光纤激光器技术及其研究进展

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光纤激光器技术及其研究进展武建芬，陈根祥

（北京交通大学光波所，北京１０００４４）

摘要：简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并对几种具有良好应用前景的热门光纤激光器的结构、原理和工作特性进行了较详细介绍，最后对未来光纤激光器技术的发展和应用前景作了展望。

关键词：双包层光纤激光器；多波长光纤激光器；锁模光纤激光器

中图分类号：ＴＮ２４８文献标志码：Ａ

１引言

由于光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势，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。符合光纤激光器发展需要的各种光纤结构、光纤材料特别是各种稀土掺杂光纤材料和新的激光泵浦技术均得到了快速的发展，极大地推动了光纤激光器技术的进步［１］。特别是２０世纪９０年代后期，随着半导体激光器及掺杂光纤制作技术的日益成熟，光纤激光器的研究取得了重大进展。输出功率、波长调谐范围等性能得到了显著提高。由于具有与光纤系统完全匹配的独特优点，光纤激光器可以方便地应用于各种光纤通信和光纤传感系统，尤其是可实现稳定多波长激光输出的光纤激光器非常适合应用于密集波分复用（ＤＷＤＭ）光纤系统。目前国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器等几个方面。本文简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并就几种主要的光纤激光器技术较详细地介绍了其工作原理及国内外近几年的新发展，最后对未来光纤激光器的发展和应用前景进行了分析与展望。２光纤激光器的基本原理、分类及特点

２．１光纤激光器的基本原理

和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器（ＬＤ），增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。

２．２光纤激光器的分类

光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种：

（１）按增益介质分类稀土离子掺杂光纤激光器（Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｙｂ３＋、Ｔｍ３＋等，基质可以是石英玻璃、氟化锆玻璃、单晶），非线性效应光纤激光器（利用光纤中的ＳＲＳ、ＳＢＳ非线性效应产生波长可调谐的激光）。在光纤中掺入不同的稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。

（２）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＂８＂字形腔、ＤＢＲ光纤激光器、ＤＦＢ光纤激光器。

（３）按光纤结构分类单和双包层光纤激光器、光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。

（４）按输出激光类型分类连续光纤激光器，超短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。

（５）按输出波长分类Ｓ－波段（１４６０￣１５３０ｎｍ）、Ｃ－波段（１５３０￣１５６５ｎｍ）、Ｌ－波段（１５６５￣１６１０ｎｍ），可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。

２．３光纤激光器的显著特点

由于光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，光纤激光器在很多方面显示出独特的优点。这些优点可以归纳为以下几个主要的方面［２，３］：

收稿日期：２００６－０５－１１。

基金项目：北京交通大学科技基金（２００５ＳＺ００４）项目资助；国家自然科

学基金（６０５７７０２１；６０４３７０１０）项目资助。

作者简介：武建芬（１９７５－），男，研究生，主要研究方向为光电子器件、光

纤传感和光纤激光器。

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光通信技术

２００６年第８期

（１）较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光纤结构，使用低亮度、廉价的多模ＬＤ泵浦光源即可实现超过６０％的光光转换效率。

（２）易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器表面积／体积比大，其工作物质的热负荷小，易于散热和冷却。

（３）易实现单模、单频运转和超短脉冲（ｆｓ级）。

（４）工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构

设计、整机封装和使用均十分方便。

（５）激光器可在很宽光谱范围内（４５５～３５００ｎｍ）设计与运行，应用范围广泛。

（６）与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系统。

上述特点使得光纤激光器在很多应用领域与传统的固体或气体激光器相比显示出明显的独特优势。

３光纤激光器技术的重要进展

３．１大功率双包层光纤激光器

大功率光纤激光器在空间激光通信、工业加工、医疗、国防上有广泛而重要的应用价值。为了提高光纤激光器的输出功率，就要想办法提高泵浦抽运光的吸收效率，双包层掺杂光纤就是出于这样目的而设计的。双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯而被其吸收；为了使泵浦抽运光多次穿过纤芯以便使其被充分吸收，人们在纤芯内包层的结构上进行了研究，发展了多种增加泵浦抽运光吸收率的内包层纤芯结构形式［２］。

为了进一步有效地将泵浦光耦合进纤芯，出现了一些新的方法。最近韩国汉城大学的ＳｅｕｎｇｉｎＢａｅｋ等报道了采用长周期光纤光栅进行包层泵浦耦合吸收泵浦抽运光的实验［４］，他们采用一根５ｃｍ长、周期１８０ｕｍ的长周期光纤光栅将从端面入射到内包层的泵浦光耦合到纤芯，使掺镱包层泵浦激光器的泵浦吸收率增加３５％，最大输出功率在同样的２０Ｗ泵浦源泵浦情况下最大增加可达５５％，其实验装置如图１所示。来自泵浦二极管堆（ｄｉｏｄｅｓｔａｃｋ）的泵浦光经准直透镜（ｌｅｎｓ）和二项色性镜（ｄｉｃｈｒｏｉｃｓｍｉｒｒｏｒ）后进入ＳＭＦ（单模光纤），该单模光纤已经去掉了包层护膜，并在其中制作了符合耦合要求的长周期光纤光栅（ＬＰＦＧ），以使泵浦光能进入包层并充分耦合进纤芯，从而使泵浦光的吸收效率得到提高。

３．２超快锁模光纤激光器

如果光纤激光器在增益带宽内存在大量纵模运转，当各纵模频率间隔相同且相邻纵模间相位差为常数时即可获得锁模激光脉冲输出。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ｐｓ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［５］。最近Ａ．Ｐｏｌｙｎｋｉｎ和Ｐ．Ｐｏｌｙｎｋｉｎ，报道了一种新的被动锁模超短腔高平均功率ｐｓ级短脉冲光纤激光器［６］，图２是其实验装置原理图。一根８ｃｍ长的重掺杂（铒，镱）磷酸盐玻璃光纤被用作增益介质，功率可调的９７５ｎｍ激光二极管泵浦光源从端面给增益光纤提供泵浦光，在普通单模光纤（ＳＭＦ２８）上写入的光纤布拉格光栅被用作光反馈和激光输出端口。其中，光栅反射谱的半最大值全宽（ＦＷＨＭ）为１．５ｎｍ，反射率１５％。半导体饱和吸收镜（ＳＥＳＡＭ）作为非线性光学元件实现光学被动锁模。整个设备总长１８ｃｍ。试验获得了稳定的重复率５５０ＭＨｚ．的脉冲激光输出（平均输出功率５００～７７５ｍＷ）。在最大平均输出功率情况下（７７５ｍＷ）测量得到的输出激光脉冲光谱的半最大值全宽（ＦＷＨＭ）为０．３７ｎｍ，非线性自相关曲线的半最大值全宽为１７ｐｓ。

３．３拉曼光纤激光器

图１实验装置原理图

（二项色性镜在泵浦波长上反射率高，在信号波长上透射率高

）

图２短腔被动锁模光线激光器原理图

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