光纤激光器

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定义:利用掺杂光纤作为增益介质的激光器,或者大部分激光器谐振腔是由光纤组成的激光器。

光纤激光器通常是指采用光纤作为增益介质激光器,当然有些激光器中采用半导体增益介质半导体光放大器)和光纤谐振腔也可以称为光纤激光器(或者半导体光学激光器)。另外,一些其它种类的激光器(例如,光纤耦合半导体二极管)和光纤放大器也称为光纤激光器(或光纤激光器系统)。

大多数情况下的增益介质为稀土离子掺杂光纤,例如(Er3+),(Yb3+),钍(Tm3+)或者镨(Pr3+),并且需要采用一个或者多个光纤耦合激光二极管来泵浦。尽管光纤激光器的增益介质与固态体激光器类似,但是波导效应和小的有效模式面积会得到具有不同性质的激光器。例如,它们通常具有很高的激光器增益和谐振腔损耗。参阅词条光纤激光器和体激光器

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图1:一个简单光纤激光器的示意图。泵浦光从左边通过二色性反射镜后进入掺杂光纤的纤芯。产生的激光在右侧提取出来。


目录

光纤激光器谐振腔

为了采用光纤得到激光器谐振腔,可以采用一些反射器形成一个线性谐振腔,或者制造一个光纤环形激光器。在线性光学激光器谐振腔中可以采用不同类型的反射镜:

图2:一个简单的掺铒飞秒激光器,其中输出耦合是利用的光纤端口的菲涅尔反射。
  1. 在实验室装置中,在垂直切割的光纤端口可以采用普通的二色性反射镜,如图1所示。但是这种方案不能用于大规模生产,而且也不耐用。
  2. 裸光纤端面的菲涅尔反射足够作为光纤激光器的输出耦合器。图2给出了一个例子。
  3. 也可以直接在光纤端口沉积电介质涂层,通常采用蒸发法。这种涂层在很大范围内都能得到很大的反射率。
  4. 商业产品中,通常采用光纤布拉格光栅,可以由掺杂光纤直接制备或者将未掺杂光纤熔接到活性光纤上。图3是一个分布布拉格反射激光器(DBR激光器),它包含两个光纤光栅,另外还存在一种分布反馈激光器,掺杂光纤中有一个光栅,中间有一个相移。
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    图3:窄线宽辐射的短DBR光纤激光器。
  5. 如果将光纤中出射的光采用透镜使其准直,并且经过二色性反射镜反射回来,可以得到更好的功率处理能力(如图4)。反射镜得到的光由于具有更大的光束面积,强度会极大的减小。但是,稍微不对准就会引起极大的反射损耗,并且光纤端面的附加菲涅尔反射会产生滤波器效应。后者可以通过采用倾斜切割的光纤端口来抑制,但是这会引入与波长有关的损耗。
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    图4:采用透镜和反射镜的短反射器。
  6. 还可以形成一个光学环路反射镜(图5),利用一个光纤耦合器和无源光纤。
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    图5:光纤环反射镜。

大多数光学激光器是由一个或多个光纤耦合半导体激光器泵浦的。泵浦光直接耦合进纤芯中,或者以高功率进入泵浦包层中(参阅双包层光纤),下面会详细讨论。

存在很多种光纤激光器,下面会介绍其中的几种。


高功率光纤激光器

最初光纤激光器只能得到几毫瓦的输出功率,目前的高功率光纤激光器的输出功率可以达到几百瓦,有时从单模光纤甚至能得到几千瓦的功率。这时由于提高了面容比和导波效应,避免了热光效应。

参阅词条高功率光纤激光器和放大器得到更多细节知识。


上转换光纤激光器

图6:钍离子在ZBLAN光纤中的能级机制,给出了采用1140 nm激光器泵浦的情况下,收到激发后如何得到蓝色荧光和激光器辐射。


光纤激光器特别适合实现上转换激光器,通常工作于相对不易发生的激光器跃迁过程,需要的泵浦强度很高。在光纤激光器中,可以在很长距离内保持很高的泵浦强度,因此得到的增益效率很容易工作在增益很低的跃迁过程中。

大多数情况下,石英光纤不适合用于上转换光纤激光器中,因为上转换机制需要在电子能级的中间态寿命比较长,而石英光纤中中间态寿命通常非常小,是由于其声子能量很高(参阅多光子跃迁)。因此,通常采用一些重金属氟化物光纤,例如具有低声子能量的ZBLAN(一种氟锆酸盐)。

最常用的上转换光纤激光器是采用掺钍光纤产生蓝光(图6),掺镨激光器(有时同时掺杂镱)得到红光,橙,绿或者蓝光,掺铒激光器得到旅光。

参阅词条上转换激光器获得更多细节知识。


窄线宽光纤激光器

光纤激光器可能只工作于一个单纵向模式(参阅单频激光器单模工作),工作线宽很窄,几千赫兹甚至小于1 kHz。为了实现长期稳定单频工作,并且考虑了温度稳定性后无附加要求的情况下,需要使激光器谐振腔比较短(例如,5 cm),尽管谐振腔越长,原则上相位噪声越低,线宽越窄。光纤端口包含窄带光纤布拉格光栅(参阅分布布拉格反射激光器,DBR光纤激光器),用来选择一个谐振腔模式。输出功率的典型范围在几毫瓦到几十毫瓦之间,达到1W输出功率的单频光纤激光器也存在。

一种极限的形式是分布反馈激光器(DFB激光器),其中整个激光器谐振腔都包含在光纤布拉格光栅中,中间存在一个相移。这里谐振腔相对较短,虽然这会牺牲输出功率和线宽,但是单频工作非常稳定。

也可以采用光纤放大器进一步放大到更高的功率处。


调Q光纤激光器

图7:简单的调Q光纤激光器。这一示意图与上面给出的(图2)锁模激光器完全相同,但是SESAM参数不同。

利用不同的有源或者无源Q开关,光纤激光器可以产生长度在几十到几百纳秒的脉冲(如图7)。采用大模式面积光纤可以得到几毫焦耳的脉冲能量,极限情况下可以达到几十毫焦耳,受饱和能量(即使采用大模式面积光纤)和损伤阈值的限制(更短脉冲时更明显)。所有的光纤装置(不包含自由空间光学)在脉冲能量上都受限制,因为通常它们不能实现大模式面积光纤和有效Q开关

由于激光器增益很高,光纤激光器中的Q开关与体激光器中的在性质上有很大的不同,并且更加复杂。通常在时间域上存在多个尖头,也可以产生Q开关脉冲的长度小于谐振腔往返时间。


锁模光纤激光器

图8:8字形激光器示意图,在锁模光纤激光器中有详细描述。

锁模光纤激光器采用更复杂的谐振腔(超短光纤激光器),产生皮秒或者飞秒脉冲。这里,激光器谐振腔包含一个有源调制器或者一些饱和吸收器。饱和吸收器可以利用非线性偏振旋转效应来实现,或者采用一个非线性光纤环反射镜。非线性环路反射镜可以用于,如图8中的“8字形激光器”,其中左侧包含一个主谐振腔还有一个非线性光纤环,用于放大,整形和稳定往返运动的超短脉冲。尤其是在谐波锁模中,需要采用附加的装置,例如子腔用作光学滤波器

可以参阅锁模光纤激光器得到更多超短光纤激光器更多细节知识。


拉曼光纤激光器

光纤拉曼激光器是一种特殊的光纤激光器,利用光纤中的拉曼增益。该激光器通常采用较长的光纤,有时需要具有高非线性的光纤,泵浦功率约为1 W。采用嵌套的光学布拉格光栅对,可以进行多步拉曼转化,得到与泵浦光相差几百纳米的输出光。采用1000nm光泵浦拉曼光纤激光器,可以得到1400 nm的输出光,然后泵浦1500 nm的掺铒光纤放大器


包含半导体光放大器的光纤激光器

有些激光器包含半导体光放大器(SOA)作为光纤组成的谐振腔中的增益介质。尽管激光产生过程不发生在光纤中,但是这种激光器有时也称为光纤激光器。这种激光器辐射的光功率相对较小,约几毫瓦甚至更小。与稀土掺杂光纤相比,这种半导体增益介质具有非常不同的性质,尤其是具有更小的饱和能量上能态寿命。除了产生相干光之外,这种激光器可用于光纤通信系统中的信息处理,例如,根据交叉饱和效应,用于数据信道间的波长转化。


光纤作为激光器增益介质注意事项

  1. 由于光纤可以缠绕一起,光纤中传播的光可以很好的与环境隔离(例如,防尘),光纤激光器尺寸很小且装置很坚固,前提是整个激光器谐振腔只由光纤元件组成,例如光纤布拉格光栅光纤耦合器(即,避免自由空间光学和对准的要求)。
  2. 由于玻璃中激光器跃迁有很强的展宽,因为光纤增益介质具有很大的增益带宽,因此可以实现很大范围的波长调谐和产生超短脉冲。并且,光纤激光器很宽的光谱区域可以很好的进行泵浦吸收,因此对泵浦波长的要求不高,因此不需要对泵浦二极管进行温度稳定。
  3. 采用单模光纤很容易得到衍射极限光束质量,有些模式少的多模光纤也可以。
  4. 由于掺杂光纤很高的增益效率,光纤激光器可以在很小泵浦功率下工作。并且可以得到很高的功率效率。
  5. 近些年来,提出了一些得到非常高输出功率的可能性方案(采用双包层光纤可以达到几千瓦)。
  6. 同样由于导波特性,高泵浦强度光可以作用于很长的光纤,光纤激光器可以工作在不易发生的激光器跃迁处(例如,上转换激光器)。

但是,光纤激光器也存在下列问题:

  1. 当泵浦光从自由空间进入单模纤芯中时,需要严格的对准。采用光纤耦合泵浦二极管可以消除这一问题。
  2. 大多数光纤具有很复杂的随温度的偏振演化,除非采用保偏光纤或者法拉第旋转器。但是,这一效应大小不能与非线性偏振旋转锁模相比。
  3. 非线性效应通常会制约激光器的性能,例如,限制单频工作能得到的输出功率或者锁模激光器的脉冲质量。例如,凯利边带是非常常见的,但是锁模体激光器几乎不存在该效应。
  4. 在高功率时,即使在小于材料的损伤阈值时也会面临损伤的危险(参阅光纤熔化)。
  5. 光纤具有有限的单位长度的增益和单位长度的泵浦吸收,因此很难实现很短的谐振腔,用于单频激光器或者或千兆赫锁模激光器。但是,目前在很高掺杂光纤方向上有了很大的进步,通常采用磷酸盐玻璃

需要注意的是,设计光纤激光器比体激光器更难。这是多个原因产生的结果,包括高光强时强的饱和效应,几乎所有光纤激光器跃迁都是准三能级,以及锁模光纤激光器中复杂的脉冲产生机制。因此,激光器发展项目耗资巨大。

在词条光纤激光器和体激光器中,比较了光纤和体激光器的优缺点。在词条激光器功率缩放中,包含了一些高功率光纤装置的想法。


光纤激光器模型

光纤激光器设计的许多技术细节都比体激光器复杂。原因是多方面的:

  1. 光纤激光器工作时通常产生更高的增益和更高的谐振腔损耗。
  2. 光纤激光器中的光强通常大于饱和强度,产生强饱和效应(甚至对泵浦光也会)。
  3. 大多数活性光纤具有准三能级增益系统,并且它们的工作特性比四能级光纤更复杂。
  4. 光纤激光器系统通常非常复杂,例如,采用主振荡功率放大器结构。

根据以上原因,光纤激光器的工作细节通常不能只采用简单的分析计算得到。因此需要采用一些光学模拟软件进行数值模拟来计算激光器性能,分析有害效应,优化模型和产品设计。这种模拟可以得到下面不同的技术细节:

  1. 速率方程模型可用来计算单个激光器活性离子或者多个离子时的能量转移过程。
  2. 模式求解器,即计算光纤模式的计算器,得出入射来进行更一步的计算,特别是模式强度分布。
  3. 有些情况下,需要知道光束传播的数值模拟结果。例如,通常多模光纤中,包括双包层光纤的包层泵浦。
  4. 计算激光器和放大器的稳态需要细化的算法,可以得到可以计算整个光纤中激光活性离子激发密度和光强的自洽解。(光强和激发密度相互影响。)
  5. 动力学模型可以计算脉冲放大和Q开关
  6. 也可以数值模拟考虑激光器增益、有限增益带宽色散、各种非线性等之后的超短脉冲在光纤中的传播过程。

图9为单个光纤激光器很特别的性质,给出了掺镱单模光纤激光器中光功率和激发密度在整个光纤中的变化情况。右侧峰值反射率为25%的光学布拉格光栅的功能是输出耦合器,左侧则采用高反射率的布拉格光栅。泵浦光(975 nm)通过光栅耦合进去。左侧泵浦功率的线性衰减引起强的泵浦饱和。光纤太长,因此右侧产生很小的信号光重吸收。重吸收使镱激发保持在很高的水平,尽管泵浦功率在下降,但是会使信号输出功率略微减小。ASE产生的损耗也可以忽略。

图10采用相同的改进的输出耦合光纤,激光发生在1080 nm。在1080 nm处较小的辐射截面使镱激发程度很高,因此泵浦吸收更小。这表明需要的光学长度不仅与泵浦波长的吸收特性有关,还与信号光有关,例如信号光波长和谐振腔损耗。

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图9:掺镱单模光纤激光器中光功率和激发密度在光纤中的变化情况,纤芯由975 nm光泵浦。需要注意的是,腔内信号功率可能比泵浦功率高;该功率只耦合出去一部分。

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图10:与图9相同,但是光纤布拉格光栅产生 1080 nm激光。

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参阅:光纤稀土掺杂光纤双包层光纤光纤放大器高功率光纤激光器和放大器分布反馈激光器光纤激光器和体激光器高功率激光器激光器功率缩放光纤模拟软件拉曼激光器