掺钕光纤放大器

掺杂离子光纤激光器的吸收谱带和输出光谱特性取决于掺杂激活离子的能级结构,而Nd3+离子光纤的能级结构和固体激光器中常用的Nds+:YAG的能级结构略有差别,造成输出谱线也略有不同。为讨论方便我们首先分析一下激光振荡的几种类型:(a)四能级跃迁:激光跃迁的下能级不是增益介质基态,较易产生粒子数反转和激光振荡;(b)三能级跃迁:激光跃迁的下能级为增益介质基态,由于基态粒子数较多,较难产生粒子数反转和激光振荡。(c)准四能级跃迁:激光跃迁的下能级为增益介质基态产生斯塔克能级分裂效应的最上边的能级,与三能级相比一般产生振荡时其上能级粒子数不需要多于全部粒子数的一半,所以激光振荡的难易程度介于(a)、(b)之间。

1)Nds+:YAG的能级结构,它最主要的吸收谱带为810nm处,而掺Nd3+光纤的吸收谱带与其基本相同,所以都可采用输出波长为808nln的半导体激光器作为泵浦源。

对掺Nd3+:YAG的固体激光器较常见的输出波段为属于四能级跃迁的1064nm、1319nm波段和属于准四能级跃迁的946nm波段,它们共用一个上能级。由图2.1可见基态粒子在808nLIn波段泵浦光作用下,先跃迁到F5/2,然后迅速无辐射跃迁到亚稳态的激光上能级F3/2,最后跃迁到激光下能级。由于能级的斯塔克分裂,导致激光输出谱线存在很多条,其中激光上能级F3/2分裂为两个能级,激光下能级在I11/2,趁处分裂为6个能级,对应的输出谱线范围为1.052-1.1228um,在能级"19/2处分裂为5个能级,对应的输出谱线范围为569-946nm。

(2)掺Nd3+离子光纤的能级结构。可见其斯塔克分裂后的能级数和能级所对应的能量都与Nd3+:YAG不同,从而导致输出谱线范围略有区别,其中激光上能级F3/2虽然也分裂为两个能级,但能量发生了改变,而输出波段在1um附近的激光下能级I11/2分裂为2个能级,经计算得到其对应的输出谱线范围为1.047-1.095um,输出波段在0.9um附近的激光下能级I9/2分裂为4个能级,经计算得到其对应的输出谱线范围为907-938nm。实验中激光振荡输出的2088nm信号光是从11500cm到2260cm的跃迁。

其中1.06um波段的荧光相较0.9um、1.35um波段的荧光强很多,对于1.35um波段由于激发态吸收信号光效应较强,所以很难实现该波段的振荡输出,而800nm波段属于准四能级,可通过弯曲光纤或合理镀膜来抑制较易振荡的1.06um波段,同时分析发现该波段存在再吸收效应从而使得激光起振阂值增加,所以还需合理设计掺杂离子浓度。

20世纪60年代激光器的出现,受到人们广泛关注,目前固体激光器己经在各方面都比较成熟,而随后发展起来的光纤激光器则由于具有很多优点,例如散热效果好、体积小、可调谐、光束质量好、效率高、闭值低、可集成等而逐渐成为研究的热点。光纤激光器是在半导体泵浦源、光纤制造工艺等技术成熟的基础上发展起来的,其输出功率己不再局限于几瓦,而是上升到kw量级,并在焊接、印刷、打标、医疗、军事和通信等领域中得到广泛应用。目前光纤激光器输出波段在455nm-3500nm之间,其中用于产生绿光波段的掺Nd3+光纤激光器在国内不是很成熟,而绿光激光器又在数据存储、军事、医疗、印刷等领域有广泛应用。

1961年出现的第一台光纤激光器是采用芯径为300um,长度为lm的掺钕离子光纤做为增益介质,输出了波长为1.06um的激光。1966年高馄和Hockham提出利用光纤做为通信介质的想法,从此光纤被广泛用于通信领域。其后的20几年山于泵浦源技术不成熟、光纤制造工艺水平较低等因素制约使得光纤激光器的发展变得非常缓慢。直到80年代初随着光通信的飞速发展,带动了光纤制造工艺和半一导体激光器生产技术的成熟,从而加快了光纤激光器的发展。从此世界各国包括英国、日本、德国、美国等都分别展开了对光纤激光器的大力研究。在1987年,英国Southampton大学的S.B.Pooles等人采用自己研制的低损耗掺饵单模光纤实现了激光输出。对于光纤激光器来说1988年是一个至关重要的转折点,在这一年美国宝丽来公司的Snitzer等人提出了双包层光纤的概念,并研制成了掺Nd3+双包层光纤激光器。在双包层光纤激光器中泵浦光在内包层中传输,而激光在纤芯里传输,该结构相比单模光纤吸收效率和输出功率都有了极大提高,从此光纤激光器的输出功率不在局限在瓦级。1999年美国的V.Domini等人采用双端泵浦技术在波长1120nm处获得了110W的激光输出,表明光纤激光器已经达到百瓦级别。由于高功率光纤激光器在焊接、打标等工业领域的大量需求,所以逐渐变为人们研究的热点,目前光纤激光器的输出功率己经可以达到kw量级,2003年8月英国南安普敦大学的vJeon等人研制成1kw的光纤激光器,并在12月获得1.36kw的激光输出。

光纤放大器非线性折射率依赖于掺杂浓度、抽运功率、信号功率等参数的变化对非线性、噪声系数、色散等参量的影响, 为短波传输、级联光纤、孤子传输等方面的优化设计带来重要的指导意义。非线性折射率在光开关、信号处理系统、信号放大等方面也得到了广泛的重视。而由非线性折射率引起的相位变化对于设计光纤环行锁模激光器 , 多根光纤放大器的相干放大输出等应用方面也是相当重要的。在相关的实验研究方面,Bet ts等利用一根双芯光纤(一个芯区掺有铒粒子而另一个是普通光纤), 根据干涉法对掺铒光纤折射率进行了测量, 梁铨廷利用单芯掺铒光纤构成一个环行谐振器, 根据输出光强的变化对掺铒光纤的折射率进行了测量。Ghisler等从实验上研究了掺钕光纤放大器的相位变化。

掺钕光纤放大器在1300 nm 波段处具有很强的激发态吸收, 限制了它在1300 nm 波段通信上的应用, 但是在1064 nm 波段处的掺钕光纤放大器能够为半导体激光器抽运的Nd∶YAG 激光光源提供紧凑耐用和偏振态无关的信号放大, 它没有像掺铒、掺铒镱光纤放大器那样严重的受激吸收现象, 可以达到量子噪声系数的极限, 这是因为内包层可比单模芯区的面积大100 多倍, 适用于较大面积的激光二极管抽运, 从而可以得到大功率信号的输出。而掺铒、掺铒镱光纤放大器内包层直径只能比单模芯区直径大几倍。另外掺钕光纤放大器还具有抽运阈值低、噪声系数小、掺杂浓度高等优点, 近年来在空间通信和高功率放大等应用中得到了广泛重视。