摻釹光纖放大器1概述

1961年出現(xiàn)的第一臺光纖激光器是采用芯徑為300um,長度為lm的摻釹離子光纖做為增益介質(zhì),輸出了波長為1.06um的激光。1966年高餛和Hockham提出利用光纖做為通信介質(zhì)的想法,從此光纖被廣泛用于通信領域。其后的20幾年山于泵浦源技術不成熟、光纖制造工藝水平較低等因素制約使得光纖激光器的發(fā)展變得非常緩慢。直到80年代初隨著光通信的飛速發(fā)展,帶動了光纖制造工藝和半一導體激光器生產(chǎn)技術的成熟,從而加快了光纖激光器的發(fā)展。從此世界各國包括英國、日本、德國、美國等都分別展開了對光纖激光器的大力研究。在1987年,英國Southampton大學的S.B.Pooles等人采用自己研制的低損耗摻餌單模光纖實現(xiàn)了激光輸出。對于光纖激光器來說1988年是一個至關重要的轉(zhuǎn)折點,在這一年美國寶麗來公司的Snitzer等人提出了雙包層光纖的概念,并研制成了摻Nd3+雙包層光纖激光器。在雙包層光纖激光器中泵浦光在內(nèi)包層中傳輸,而激光在纖芯里傳輸,該結構相比單模光纖吸收效率和輸出功率都有了極大提高,從此光纖激光器的輸出功率不在局限在瓦級。1999年美國的V.Domini等人采用雙端泵浦技術在波長1120nm處獲得了110W的激光輸出,表明光纖激光器已經(jīng)達到百瓦級別。由于高功率光纖激光器在焊接、打標等工業(yè)領域的大量需求,所以逐漸變?yōu)槿藗冄芯康臒狳c,目前光纖激光器的輸出功率己經(jīng)可以達到kw量級,2003年8月英國南安普敦大學的vJeon等人研制成1kw的光纖激光器,并在12月獲得1.36kw的激光輸出。

光纖放大器非線性折射率依賴于摻雜濃度、抽運功率、信號功率等參數(shù)的變化對非線性、噪聲系數(shù)、色散等參量的影響, 為短波傳輸、級聯(lián)光纖、孤子傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)化設計帶來重要的指導意義。非線性折射率在光開關、信號處理系統(tǒng)、信號放大等方面也得到了廣泛的重視。而由非線性折射率引起的相位變化對于設計光纖環(huán)行鎖模激光器 , 多根光纖放大器的相干放大輸出等應用方面也是相當重要的。在相關的實驗研究方面,Bet ts等利用一根雙芯光纖(一個芯區(qū)摻有鉺粒子而另一個是普通光纖), 根據(jù)干涉法對摻鉺光纖折射率進行了測量, 梁銓廷利用單芯摻鉺光纖構成一個環(huán)行諧振器, 根據(jù)輸出光強的變化對摻鉺光纖的折射率進行了測量。Ghisler等從實驗上研究了摻釹光纖放大器的相位變化。

摻釹光纖放大器在1300 nm 波段處具有很強的激發(fā)態(tài)吸收, 限制了它在1300 nm 波段通信上的應用, 但是在1064 nm 波段處的摻釹光纖放大器能夠為半導體激光器抽運的Nd∶YAG 激光光源提供緊湊耐用和偏振態(tài)無關的信號放大, 它沒有像摻鉺、摻鉺鐿光纖放大器那樣嚴重的受激吸收現(xiàn)象, 可以達到量子噪聲系數(shù)的極限, 這是因為內(nèi)包層可比單模芯區(qū)的面積大100 多倍, 適用于較大面積的激光二極管抽運, 從而可以得到大功率信號的輸出。而摻鉺、摻鉺鐿光纖放大器內(nèi)包層直徑只能比單模芯區(qū)直徑大幾倍。另外摻釹光纖放大器還具有抽運閾值低、噪聲系數(shù)小、摻雜濃度高等優(yōu)點, 近年來在空間通信和高功率放大等應用中得到了廣泛重視。

摻雜離子光纖激光器的吸收譜帶和輸出光譜特性取決于摻雜激活離子的能級結構,而Nd3+離子光纖的能級結構和固體激光器中常用的Nds+:YAG的能級結構略有差別,造成輸出譜線也略有不同。為討論方便我們首先分析一下激光振蕩的幾種類型:(a)四能級躍遷:激光躍遷的下能級不是增益介質(zhì)基態(tài),較易產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光振蕩;(b)三能級躍遷:激光躍遷的下能級為增益介質(zhì)基態(tài),由于基態(tài)粒子數(shù)較多,較難產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光振蕩。(c)準四能級躍遷:激光躍遷的下能級為增益介質(zhì)基態(tài)產(chǎn)生斯塔克能級分裂效應的最上邊的能級,與三能級相比一般產(chǎn)生振蕩時其上能級粒子數(shù)不需要多于全部粒子數(shù)的一半,所以激光振蕩的難易程度介于(a)、(b)之間。

1)Nds+:YAG的能級結構,它最主要的吸收譜帶為810nm處,而摻Nd3+光纖的吸收譜帶與其基本相同,所以都可采用輸出波長為808nln的半導體激光器作為泵浦源。

對摻Nd3+:YAG的固體激光器較常見的輸出波段為屬于四能級躍遷的1064nm、1319nm波段和屬于準四能級躍遷的946nm波段,它們共用一個上能級。由圖2.1可見基態(tài)粒子在808nLIn波段泵浦光作用下,先躍遷到F5/2,然后迅速無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)的激光上能級F3/2,最后躍遷到激光下能級。由于能級的斯塔克分裂,導致激光輸出譜線存在很多條,其中激光上能級F3/2分裂為兩個能級,激光下能級在I11/2,趁處分裂為6個能級,對應的輸出譜線范圍為1.052-1.1228um,在能級"19/2處分裂為5個能級,對應的輸出譜線范圍為569-946nm。

(2)摻Nd3+離子光纖的能級結構?？梢娖渌顾朔至押蟮哪芗墧?shù)和能級所對應的能量都與Nd3+:YAG不同,從而導致輸出譜線范圍略有區(qū)別,其中激光上能級F3/2雖然也分裂為兩個能級,但能量發(fā)生了改變,而輸出波段在1um附近的激光下能級I11/2分裂為2個能級,經(jīng)計算得到其對應的輸出譜線范圍為1.047-1.095um,輸出波段在0.9um附近的激光下能級I9/2分裂為4個能級,經(jīng)計算得到其對應的輸出譜線范圍為907-938nm。實驗中激光振蕩輸出的2088nm信號光是從11500cm到2260cm的躍遷。

其中1.06um波段的熒光相較0.9um、1.35um波段的熒光強很多,對于1.35um波段由于激發(fā)態(tài)吸收信號光效應較強,所以很難實現(xiàn)該波段的振蕩輸出,而800nm波段屬于準四能級,可通過彎曲光纖或合理鍍膜來抑制較易振蕩的1.06um波段,同時分析發(fā)現(xiàn)該波段存在再吸收效應從而使得激光起振閡值增加,所以還需合理設計摻雜離子濃度。

20世紀60年代激光器的出現(xiàn),受到人們廣泛關注,目前固體激光器己經(jīng)在各方面都比較成熟,而隨后發(fā)展起來的光纖激光器則由于具有很多優(yōu)點,例如散熱效果好、體積小、可調(diào)諧、光束質(zhì)量好、效率高、閉值低、可集成等而逐漸成為研究的熱點。光纖激光器是在半導體泵浦源、光纖制造工藝等技術成熟的基礎上發(fā)展起來的,其輸出功率己不再局限于幾瓦,而是上升到kw量級,并在焊接、印刷、打標、醫(yī)療、軍事和通信等領域中得到廣泛應用。目前光纖激光器輸出波段在455nm-3500nm之間,其中用于產(chǎn)生綠光波段的摻Nd3+光纖激光器在國內(nèi)不是很成熟,而綠光激光器又在數(shù)據(jù)存儲、軍事、醫(yī)療、印刷等領域有廣泛應用。