超短脉冲光纤激光器

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+ 比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有er3+、yb3+、nd3+、pr3+、tm3+、ho3+。%光纤激光器由泵浦源& 增益介质腔镜组成。 基本结构如图(所示)其中ld发出的泵浦光经光纤耦合器进入光纤，使光纤中掺杂元素原子激发%腔镜为二色镜，反射输出激光，对泵浦光增透% 与固体激光器相同，光纤激光器也是根据锁模原理产生短脉冲激光输出的% 光纤激光器在增益带宽内的大量纵模上运转时，当各纵模相位同步，任意相邻纵模相位差为常数时实现锁模，谐振腔内循环的单个脉冲经过输出耦合器输出能量%根据锁模方式不同，可分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器%由于主动锁模调制能力有限，限制了锁模脉冲的宽度，脉冲宽度通常为+ ,量级%被动锁模或自锁模光纤激光器是利用光纤或其它元件中的非线性光学效应实现锁模的，激光器结构简单，在一定条件下不需要插入任何调制元件就可以实现自启动锁模工作。通常自启动被动锁模光纤激光器可以输出/,量级的超短脉冲。

超短脉冲激光器最直接的应用就是作为超快光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术，作为飞秒固体激光放大器的种子光源，可用于光纤型光参量振荡器与放大器系统，并可使用周期性极化铌酸锂(ppln)进行高效倍频或频率转换。它的发展带动了物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域。超短脉冲光纤激光器在通信、军事、工业加工、医学、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域具有广阔的应用前景。

时域上, 超短脉冲激光产生是开展时-频域精密控制的前提和基础. 至今,小于 5 fs 的锁模钛宝石激光器已有报道,经过腔内色散啁啾补偿,脉冲宽度达到光周期量级. 这样的超短脉冲,可以广泛应用于研究高功率脉冲情况下的各种非线性现象.然而, 由于受本身结构和成本的制约,超短脉冲固体激光器大多用于科学研究. 自 1960 年 实现将铒,钕,铥等稀土离子掺进玻璃中后,光纤激光器的研制就成为了可能.不久 以后,钕离子成功的被掺杂到了光纤波导的芯径中.由于钕离子作为激光增益介质具 有很高的效率,所以,早期的光纤激光器都是以钕离子为基础,工作波长为 1064 nm. 直到 1980 年,铒离子掺杂技术的成熟,基于掺铒离子的光纤激光器越来越受到人们的 关注.最主要的原因就是掺铒光纤激光的工作波长在 1550 nm 附近,正好对应于单模 光纤的最小损耗波段,非常适用于光纤通信系统.之后,其它波段的掺稀土离子,例 如掺钬,掺铥,掺镱,掺镨的光纤同样研制成功,将光纤激光器的输出波长扩展到其 它波段.近几年来,得益于半导体泵浦激光器和光纤高掺杂技术的发展,基于掺稀土 离子的超短脉冲光纤激光器越来越受到人们的重视.光纤激光器由于其在结构,成本 上的优势,已经在科学研究和工业生产中得到了广泛的应用.目前为止,报道的最窄 的光纤激光器的脉冲宽度为 28 fs. 相对于传统的固体激光器,光纤激光器具有不可比拟的优势.光纤激光器掺杂技 术简单,激光传输损耗低,与泵浦光耦合效率高.光纤激光器采用光纤作为传输介质, 可以与其它光纤器件兼容,减少了激光器所占的空间.而且光器件之间采取直接熔接 的方式,相对于固体激光器而言无需复杂的光路调整系统.由于光通信器件的成熟, 激光器成本也可以大大降低.一般单模光纤的芯径为 8 μm, 所以光在芯径内传播时的 功率密度通常很高,非线性作用很强,非常适合用于产生锁模振荡器.

由块状工作物质及各种光学元件组成的传统固体激光器存在体积大、质量大、结构松、可靠性差等缺点%而光纤激光器有以下特点: 1 增益介质长， 能方便地延长增益长度使抽运光充分吸收，光-光转换效率超过60% 2 光纤激光器表面积/体积比大，其工作物质的热负荷相当小，光纤中的场主要约束在纤芯内，使纤芯中的场强很大，加之光纤的低损耗又使这种高光强可以保持很长距离，能产生甚高亮度和甚高峰值功率 (140nw/cm2) 3 易实现单模、单频运转和超短脉冲 4 光纤激光器体积小且结构简单，工作物质为柔性介质，使用方便 5 激光器可在很宽光谱范围内(455~3500nm)设计与运行，使光纤激光器可调%由于光纤激光器具有以上特点，因此采用光纤作为振荡器产生超短脉冲激光比传统固体激光放大器更具优势。