器的基本结构与工作原理

2.1光纤激光器的基本结构

光纤激光器主要由三部分组成：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可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图2.1所示。

图2.1 光纤激光器的基本结构图

增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤，经准直光学系统和滤波器得到输出激光。从理论上来说，只有泵浦源和增益光纤是构成光纤激光器的必须组件，而谐振腔并非必不可缺的组件。谐振腔的选模和增加增益介质长度的作用在光纤激光器中是可以不用的，因长光纤本身可以非常长，从而获得很高的单程增益，而光纤的波导效应又可以起到选模的作用。但实际应用中人们一般希望使用较短光纤，所以多数情况下采用谐振腔，以引入反馈。

由于光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦、有高增益(单程增益达50dB),稀土元素在玻璃基质中有较宽的线宽和调谐范围[2](Yb3+为125nm、Tm3+>300nm)。具体特点如下：

1)光纤作为导波介质，其耦合效率高，纤芯直径小，纤内易形成高功率密度，可方便地与目前的光纤通信系统高效连接，构成的激光器具有高转换效率、低激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特点。

2)由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，环境温度允许在-20—70℃之间，无需庞大的水冷系统，只需要简单的风冷即可。

3)可在恶劣的环境下工作，如在高冲击、高震动、高温度、有灰尘的条件下皆可正常运转。

4)由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可设计得相当小巧灵活、外形紧凑体积小，易于系统集成，性能价格比高。

5)具有相当多的可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围、很好的单色性和高稳定性，其泵浦寿命长，平均无故障工作时间在10kh甚至100kh以上。

2.2光纤激光器的工作原理

目前开发的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器工作原理是泵浦光通过前反射镜（或前光栅）入射到掺杂光纤中，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁，实现“粒子数反转”，反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态，同时将能量以光子形式释放，通过后反射镜（后光栅）输出激光[4]。

掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通

过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时, 就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量[5]。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺铒光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦, 输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。

光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2.2所示，泵浦（短波长高能光子）使电子从基态跃迁到高能态E44或者E33, 然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E32, 当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E42或者E31时, 就会出现激光的过程。

图2.2 三能级和四能级激光能级图

3光纤激光器的类型

光纤激光器有很多种，其按不同的分类方法可分为如表3.1所示的类型，下文主要介绍其中几种激光器。

表3.1 光纤激光器分类表

3.1稀土类掺杂光纤激光器

稀土元素包括15种元素，在元素周期表中位于第五行。目前比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+。

近几年，双包层掺杂光纤激光器利用包层泵浦技术，使输出功率获得极大提高，成为激光器又一研究热点。此种光纤结构如3.1所示，由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成，外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于纤芯的折射率，从而构成双层的波导结构。

掺杂双包层光纤是构成光纤激光器的关键部件，在光纤激光器中的作用主要是：1）将泵浦光功率转换为激光的工作介质；2）与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作原理主要是：将泵浦光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导，同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯并被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输出。工作原理如图3.1所示[6]。

图3.1 双包层掺杂光纤包层泵浦原理