脈沖光纖激光器1概述

光纖激光器是采用光纖作為激光介質(zhì)的激光器，通過在光纖基質(zhì)材料中摻雜不同的稀土離子，獲得所對應(yīng)波長的激光輸出。摻雜的離子種類有摻鉺(Er)、摻釹(Nd)、摻鐠(Pr)、摻鈥(Ho)、摻鐿(Yb)、摻銩(Tm)等。

光纖激光器(Fiber Laser)是指采用摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì),由栗浦源所產(chǎn)生的泉浦光在光纖纖芯內(nèi)形成高功率密度使得摻雜稀土離子能級形成"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)",適當加入正反饋回路構(gòu)成諧振腔時便可產(chǎn)生激光。光纖激光器的果浦光被稱合進入摻雜稀土金屬離子光纖,粟浦波長上的光子被介質(zhì)吸收形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),最后在光纖介質(zhì)中因受激福射產(chǎn)生激光。由于摻雜稀土光纖同時起著導(dǎo)波作用因此光纖激光器是波導(dǎo)型的諧振裝置。光纖激光器實際上是Fabry-Perot諧振腔(F-P)結(jié)構(gòu)式的波長轉(zhuǎn)換器,在栗浦波長上的光子被增益介質(zhì)吸收形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),最后在增益介質(zhì)中因受激發(fā)射產(chǎn)生激光。

光纖激光器誕生于20世紀60年代初，已經(jīng)有五十多年的發(fā)展史。隨著光纖通信技術(shù)、光纖制造工藝以及與激光器技術(shù)的日趨成熟而迅猛發(fā)展，特別是20世紀90年代后期，隨著半導(dǎo)體激光器及摻雜光纖制作技術(shù)的日益成熟，光纖激光器的研究取得了重大進展，輸出功率、波長調(diào)諧范圍等性能得到了顯著提高，適用于各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的光纖激光器紛紛面世。

典型光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)主要由三部分組成:產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激發(fā)增益介質(zhì)的泵浦源。其中，增益介質(zhì)為摻雜稀土離子的纖芯。

在脈沖光纖激光器方面，光纖激光器實現(xiàn)脈沖輸出的方式與普通的激光器一樣主要采用鎖模技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和脈沖種子源放大技術(shù)。

調(diào)Q光纖激光器是在諧振腔內(nèi)插入Q開關(guān)器件，通過周期性改變腔損耗，實現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光輸出。南安普頓大學(xué)采用纖芯直徑40 μm、數(shù)值孔徑0.06的大模場面積摻鐿光纖調(diào)Q，獲得了脈沖能量1.2 mJ的窄脈沖寬度(37 ns)、高光束質(zhì)量(M2=1.1)脈沖激光輸出。由于光纖激光器中較長的增益介質(zhì)，很難獲得更窄的脈沖寬度激光輸出。

為了獲得高峰值功率、高能量的脈沖激光輸出，主要是利用主振蕩功率放大技術(shù)(MOPA)來實現(xiàn)。2005年，密西根大學(xué)采用調(diào)制的半導(dǎo)體激光器作為脈沖種子光源，通過四級光纖放大，實現(xiàn)1 064 nm的巨脈沖能量輸出。兩級單模光纖預(yù)放大后，激光的單脈沖能量由10~30 nJ放大到約38 μJ。再經(jīng)過一級功率放大(LD功率40 W、波長980 nm抽運的纖芯直徑50 μm雙包層光纖)和二級功率放大(LD功率200W、波長915 nm 抽運的纖芯直徑200 μm 雙包層光纖)，實現(xiàn)了巨脈沖能量的激光輸出:當脈寬500 ns時，得到的單脈沖能量達82 mJ;脈寬50 ns時的單脈沖能量為27 mJ;脈寬4 ns時的脈沖峰值功率為2.4MW。

2005年，F(xiàn) D Teodoro利用雙包層摻鐿的光子晶體光纖作為脈沖放大的增益光纖，實現(xiàn)了脈沖寬度450 ps、脈沖能量0.7 mJ，峰值功率1.5 MW、近衍射極限(M2=1.05)的脈沖激光輸出。接著，他們又利用纖芯直徑140 μm的多模鐿纖放大該輸出激光，實現(xiàn)了4.5 MW的高能量脈沖激光輸出。

2008年，F(xiàn) Di Teodoro等人利用大芯的摻鉺光纖，在超短的皮秒脈沖范圍內(nèi)，已經(jīng)實現(xiàn)了峰值功率1.2MW的脈沖激光輸出[10]。2005年，南安普頓大學(xué)的研究員，在纖芯直徑43 μm，數(shù)值孔徑0.09的雙包層摻雜光纖實現(xiàn)了脈沖寬度20 ps、光束質(zhì)量M2=2.4、平均功率321 W的脈沖激光輸出。

2009年Bülend ortac等用大模場面積的摻Y(jié)b光纖制作得到自啟動的平均功率9W的飛秒脈沖輸出，重復(fù)頻率9.7 MHz，脈沖能量927 nJ，接近微焦量級。

2009 年Alexey Andrianov 等通過摻鉺光纖放大器和色散降低光纖(DDF)、高非線性單模光纖(HN?SF)和普通單模光纖(SMF-28)對被動鎖模的摻鉺振蕩器輸出的230 fs，600 MHz，波長為1.57 μm的脈沖進行放大和壓縮，并得到20~25 fs，調(diào)諧范圍為1.57~2.1 μm的飛秒激光輸出。

2010年J. Lhermite等用摻Y(jié)b光纖作增益介質(zhì)，利用非線性偏振技術(shù)在全正色散域鎖模獲得了中心波長在976 nm，重復(fù)頻率為40.6 MHz，平均功率為480 mW的激光脈沖，經(jīng)過腔外體光柵壓縮后可獲得286 fs的超短脈沖輸出。

2010年K. Kieu等用摻Er光纖激光器產(chǎn)生脈沖后，經(jīng)摻鉺光纖放大展寬后，再由SMF28光纖對脈沖進行壓縮進入高非線性光纖(HNLF)后獲得超連續(xù)譜(1~2μm)抽運摻Y(jié)b光纖并放大后獲得高能量的超短脈沖輸出，經(jīng)過腔外體光柵壓縮后可獲得135 fs和11.5 W平均功率的超短脈沖輸出。

2011年S.H?drich等研究了通過兩級放大獲得高平均輸出功率的摻Y(jié)b光纖激光器，并用BBO晶體對輸出飛秒脈沖進行了倍頻輸出。該系統(tǒng)在中心波長1 040 nm時有不同的重復(fù)頻率，系統(tǒng)經(jīng)過二級預(yù)放和一級主放獲得足夠能量的脈沖，經(jīng)光柵對壓縮后得到406 fs，平均功率225 W的脈沖輸出。

2011年J. Lhermite等又利用纖芯和包層直徑分別為80 μm和200 μm的摻鐿棒狀光纖作為增益介質(zhì)產(chǎn)生了中心波長為976 nm，單脈沖能量為500 nJ，脈沖寬度為460 fs，重復(fù)頻率8.4 MHz，平均功率4.2 W的超短脈沖輸出。

2011年美國密歇根大學(xué)的Bai Nie等設(shè)計了一種雙包層摻鐿全正常色散飛秒光纖激光器，該激光器具有一個窄的內(nèi)腔式濾光器，產(chǎn)生的脈沖能量22 nJ，重復(fù)頻率42.5 MHz，通過多光子脈間干涉相位掃描技術(shù)將脈沖壓縮到42 fs，單脈沖能量10 nJ。

2011年康奈爾大學(xué)的研究人員使用正常色散鎖模銩光纖激光器產(chǎn)生0.4 nJ的脈沖能量，輸出脈沖經(jīng)過消除啁啾后為470 fs。2012年Frithjof Haxsen等使用高非線性光纖和摻Tm光纖，并通過非線性偏振演化(NEP)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡混合鎖模以及小芯徑、大數(shù)值孔徑光纖進行色散補償，得到單脈沖能量0.7 nJ，波長1 927 nm，482 fs的飛秒激光脈沖輸出。

2012 年A.Chamorovskiy 等得到中心波長為1160 nm的半導(dǎo)體碟片激光器抽運的被動鎖模飛秒光纖激光器。在波長2 085 nm處產(chǎn)生了890 fs，功率46mW的脈沖輸出，該波長是目前飛秒光纖激光器最長的輸出波長。

調(diào) Q 的原理是在激光器內(nèi)加入一個損耗可調(diào)節(jié)器件，在大部分時間區(qū)域內(nèi)，激光器的損耗很大，幾乎無光輸出，在某一個極短的時間內(nèi)，減小器件的損耗，從而使激光器輸出一個強度極高的短脈沖。可以通過主動或者被動方式實現(xiàn)調(diào) Q光纖激光器。主動技術(shù)一般是在腔內(nèi)加入一個強度調(diào)制器，來控制激光器的損耗。被動技術(shù)是利用飽和吸收體或者其它非線性效應(yīng)例如受激拉曼散射、受激布里淵散射等形成調(diào) Q 機制。一般通過調(diào) Q 方法產(chǎn)生的脈沖在納秒量級。若想產(chǎn)生更短的脈沖則可以通過鎖模方法實現(xiàn)。

可以通過主動鎖模或者被動鎖模方法來產(chǎn)生超短脈沖。受限于調(diào)制器的響應(yīng)時間，主動鎖模產(chǎn)生的脈寬較寬一般為皮秒量級;被動鎖模利用的是被動鎖模器件，響應(yīng)時間很短，可以產(chǎn)生飛秒量級的脈沖。下面簡單介紹一下鎖模原理。 一個激光諧振腔里面有著無數(shù)個縱模，對于環(huán)形腔來說，縱模頻率間隔等于/CC L ，C 為光速，CL 為信號光在腔內(nèi)往返一周的光程長度。一般來說光纖激光器的增益帶寬較大，會有大量的縱模同時運轉(zhuǎn)，激光器所能容納的模式總數(shù)取決于縱模間隔 ?ν 和增益介質(zhì)的增益帶寬?？v模間隔越小，介質(zhì)的增益帶寬越大，則能支持的縱模數(shù)越多。反之，則越少。

對于光纖激光器來說，輸出光場的特性取決于縱模的相位特性。如果所有模式相互獨立，其相位間沒有確定的關(guān)系，激光器的輸出特性是多縱模振蕩;如果所有模式有確定的位相關(guān)系，則輸出的激光信號是超度脈沖，且峰值功率較大。

當激光器處于多縱模振蕩時，激光頻譜是由等間隔縱模構(gòu)成，振幅是無規(guī)則的，相位在 ?π 到 +π 之間隨機分布;在時域內(nèi)，其相位也是在一定范圍內(nèi)無規(guī)則起伏，導(dǎo)致強度分布類似噪聲。當用響應(yīng)時間為 T 的器件探測此激光器的光強時，接收到的光強 I (t )是所有滿足激光器振蕩條件的所有縱模光強的疊加。

由于各縱模之間相位彼此相互獨立無特定的位相關(guān)系，所以各縱模之間的相干項在時間平均下為零，輸出光強是各個縱模平均輸出光強之和，不會出現(xiàn)相干脈沖輸出，此即為多模自由振蕩激光器。

與多模自由振蕩激光器相反，如果能采取合適的措施，使相互獨立的縱模在相位上存在一定的關(guān)系，即使得相鄰縱模的位相差為一常數(shù)，則激光器的輸出特性將大為不同，將會輸出脈寬極窄、高峰值功率的脈沖。

脈沖之間的光強接近于 0。也可以通過頻譜分析儀觀察鎖模脈沖序列，如果激光器鎖模后，則頻譜儀會出現(xiàn)一系列穩(wěn)定的等間距的尖峰，間距就是腔內(nèi)的縱模間隔。如果激光器是自由振蕩，則頻譜儀上的信號是一些列不穩(wěn)定無規(guī)則的尖峰。

由于孤子激光器的功率低，脈寬較寬且有克利邊帶，要輸出更高功率，更短的脈沖，一個方法就是引入展寬脈沖光纖激光器，也叫色散管理孤子光纖激光器，其基本原理就是在激光諧振腔中引進正負色散兩種光纖進行色散管理，這樣諧振腔中的脈沖來回振蕩的時候被周期性地展寬壓縮，減少了一個周期內(nèi)累積的非線性相移，可以提高激光器輸出的單脈沖能量，用這種方法可以產(chǎn)生納焦的飛秒脈沖。同時由于腔內(nèi)色散是變化的，克利邊帶將無法產(chǎn)生，得到底座小的高質(zhì)量脈沖(剩下的底座是高階色散引起)。要用這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生增益帶寬極限的脈沖，腔內(nèi)和腔外的色散均需要優(yōu)化。

超短脈沖激光器最直接的應(yīng)用就是作為超快光源，形成多種時間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)，作為飛秒固體激光放大器的種子光源，可用于光纖型光參量振蕩器與放大器系統(tǒng)，并可使用周期性極化鈮酸鋰(ppln)進行高效倍頻或頻率轉(zhuǎn)換。它的發(fā)展帶動了物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進入微觀超快過程領(lǐng)域。超短脈沖光纖激光器在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)學(xué)、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前開發(fā)的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)+ 比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有er3+、yb3+、nd3+、pr3+、tm3+、ho3+。%光纖激光器由泵浦源& 增益介質(zhì)腔鏡組成。 基本結(jié)構(gòu)如圖(所示)其中l(wèi)d發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器進入光纖，使光纖中摻雜元素原子激發(fā)%腔鏡為二色鏡，反射輸出激光，對泵浦光增透% 與固體激光器相同，光纖激光器也是根據(jù)鎖模原理產(chǎn)生短脈沖激光輸出的% 光纖激光器在增益帶寬內(nèi)的大量縱模上運轉(zhuǎn)時，當各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差為常數(shù)時實現(xiàn)鎖模，諧振腔內(nèi)循環(huán)的單個脈沖經(jīng)過輸出耦合器輸出能量%根據(jù)鎖模方式不同，可分為主動鎖模光纖激光器和被動鎖模光纖激光器%由于主動鎖模調(diào)制能力有限，限制了鎖模脈沖的寬度，脈沖寬度通常為+ ,量級%被動鎖?；蜃枣i模光纖激光器是利用光纖或其它元件中的非線性光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)鎖模的，激光器結(jié)構(gòu)簡單，在一定條件下不需要插入任何調(diào)制元件就可以實現(xiàn)自啟動鎖模工作。通常自啟動被動鎖模光纖激光器可以輸出/,量級的超短脈沖。

由塊狀工作物質(zhì)及各種光學(xué)元件組成的傳統(tǒng)固體激光器存在體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松、可靠性差等缺點%而光纖激光器有以下特點: 1 增益介質(zhì)長， 能方便地延長增益長度使抽運光充分吸收，光-光轉(zhuǎn)換效率超過60% 2 光纖激光器表面積/體積比大，其工作物質(zhì)的熱負荷相當小，光纖中的場主要約束在纖芯內(nèi)，使纖芯中的場強很大，加之光纖的低損耗又使這種高光強可以保持很長距離，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率 (140nw/cm2) 3 易實現(xiàn)單模、單頻運轉(zhuǎn)和超短脈沖 4 光纖激光器體積小且結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，使用方便 5 激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455~3500nm)設(shè)計與運行，使光纖激光器可調(diào)%由于光纖激光器具有以上特點，因此采用光纖作為振蕩器產(chǎn)生超短脈沖激光比傳統(tǒng)固體激光放大器更具優(yōu)勢。