掺铥光纤激光器

用掺稀土元素的光纤来充当增益介质是光纤激光器的基本结构,主要是由泵浦源,耦合器,掺稀土元素的光纤,谐振腔等器件来构成的。泵浦源一般是由一个或者几个大功率的激光二极管组合而成,由泵浦源发出的光经过一定的泵浦结构进入掺稀土元素的光纤中,掺杂光纤吸收光子后发生了粒子数的反转,受激发射出来后的光波经过震荡然后形成激光发射出来。

光纤激光器通常将Tm、Er、Yb、Nd等不同的稀土离子掺杂进光纤内,通过不同稀土离子的特性不同来获得所对应波段的激光输出。与传统的光纤激光器相比,单模光纤的纤芯不是很大,所以泵浦光不容易有效称合到光纤的纤芯里,同时它要求进入到纤芯的泵浦光同样是单模的,这样就阻碍了泵浦光称合效率的提高,同时斜率效率和输出功率也都变小了。随着光纤技术的迅猛发展,大功率的激光器出现以及后来市场上的快速推广,人们对处于人眼安全波长领域的光纤激光器和光纤放大器的需求量都在快速的增长,但是利用传统的光学技术是很难制作出人眼安全波长范围内的激光器,而光纤激光器正好可以做到这一点,所以正好能够迎合这个需求巨大的市场。

光纤激光器以后发展的主要方向就是面向人眼安全的医疗、激光武器、先进制造技术、光通信和遥感等领域,这对于掺铥光纤激光器来说是一个很好的机会。而与以前的激光器相进行对比,掺铥光纤激光器具有其明显的一些优势:

1.免维护,功能稳定,使用时间长由于光纤和光纤元件之问的连接结构和连接参数在长时间内都可以保持稳定,所以掺铥激光器不用经常维护,以输出功率为标准,它比固体激光器有更小的体积和重量,它重量更轻,而且寿命也更长。

2.波长范围宽易调谐由于稀土离子的能级结构很丰富,所以能级跃迁范围从紫外波段到红外波段,能够实现的能级跃迁方式也很多。所以激光器的的激光输出可以通过利用不同的掺杂离子来得到。稀土离子能级较宽,并且玻璃光纤焚光谱比较宽,因此可以通过插入适当的波长选择器来实现调谐范围较宽的的激光器。

3.转换效率高

光纤激光器的泵浦光称合效率很高,是因为它有具有波导式 光纤结构,而且纤芯直径小造成较大的功率密度,同时纤芯的表面积与体积比也很高。由于光纤激光器对温度的稳定性与散热性能较好,功率非常高时也不会使增益介质收到热损害,所以转换的效率较高。转换效率高在很大程度降低了激光器运行成本。

4.抗干扰性能强

掺铥光纤激光器具有优异的热性能,其全封闭的光路可以使光纤激光器在复杂的环境下稳定工作,它的电光效率高,对于高强度的震动和冲击的复杂环境中都能够正常使用。

5.光束质量好

光纤激光器输出的激光光束质量是由光纤内部波导结构决定的,不会随温度变化而变化,能够得到单纵模的激光输出,同时拥有单色性、稳定性和方向性。由于掺银光纤激光器一般是使用半导体激光器作为泵浦源,掺铥光纤作为增益介质与波导介质,并且利用了光纤光栅,称合器等元器件,所以掺铥光纤激光器的机械光路不需要调整,整个系统的结构紧凑,集成简单。而掺铥光纤激光器具有很强的抗电磁干扰能力,这是因为器件的全光纤结构决定的,温度膨胀系数较小, 在时域上通过配合激光锁摸就可以获得基本没有啁啾的皮秒级变换光脉冲,而在频域上应用光纤传感技术以及WDM则可实现可调谐多波长的输出。

利用掺杂光纤来充当增益介质的光纤激光器的研究开始于20世纪60年代初,1963年Elias Snitzer在掺铥(Nd3+)的玻璃基质中成功研制成了光纤激光器。20世纪70年代,光纤的制作技术和泉浦技术都有了很大的发展,所以人们对于光纤激光器的研发和优化升级都进入了一个快速发展的时期。其中在20世纪80年代,英国的南安普顿大学对掺(Er)光纤的研究有了一些明显的进展,使得光纤激光器具有了一些更加实用的价值。而后到了80年代的后期,凭借带宽宽、效率高、可调谐和增益高等一系列的优点引起了相关学者的高度关注。

而对于铥离子(Tm)在品体和玻璃中的光谱特性在19世纪60年代初期研究人员就开始有了一定的认识,并逐步进行了深入的研究,而在近几年,除了光纤通信、光纤传感和激光加工领域以外,激光医疗、激光雷达、空间光通信和空间遥感等领域都需要2pm波段输出的窄线宽或超窄线宽激光光源。特别是随着激光雷达和空间光通信的迅速_起,输出波长位于2^1111大气低损耗窗口的掺铥窄线宽光纤激光器引起了各国军方和科研人员的兴趣。

在国外,掺铥光纤激光器的发展经历了一个很长的时期。1995年,R. Michael Percival等人使用泵浦氟化物掺铥光纤激光器,得到最大斜率效率约为84%。同年,L. E. Nelson等人通过研究得到了附加脉冲锁摸的掺铥光纤激光器,由于此阶段的研究人员所采用的一般为小功率YAG激光器和激光二极管及染料激光器作为泵浦,光纤大多采用氟化物和娃为基质的单模光纤,所以研制的光纤激光器输出功率有限。1999年,S.D.Jackson等人建立了石英基掺铥光纤的数学模型,基于速率方程分析了在三种不同菜浦抽运方式下掺铥光纤激光器的最大斜率效率值,讨论了不同掺杂光纤长度、不同掺杂浓度等对掺铥光纤激光器输出功率的影响,为石英基掺铥光纤激光器的实验工作提供了理论依据。在实验论证方面,科研人员的研究重点主要集中在如何提高掺Tm3+光纤激光器的输出功率。

从20世纪60年代开始,Snitzer等人就已经提出了光纤在激光器方面应用的设想,并且在之后不久就用掺杂Nd的玻璃纤维研制出了第一台光纤激光器,这标志着激光器的研究 始进入了一个新的发展时期。而后在80年代中期,英国南安普顿大学Poole等人采用化学气象沉积法制作出了第一根低损耗的掺银的单模光纤,并且利用它完成了光纤激光器的制作,就此开启了光纤激光器的实用化阶段。与其他固体光波导材料相比,光学玻璃纤维作为光波导器件具有最大的表面积与体积比、很好的柔郁性以及良好的光束传输质量。

光纤激光器是以光纤作为基质的,它具有效率高、紧凑小巧、线宽窄、阈值低、稳定性好、性价比高并且可调谐等一系列的优势,是光通信领域技术发展的新方向。光纤激光器已经在材料处理、目标指示、医疗、激光测距等很多领域获得了很重要的应用。其中掺铥光纤激光器在人眼的安全波长范围内辐射吸引了多方面学者的兴趣,它具有的可调谐波长为1.6um-2um,是一个较宽的范围。并且在该波段还包含了 1940mn附近的水吸收峰,所以对组织的穿透深度比较浅,创面小,同时止血性能好,同时兼容了其他激光器的优点,从而掺铥光纤激光器可成为一些手术或者医疗过程的完美工具。于此同时这个波段在光谱分析、激光雷达、激光测距、激光遥感、空间光通信和军事方面都有相关的优势和应用,除此之外,在连续或者是脉冲模式下的掺铥光纤激光器还可以作为3um-至5um的中红外光的一个高效的种子光源。而窄线宽的掺铥光纤激光器是其中重要的一个分支,它具有增益高、良好的方向性、良好的散热性和相干特性等一系列的优点。

人们对通信容量的需求与日倶增,而高速的光通信系统不仅需要充分利用C波段(1525nm-1565nm)的有限的波长资源,更要扩展到L波段(G575nm-1615nm). S波段(1420nm-1520mn)以及更宽更高的波段范围。与此同时,人眼安全波长范围内的激光器使用传统光学技术已经很难制作出来,所以人们对人眼安全波长领域波段的光纤激光器的需求也在逐渐的增大。

提高掺铥光纤激光器的功率是光纤激光器发展的一个重要方向,它输出的激光波长位于2pm波长左右,水分子有很强的中红外吸收峰在该波长的范围附近,因此它被认为是应用于医学、眼睛安全、超快光学、近距离遥感、生物学的比较理想的光源,具有很好的发展前景。同时在医学的领域方面,掺铥光纤激光器也有很多方面的应用,包括加速汽化、超精细的切割工艺、以及在医学中的凝结止血。除此之外,大功率的掺铉光纤激光器除了可以用于人眼的安全波长和激光雷达光源以外,还能够当做固态晶体激光器的泵浦源来使用,进一步来实现波长更长红外激光器的输出。

而窄线宽光纤激光器在光纤激光器中有着自己的一席之地。窄线宽光纤激光器除了有光纤激光器所具有的增益高、良好的方向性、良好的散热性和抗干扰能力强等特性外,最大的优点就在于具有很好的相干特性。与传统的半导体激光器相比,窄线宽光纤激光器有调制幅度不随调制频率的改变而改变的特点,并且功率的稳定性很出色。也正是由于这些窄线宽光纤激光器的特点,使它在很多的应用方面都得到了迅猛的发展,下面是其中主要的一些领域:

1.光载无线通信系统

现在随着在社会中的信息化程度的飞速发展,人们对于高速的大容量无线通信的需求同时在快速的增长,光载无线通信技术是将光纤通信和无线通信一起利用的一门新兴技术。它是利用光纤并以光波作为载体来进行无线射频信号传输的,然后将基站的无线发射和利用光纤进行的有线传输共同使用,整个工作的流程:中心站首先通过调制器来把微波信号调制进入发射的激光中,在经过复杂的光路后把携有调制信号的激光传送到基站后,再使用光电的转换模块把微波信号给解调出来,然后利用天线把它发射出去。而实现光载无线通信的重要环节就是是不是能够输出稳定的窄线宽激光。

2.光谱分析中的应用

激光的光谱分析就是利用被测的物体吸收或者发射的特殊光谱来对它的组成部分进行定量和定性的相关分析,同时在分析的过程中对所测的物体不构成任何影响,被测物体的谱线强度与其内部的各种元素的含量是有关的,并且含量越高,谱线的强度就会越大。所以通过测量谱线的强度和宽度,就能够实现对被测物体中元素Z没量定量的测定。使用激光的光源的线宽越窄,最后光谱分析中所得到的光谱分析的精细度就会越高。

3.远距离光纤传感系统

现在随着光纤的传感技术的发展以及市场需求的不断变化,以前的基于光纤光栅和光时域反射的分布式传感技术不再能够满足现在市场变化的需求。所以,现在光纤传感已经慢慢向高灵敏度、超远距离、高精确度等领域方向发展,而窄线宽的光纤激光器正好符合这些要求。

4.相干光通信

近些年来,通信业务正在快速的发展,而光通信方向已经 始向高效率、高灵敏度的方向发展。所以具有高效率高灵敏度优点的相干光通信系统开始进入了快速发展的时期,并且逐步开始实用化。

外差检测和相干调制这两项技术是相干光通信中主要使用的。相干调制就是在发送端把需要进行传输的信号调制到传输的光载波上,对光载波进行相应的频率、相位和振幅的调节。在位于接收端的外差检测就是指利用一束本振的激光与输入的信号光利用光混频器进行混频,最后得到的载入信号与信号光的频率、相位和振幅拥有一样的变化规律。