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1、掺铒光纤激光器,目,录,?,早,期,?,原,理,?,现,状,?,展,望,?,早,1961,年,美国光学公司的,E.Snitzer,等就在光纤激光器领域进行,了开创性的工作,;1963,年和,1964,年分别发表了多组分玻璃光纤,中的光放大结果,提出了光纤激光器和光纤放大器的构思,;,1963,年,由美国光学公司的,Snitzer,和,Koester,用掺杂钕,(Nd,3+,),的,方法研制出,世界上第一台光纤激光器,实现了以光纤作为增益介质,及谐振腔的设想，但由于,当时光纤损耗较大,;,1966,年,英籍华人高馄博士通过分析玻璃纤维损耗的主要原因,首次提出,只要能设法降低玻璃纤维中的杂质,就,
2、有可能使光纤损耗,降低到,20dB/km,从而使光导纤维可用于光通信,;,1970,年,美国康宁公司研制出,传输损耗仅为,20dB/km,的光纤,证,明高馄博士的预言,拉开了光纤通信的新篇章,;,在,1975-1985,十年间,光纤通信进入了实用化阶段,由于相关条,件的限制,对光纤激光器的研究很少,不过在这十年中许多,发展光,纤激光器所必须的工艺技术趋于成熟,;,80,年代后期,英国,Southhampton,大学的,S.B.Poole,等,用化学气相,沉积,(MCVD),法制成了低损耗的掺铒光纤,;,R.J.Mears,等人发现掺杂,稀土元素的光纤中存在激光振荡和光放大的现象,;,最终于,1
3、986,年,应用该掺铒光纤制作了,世界上第一台掺铒光纤激光器,；,?,期,摸,索,?,?,?,中,前,进,?,产生激光的基本条件,图,1.,激光器的基本结构,The basic structure of laser,?,增益介质：,要有能在外界激励能源的作用下形成粒子数反转分布状,态的增益介质；,?,激励源：,在受激辐射过程中，高能级粒子数逐渐减少，低能级粒,子数逐渐增多，所以要通过,泵浦,不断将粒子激励到高能级，破坏热平,衡,实现粒子数反转,；泵浦光必须足够大,在泵浦阈值功率以上；,?,谐振腔：,要有一个能,使受激幅射和光放大过程持续,的构造光,学谐振腔，利用光学谐振腔,提高光子简并度,；同
4、时，对于光学谐振腔,要获得光自激振荡,须,令光在腔内来回一次所获增益至少能补偿传,播中的损耗,。,产生激光的基本条件,?,在,光学谐振腔,内,沿轴线方向传播的光,在两反射镜之间往复传播。,(,这个过程中一边传播一边激发高能级上的电子跃迁到低能级上发,光,),往复传播作用,相当于,延长了激光工作物质的长度,使其中的光,能密度不断增加,也使受激辐射的概率远大于自发辐射的概率,从,而使沿光学谐振腔轴线传播的光,在粒子数反转分布的条件下,受,激辐射占了绝对优势。,?,增益介质、泵浦源和光学谐振腔是产生激光输出的先决条件。,除此之外,产生激光器还必须,满足阈值条件和相位平衡条件,1,1,l),激光器产生
5、激光的,阈值条件,即,G,0,?,?,i,?,ln,2,L,R,1,R,2,G,0,为小信号增益系数,?,i,为损耗系数,L,为谐振腔的长度,R,1,和,R,2,为两个反射镜的折射率,。,2),在谐振腔中,还要满足,相位平衡条件,的波,才能在往复反射过程,中得到加强,即,2,?,?,?,?,2,L,?,2,?,q,，,q,?,1,2,3,?,?,q,2,?,?,q,为光在激光工作物质中,传播时的波长，,为光在激光物质中传播,单位长度时的相位变化,。,?,q,Er,的基本组态：,Xe,4,f,5,s,5,p,3,?,11,2,6,2,S,?,1,L,J,无辐射跃迁,5s,和,5p,层的电子始终保
6、持不变,可以,屏蔽,4f,层的内层电子，使其不,受外场的干扰，因此,4f-4f,跃迁的,光谱特性,(,荧光和吸收特性,),不易受,3,?,宿主影响,，所以,Er,具有,很好的稳,定性。,4,受激吸收,受激辐射,I,11,/,2,I,13,/,2,激,励,源,980nm,亚稳态,4,1480nm,1530nm,4,图,2.,Er,的主要能级图,3,?,Eergy-level configuration of,Er,3,?,I,15,/,2,掺铒光纤,(Erbium Doped Fiber),所具有的优势,?,高功率密度：,由于光纤纤芯直径只有几个微米,光纤内易形成更高,泵浦功率密度,能够降低阈值
7、功率,（在泵浦光的作用下光纤内极易,形成高功率密度,造成粒子数反转），这种特性对于三能级系统尤为,重要；,?,可调谐：,具有很宽的荧光谱,光纤可调参数多，选择范围大，因此,可产生多激光谱线，再配以波长选择器，即可获得相当宽的调谐范,围,适合于波分复用,(WDM),光纤通信系统应用,;,?,耦合效率高：,光纤激光器中,光纤既是激光介质又是光的波导介质,因此泵浦光的耦合效率很高,加之光纤激光器可以,方便地延长增益,介质的长度,使泵浦光被充分吸收,使光光转换效率超过,60%,；,?,结构紧凑：,光纤具有,极好的柔绕性,光纤激光器可以设计的相当小,巧灵活,能够采用多种封装方式,使激光器的结构更加紧凑；
8、,掺铒光纤,(Erbium Doped Fiber),所具有的优势,?,工作波长合适：,由于掺铒,(Er,3+,),光纤,在,1550nm,波长具有很高的,增益，其,40nm,宽的增益光谱轮廓正对应光纤通信低损耗的最佳窗,口,，具有潜在的应用价值，在光纤通信领域获得越来越广泛的应,用，故发展最为迅速。,?,散热性能好：,光纤结构具有,较高的面积体积比,因而散热效果好,具有,很高的转换效率和闭值功率,能够在室温下连续工作；,?,光束质量高：,掺铒光纤激光器可以实现单模运行,具有极窄的线,宽,良好的单色性和高稳定性；,?,稳定性高：,全光纤的谐振腔结构更加稳定,受机械扰动影响更小,并且,具有相当多
9、的可调参数和选择性,光学元件接入后不需要光学,准直；,谐振腔的选择,1,、线形腔,(F-P,腔,),图,3.,一般线行腔掺铒光纤激光器结构示意图,General schematic diagram of a linear cavity EDFL,?,优点：,结构简单,而且谐振腔可以设计得很短，因此线形腔结构很,适合单纵模输出激光器,;,?,缺陷：,光纤端面与镜面存在间隙或成斜角；即使是将介质镜直接,镀在光纤端面上也可能存在光纤端面与纤轴不垂直、光纤端面有细,微缺陷等问题,;,?,实际,的,F-P,腔光纤激光器通常,借助光纤光栅，光纤方向耦合器,等,可以构成多种谐振腔。,2,、环形腔,空间烧孔效
10、应会破坏均匀加宽激光器的模式竞,争，造成多模振荡，而加了隔离器以后，光在腔,内单向传播，形成行波场，行波场在腔内的场强,分布均匀，避免了空间烧孔，有利于实现窄线宽。,?,?,可以不使用反射镜,构成全光纤谐振腔,图,4.,环形腔掺铒光纤激光器基本结构,Basic ring cavity EDFL,通过在光纤激光器的环形腔中插入,隔离器,可以迫使激光器运行在行波工,作状态环形腔，与大多数,F-P,腔工作在驻波状态不同,行波工作状态可以避,免空间烧孔效应。,因此,在没有滤波器的情况下,通常环形腔结构比线形腔,结构,在输出功率及输出激光频率方面更稳定,；,?,?,?,环形腔结构对掺铒光纤增益的利用,效
11、率更高,；,环形腔的谐振腔,纵模间隔是线形腔的两倍,；,谐振腔内可接入多种光纤器件,(,光纤光栅,光纤滤波器等,),尽管这些器件,有很高的回光反射,但通过使用光隔离器可以消除反射光的影响。,可调谐光纤激光器（,tunable laser,）,可调谐光纤激光器,:,在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。,这种激光器可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监制、,半导体加工、信息处理与通信等。,近年来，可调谐光纤激光器得到迅速发展,其调谐范围多为,C,波段,(1530-,1565nm),或者,L,波段,(1565-1610nm),，大多采用旋转,F-P,滤光片、光纤光栅,的轴向压
12、缩调谐、轴向拉伸调谐和悬臂梁调谐等调谐方式。到目前为止，,窄线宽输出,和,波长范围宽带可调谐,是可调谐光纤激光器的主要研究方向。,目前已制作出温度和应变调谐光纤激光器,、可调谐掺铒光纤激光器,（,EDFL,）、可调谐调,Q,光纤激光器、集成阵列波导光栅（,AWG,）的可调谐,光纤激光器、高重复率超快光纤激光器、基于光纤放大器的可调谐光纤激,光器以及超连续谱可调谐光纤激光器等。尤其是,可调谐环形,EDFL,，因其,具有,较大的调谐范围及高的输出功率,，已然成为可调谐激光器的主流，在,高速大容量、长距离传输的光纤通信系统和,DWDM,通信系统中被广泛应用。,掺铒光纤环形腔激光器,是一种,以掺铒光纤
13、为增益媒质、环形腔为谐振腔,形式的光纤激光器,。,可调谐掺铒光纤激光器的发展,始于,20,世纪八十年代中,期,?,图,5.,半导体激光泵浦的可调谐激光器,Tunable diode pumped fiber laser,由于,光纤,F-P,滤波器的低损耗,及,EDF,的低阈值,故,采用光纤,F-P,滤波器,的环形腔结构掺铒光纤激光器比采,用其他滤波元件的光纤激光器有更,低的阈值功率,更高的斜率效率及更,宽的波长调谐范围,并且调谐方式简,单,激光器结构简单紧凑,1991,年,美国电话电报公司,(,AT&T,),贝尔实验室,(,Bell,Laboratories,),的,J.L.zyskind,等
14、人研制了,半导体激光器,泵浦的可调谐环形腔掺铒光纤激光器,(,图,5),；采用,1480nm,半导体激光器泵,浦,泵浦功率,32mW,利用,30m,长的掺铒光,纤作为工作物质,最终获得,6Onm,的波,长调谐范围,(1525-1586nm),；,90,年代中期,G.A.Ball,等人成功研,制,第一台单纵模输出可调谐掺饵光纤,激光器,采用线性腔结构,通过光纤光,栅滤波,其波长调谐范围可达,32nm,；,KevinHsu,等人用,Er,3+,/Yb,3+,共掺光纤制,成可调谐范围,25nm,的,F-P,腔激光器。,?,图,6.,宽带可调谐环形腔掺铒光纤激光器示意图,Configuration o
15、f a widely tumable EDF ring laser,图,7.,掺杂石英光纤中的,稀土离子的发射光谱覆盖范围,.,?,1999,年,东京大学的,ShinjiYamashita,等人的研究小组采用,环形腔结构,获得了,波长调谐范围覆盖,C+L,波段的连续可调激光输出,；滤波器件仍用光纤,F-P,滤波,器，泵浦为,1480nm,的半导体激光器,输出功率,84mw,输出耦合比,10:1,，最终获,得了,80nm,(1520,一,1600nm),的激光输出,波长调谐范围覆盖,C+L,波段,；,?,研究结果证明通过,优化,EDF,长度和采用腔内的光纤,F-P,滤波器可以获得覆盖,C+L,波
16、段的激光输出,显示出可调谐环形腔掺铒光纤激光器的潜力。,?,图,8.,单模光纤损耗谱,2000,年后,AntoineBellemare,等,人在宽带可调谐掺铒光纤激光器理,论模拟及实验研究方面取得了许多,进展。他们通过理论模拟及实验研,究了影响掺铒光纤激光器输出特性,的几个因素,并通过优化激光器结,构及参数获得了波长,调谐范围超过,110nm,的激光输出；,泵浦采用,180mW,的,980nm,半导体激光器,采用,多层薄,膜干涉滤波器,实现波长调谐,半宽,度,(,f,u,l,l,-,w,i,t,h,h,a,l,f,-,maximum,FWHM)0.15nm,EDF,掺杂浓,度,6.8xl0,2
17、4,m,-3,。,AntoineBellemare,等人指出,:,宽,带可调谐掺铒光纤激光器波长调,谐范围,对腔内损耗具有敏感性,减,小谐振腔损耗对于宽带可调谐掺,饵光纤激光器至关重要,;,同时,仍,应注意,最佳,EDF,长度的选择。,图,9.,掺铒光纤的吸收和增益谱,国内的发展,图,10.,宽带可调谐环形腔掺铒光纤激光器,Schematic diagram of the proposed tunable EDFRL,2003,年，董新永等人采用线性腔结构及环,形腔结构研制成功了性能很好的可调谐光纤,激光器,波长调谐范围超过,IOOnm,，覆盖了整,个,C+L,波段。一个可调谐窄带,F-P,滤
18、波器和一,个宽带滤波器分别插入到线形腔两端的环形,镜内，以此减少插入损耗。实验分析并选取,了最佳长度的掺铒光纤及最佳耦合比的输出,耦合器，获得了,超宽带连续可调的、高功率,的单频激光。,国内从,90,年代初,开始了光纤,激光器的研究工作,取得了一些,阶段性的成果。在宽带可调谐,掺饵光纤激光器研究领域中,较,为突出的是,南开大学现代光学,所。,2000,年后,董新永等人发表,了多篇关于可调谐掺饵光纤激,光器的研究报道，他们通过理,论模拟着重分析了饵离子团簇,对光纤可调谐掺饵光纤激光器,输出特性的影响,指出尽管铒离,子团簇的存在,使得激光器的输,出功率及平坦度都下降,但其,可,帮助环形腔掺铒光纤激
19、光器产,生更长波长的激光输出,；此外，,董新永等人仍然强调了减小谐,振腔损耗、掺铒光纤长度优化,及输出耦合比选取的重要性；,近,10,年,?,追求,波长调谐范围大、泵浦斜率效率高、,激光阈值低、信噪比高、线宽窄,?,2011,年，剑桥大学的,D.Popa,等人在环形腔光纤激光,器内加入新材料,50,m,厚的石墨烯，使其做可饱和吸,收体，设计出一种,调,Q,可调谐光纤激光器,。当泵浦功率,达到,40mW,时，输出连续波长的激光；当泵浦功率达到,74mW,时，脉冲激光开始运转，其重复频率随泵浦功率的,变化,从,36kHz,到,103kHz,连续可调，输出谱从,1522nm,到,1555nm,连续可
20、调,，最大输出脉冲能量为,40nJ,；,?,2012,年，浙江大学的孙兵等人在,M-Z,一臂上连接偏振,控制器，另一臂上连接光可变延迟线，构成光纤光学参,量振荡器，构造出波长间隔可调谐多波长光纤激光器。,结构中使用高非线性色散位移光纤作为增益介质，,M-Z,?,2007,年，韩国汉阳大学的,Young-,Geun Han,等人把一种特别制作的啁啾,作为梳状滤波器，,实现了波长范围从,1541nm,到,1558nm,的,光纤光栅固定在带有锯齿和齿轮的可,24,个波长输出,。同时，,波长间隔在,0.08nm,、,0.2nm,、,移动平台上，让其作为多信道滤波器。,0.4nm,、,0.8nm,上可调
21、,；,分别放在掺铒光纤放大器及多波长拉,?,2013,年，北京交通大学的邹慧等人在双通道,M-Z,一,曼散射放大器的激光腔内，,实现了固,端插入一段保偏光纤构成一个,M-Z,的梳状谱被余弦调制,定波长间隔为,0.51nm,的多波长激光输,的滤波器，其又和一个高精细度滤波器构成复合滤波器,出,。将,EDFA,与多波长拉曼激光器同时,进一步压窄线宽。在此基础上，他们设计出一种,稳定、,作用在,CFBG,上，得到波长间隔大范围,可调谐、高边模抑制比的线偏振单波长光纤激光器,。在,连,续,可,调,的,激,光,，,测,得,灵,敏,度,为,泵浦功率达到,200mW,时，激光的,边模抑制比超过,72dB,，
22、,0.033nm/mm,。同时，调节多波长拉曼,在一个小时内峰值功率波动小于,0.08dB,，波长漂移小,激光器的泵浦功率，可以得到不同波,于,0.02nm,，通过调节偏振控制器，波长可,从,1560.37nm,到,1568.56nm,可调谐,长数目的激光；,2006,年，天津大学的王肇颖、胡智,勇等人报道了一种简单易行的新型环,形腔可调谐多波长光纤激光器。以半,导体放大器作为增益介质，利用高双,折射光纤环形镜来进行波长选择，,得,到了,17,个波长的激光输出，各波长线,宽约为,0.102nm,，信噪比大于,25dB,，,波长间隔符合,ITU-T,标准,100GHz,。调节,环内的偏振控制器，
23、,实现了波长范围,最大,50GHz,的可调谐,；,基于,Sagnac,环的可调谐掺铒光纤激光器,在以往可调谐掺铒光纤激光器的研究基础之上，设计了新型的光学滤波器，,构造了可调谐光纤激光器。首先，对带有单个,FBG,的,Sagnac,环进行了模拟仿真，,又对带有双,FBGs,的,Sagnac,环滤波器进行了实验研究，构造激光器，,在室温下,实现了单双波长可开关的激光输出,。其次，提出了一种基于高双折射光纤的,Sagnac,环与,M-Z,级联的滤波器。,?,1913,年萨格纳克发明了一种可以旋转的环,形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为,两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循,行一周后会合，然后
24、在屏幕上产生干涉。这,就是,萨格纳克效应,(Sagnac Effect),。,图,11.Sagnac,环的基本结构,?,构造光纤滤波器,是光纤,Sagnac,环的一个重要应用，在,Sagnac,环中加入,不同的光纤器件可构造出不同的光纤滤波器；,嵌入,FBGs,的,Sagnac,环滤波器,FBG:,fibber bragg grating,即,光纤布拉格光栅,?,FBG,：用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光纤内部的折射,率沿轴向形成周期性或非周期性的空间分布，形成光栅结构，并且能精,确控制谐振波长。其特性是,能将某一频段内的光反射回去，起到了光波,选频,的作用,。,此外，通过温度变化或
25、机械装置调谐光纤光栅，使其布拉格波长发生,变化，可实现波长调谐。具有良好调谐速度和带宽，及良好的稳定性，,可用于通信、传感及各种测试等。,如图,12.,与传统的两个,FBGs,串并联结构相比，,耦合,器,代替了价格比较贵的环形器，同时去掉了可变光,衰减器，仅在,Sagnac,环中接入一个,PC,就可,实现双波,长激光可开关,。,?,?,FBG-FSI,作为带通滤波器，其输出透射谱与两个,FBGs,的反射谱相同。,原理,:,入射光从耦合器,1,端口,进入，经耦合器分成,3,、,4,两路光，符合布拉格中心,波长的光被反射回来，再次经耦合器耦合输出；,图,12.FBG-FSI,结构图,图,13,，当
26、,耦合比越接近,0.5,时，,滤波器的滤波性能越好,，且消光比,要远大于耦合比为,0.2,和,0.3,时的消,光比。因此，激光器实验中采用耦,合比为,0.5,的耦合器组成滤波系统，,测,得,透,射,峰,的,波,长,分,别,为,1545.34nm,、,1548.20nm,。,图,13.,不同耦合比的,FBG-FSI,的透射谱,选取,FBG-FSI,中的耦合器为,3dB,耦,合器，调节环中的,PC,，输出的透射,谱如图,14,所示,:,实线,的消光比最大，,此时,滤波性能最好,；,虚线,中在布拉,格波长处的透射率小于两边的透射,率，因此在两个布拉格波长处,无法,激射出激光,。所以，,通过调节环中,
27、的,PC,，可以实现双波长可开关,。,图,14.,不同偏振状态下,FBG-FSI,的透射谱,嵌入,FBGs,的,Sagnac,环的双波长可开关掺铒光纤激光器,图,13.,基于嵌入,FBGs,的,Sagnac,环的双波长可开关掺铒光纤激光器结构图,?,980nm,的,泵浦源,(LD),经,980/1550nm,波分复用器,(WDM),耦合进光纤激光腔,内，,7m,长的掺铒光纤,(EDF),作为,增益介质,，,隔离器,（,ISO,）确保腔内激光的,单向运转，,Sagnac,环中插入两个,FBGs,和一个偏振控制器,(PC1),作为,选频元,件,，,FBGs,的中心波长分别为,1545.34nm,、
28、,1548.20nm,，,3dB,带宽分别为,0.216nm,、,0.23nm,。,PC2,、起偏器、,PC3,及普通单模光纤组成,非线性偏振旋,转结构，稳定双波长输出,。最后经耦合器,10%,端口输出到光谱仪,(OSA),进行,观测，,90%,的光返回腔内继续振荡。,实验结果,1.,常温下，泵浦功率调至,200mW,调节,PC1,获得比较,稳定的且峰值功率比较均匀的双波长激光,缓慢调,节,PC2,和,PC3,使双波长激光稳定输出,(,图,15);,2.2,小时内,每隔,20,分钟对输出激光进行观测,图,16,表明,双波长峰值功率的波动小于,0.7dB,表示该结,构的光纤激光器可在,室温下稳定
29、工作,;,3.,重新调整泵浦功率,功率达到,18mW,时，双波长激,光开始激射,;,至,125mW,时,增益饱和,(,图,17),。,图,15.,双波长激光的输出谱,图,16.2,小时内双波长激光的输出,图,17.,双波长激光输出功率随泵浦功率的变化曲线,(a),波长为,1545.34nm,图,18.,单波长激光的输出谱,(b),波长为,1548.20nm,实物图,图,19.,单波长激光输出功率随泵浦功率的变化曲线,实验结果分析,设计了一种基于嵌入,FBGs,的,Sagnac,环的双波长可开关掺铒光纤,激光器。一个,3dB,耦合器、一个,PC,、两个,FBGs,组成了一个带通滤波器，,通过调节
30、,Sagnac,环中的,PC,实现了单双波长可开关的激光输出,，并实验,分析了,FBG-FSI,中耦合器的不同耦合比对滤波性能的影响,，优化了滤波系,统。再利用非线性偏振旋转效应来抑制模式竞争，,获得了常温下稳定的,双波长激光,。泵浦功率为,200mW,时，得到双波长激光的中心波长分别为,1545.34nm,、,1548.20nm,，峰值功率分别为,-13.36dBm,、,-14.58dBm,，边模,抑制比分别为,41.10dB,、,39.88dB,。此结构与传统结构相比，去掉了环形,器，降低了成本，而且无需可变光衰减器就可以控制各个波长的增益损,耗，构成了全光纤结构。,小结,理想的宽带可调谐
31、掺铒光纤激光器应具有,波长调谐范,围大、泵浦斜率效率高、激光阈值低、信噪比高、线宽,窄,等特性。所以,为了开发可调谐掺铒光纤激光器的潜,力,提高激光器的输出特性,始终强调减小谐振腔损耗、,掺饵光纤长度优化及输出耦合比选取的重要性。除此之,外，多年以来,掺铒光纤环形腔激光器的,结构方面,研究,热点集中在以下几个方面：,?,研究光纤环形腔激光器的注入锁定,脉冲输出和非线性,特性；,?,减小环形腔激光器的跳模,稳定激光频率；,?,获得激光波长宽带可调谐的激光器；,?,实现多波长激光稳定振荡；,今,年,基于半导体可饱和吸收镜的双波,长可调谐掺铒光纤激光器,少量氟化石墨烯羧甲基纤维素聚,合物复合锁模掺铒
32、光纤激光器,MoSe,2,宽频带可饱和吸收调,Q,Er Yb Tm,共掺光纤激光器,调谐范围,75 nm,的锁模掺铒镱,双包层光纤激光器,后来,窄线宽可调谐光纤激光器、超短脉冲光,纤激光器和高功率光纤激光器仍会是近几,年的热点。,今后掺铒光纤激光器的主要研究方向应,该会集中在,:,?,进一步,提高,光纤激光器的,输出性能,如提,锁模,可调谐,共掺,大功率,高激光器输出功率、线宽压缩；,?,寻找新的激光输出波段,扩展,激光器的,可,调谐范围,；,?,增加超短脉冲,(Ps,和,fs,量级,),峰值的高亮,度激光器；,?,进行激光器,实用化、小型化、智能化,的,研究,2015,年,4,月,10,号,
