光纤激光器研究进展

收稿日期:2008-10-13.

动态综述

光纤激光器研究进展

申人升,张玉书,杜国同

(大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁大连116023)

摘 要: 光纤激光器具有寿命长,模式好,体积小,免冷却等一系列其他激光器无法比拟的优点,近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。文章概述了光纤激光器典型的工作原理,阐述了其当前主要研究方向以及国内外研究现状,最后提出了光纤激光器产业化的趋势。

关键词: 光纤;光纤激光器;光子晶体光纤;超短脉冲

中图分类号:TN248 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)01-0001-05

Latest Development of Fiber Lasers

SH EN Ren -sheng ,ZH ANG Yu -shu,DU Guo -tong

(School of Physics and Optoelectronic Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,C HN)

Abstract: Fiber lasers ow n lots of advantages co mpared w ith other lasers,including lo ng life,goo d mode,compactness,etc.Recently,fiber lasers have received increasing ly intensive

attention in the applications o f electro nic inform ation,industr y processing and national defense technolog y.T he ty pical principle o f fiber laser is explained and resear ch progr esses about fiber lasers are review ed.Furthermore,the future developm ental trends fo r laser fiber are discussed.

Key words: fiber;fiber lasers;photonic crystal fiber;ultrashort pulse

0 引言

光纤激光器诞生于20世纪60年代初,它是伴随着光纤通信技术、光纤制造工艺以及与激光器生产技术的日趋成熟而迅猛发展起来的新型器件。由于其在高速率、密集波分复用(DWDM )通信系统、高精度传感技术和大功率激光加工等方面呈现出潜在的技术优势和广阔的应用前景,所以备受世界各国科研工作者的青睐,现已成为国际学术界的热门研究对象。

光纤激光器与其他类型激光器相比较,其优点为:(1)泵浦功率低、增益高、输出光束质量好;(2)与其他光纤器件兼容,可实现全光纤传输系统;(3)使用光纤作为基体,其结构具有较高的比表面积,因而散热好;(4)体积小,携带方便;(5)光纤激光器可以作为光孤子源,实现光孤子通信。

1 原理与分类

1.1 基本工作原理

图1

所示为典型光纤激光器的基本结构。

图1 光纤激光器基本结构

典型光纤激光器主要由三部分组成: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激发增益介质的泵浦源。其中,增益介质为掺杂稀土离子的纤芯。

当泵浦光从反射镜1(或光栅1)入射到掺杂光纤芯中时,会被所掺杂的稀土离子吸收。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

#

1#

转0,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,并释放出能量,从反射镜2(或光栅2)输出。

1.2分类

根据光纤激光器激射机制、器件结构以及输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。以目前光纤激光器技术的发展情况来看,其分类主要有以下几种:

(1)按光纤基体结构分类:单包层和双包层光纤激光器。

(2)按输出波长个数分类:单波长激光器和多波长激光器。

(3)按增益介质分类:稀土离子掺杂光纤激光器(如Nd3+、Er3+、Yb3+、T m3+、H o3+等)、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器。

(4)按谐振腔结构分类:F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及/80字形腔、DBR光纤激光器、DFB光纤激光器等。

2主要研究方向及现状

目前,对于光纤激光器的研究方向主要集中在高功率光纤激光器、窄线宽光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器和光子晶体光纤激光器等几个方面。

2.1高功率光纤激光器

高功率光纤激光器[1]与同等功率水平的其他类型激光器相比较,其具有效率高、体积小、冷却温度低和光束质量好等优点,因此高功率光纤激光器一直是光纤激光器领域中最热门的研究方向。

如何提升单根光纤激光的输出功率,是高功率光纤激光器发展的主要研究内容之一。1999年美国的V.Dominic等人[2]用4个45W的半导体激光器从光纤两端泵浦,获得了110W的单模连续激光输出。但由于光纤和泵浦源技术的限制,在此后近3年的时间里,单光纤激光输出功率没有获得突破性进展。2003年,随着大模场光纤技术和高功率泵浦源技术的发展,光纤激光器的输出功率快速提高,德国的IPH T、英国的SPI和美国的IPG公司分别报道了200W、270W和300W的光纤激光器。在2004年初的Pho to nics West会议上,英国的SPI公司报道了1kW的光纤激光器。随后,英国南安普顿大学报道了1.36kW连续波光纤激光器[3],并预言通过对掺杂光纤更先进的设计和采用更高功率的泵浦源,单根光纤的输出功率有可能提高到近万瓦。2004年美国的IPG公司研制出了10万瓦的光纤激光器和1.7万瓦的工业光纤激光器生产线。

由于单根光纤输出的激光功率毕竟有限,于是人们想到利用激光光束组合技术实现输出功率的提高。近年来,其研究方法主要有两种:相干光束组合和非相干光束组合。

由于光纤激光器的相干组束技术可以将多路激光束相干叠加,在提升输出总功率的同时,保持了光纤激光器良好的光束质量,因此该技术成为了高功率光纤激光器研究中很有前途的发展方向。

目前,研究人员已经提出了多种相干组束技术,主要有:主振荡放大技术[4]、多芯光纤自组装技术[5]、全光纤组束技术[6]、光谱组束技术[7]和外腔相干组束技术[8-9]等。光纤激光器的相干组束技术研究才刚刚起步,尚处于实验研究阶段[10]。

2.2窄线宽光纤激光器

对于激光器来说,如果只允许一个纵模振荡,则形成单频激光器,其输出光具有极高的时间相干性。该类型激光器具有很高的实用价值[11],所以窄线宽光纤激光器就成为光纤激光器研究领域的另一个热点,它以线宽窄、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光谱及光纤通信领域[12]。窄线宽光纤激光器的早期研究工作主要集中在固定波长的窄线宽光纤激光器上,振荡波长由固定波长响应的滤波器控制,如布拉格光栅,其反射中心波长由光栅周期决定,反射带宽由光栅长度决定。除了通过对光纤光栅施加应力或温差来改变振荡波长外,还可以通过旋转光栅、调节腔内标准具角度、利用声光滤波器、电调液晶标准具等方式来实现。

窄线宽光纤激光器常见的腔体结构有线形腔结构和环形腔结构。其中,线形腔结构简单、工作稳定,但是由于驻波场存在空间烧孔效应,不利于实现单频运转,常常把腔体变短,从而导致抽运转化效率低。而采用环形腔结构的窄线宽光纤激光器则可以消除空间烧孔效应,并实现单频运转,其腔体较长,增益高。

2007年光库通讯向市场推出一款超窄线宽光纤激光器,其采用美国核心专利技术和高浓度铒/镱离子共掺有源光纤,有效解决了输出功率与光束质量之间的矛盾。其腔体长度小于5cm,线宽小于3 kH z,高达150mW的输出功率,波长调谐范围为20 GH z,相干长度可达75km。

# 2 #