環(huán)形腔摻鉺光纖激光器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

許海峰，郝保明

（宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

1 引言

激光器的發(fā)明是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大成就，包括半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器等，已成為科研工作者的研究重點(diǎn).其中，光纖激光器作為第三代固體激光器的代表具有其他系列激光器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，包括：光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、波長可調(diào)諧、激光閾值低、諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片以無須熱電制冷和水冷等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、光纖傳感、激光空間遠(yuǎn)距通信、工業(yè)制造、激光切割、軍事國防、醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域得到成熟應(yīng)用[1].屬于基礎(chǔ)應(yīng)用的光纖激光器，其基本原理、基本組成已成為大學(xué)生必須掌握的基本理論知識(shí)之一，光纖激光器的具體制作也是大學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和學(xué)生必須掌握的基本技能.

為了讓學(xué)生從理論到實(shí)驗(yàn)更加深刻地了解光纖激光器，本文先是從基本原理到基本組成詳細(xì)介紹了光纖激光器的相關(guān)理論，從光纖激光器的搭建、測(cè)試、探索三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，符合理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念.本文的基本路線如圖1所示.

圖1 基本路線圖

2 光纖激光器基本原理

激光形成原理：根據(jù)量子理論，光與物質(zhì)的相互作用可分為原子的自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射三種躍遷過程，是產(chǎn)生激光基本物理思想[2]，如圖2所示.受激輻射產(chǎn)生的光子與引起輻射的光子處于同一光子態(tài)，具有很高的簡并度，因此，在一定條件下，可以通過受激發(fā)射獲得方向、單色性和相干性好而且簡并度高的光，即激光[3].

圖2 原子躍遷示意圖

光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)與其他激光器相同，主要由增益介質(zhì)、諧振腔、泵浦源三部分組成[4]，如圖3所示.以摻雜光纖激光器為例，摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，固定在兩個(gè)反射鏡M1與M2之間可構(gòu)成諧振腔.泵浦源發(fā)射的泵浦光從M1耦合進(jìn)光纖，摻鉺光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子從低能級(jí)E1被激發(fā)躍遷到較高能級(jí)E2上，介質(zhì)被激活，此時(shí)，高能級(jí)粒子數(shù)多于低能級(jí)粒子數(shù)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).若此時(shí)有頻率為的信號(hào)輸入，E2能級(jí)上的粒子受激輻射產(chǎn)生同頻光子，即頻率為γ的信號(hào)在介質(zhì)中不斷放大，且在諧振腔內(nèi)來回震蕩，最終產(chǎn)生頻率為的激光從M2輸出[5].

圖 3光纖激光器基本原理

2.1 光纖激光器基本組成

2.1.1 摻雜光纖

光纖激光器是以摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)，均以三價(jià)離子作為激活介質(zhì)，較常用的摻雜離子有 Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等.其中，摻 Er3+光纖激光器的輸出波長對(duì)應(yīng)光纖通信主要窗口1550nm，且性能穩(wěn)定，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的光纖激光器[6].本實(shí)驗(yàn)也因此采用該種增益介質(zhì).

2.1.2 光學(xué)諧振腔

光學(xué)諧振腔是光纖激光器的基本組成部分之一，用來增強(qiáng)輸出激光的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)和選定激光的波長和方向.光纖激光器諧振腔按構(gòu)成主要有線形諧振和環(huán)形諧振腔兩類，線性諧振腔主要包括F-P腔、光纖光柵諧振腔[7]，本實(shí)驗(yàn)采用了環(huán)形諧振腔.

2.1.3 泵浦源

泵浦是粒子從低能級(jí)到高能級(jí)躍遷的過程，即泵浦源的作用是使光子發(fā)生躍遷，是使激光增益粒子達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激勵(lì)源，常見的泵浦方式主要由電泵浦、化學(xué)泵浦、光泵浦、氣動(dòng)泵浦等四種.其中，用一束光照射工作物質(zhì)并使其中粒子吸收光子能量而發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的光泵浦最被廣泛應(yīng)用，LD泵浦源具有效率高、噪音低、頻率穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[8]，故本實(shí)驗(yàn)采用LD泵浦源.

2.2 環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究

本文采用的增益介質(zhì)為摻鉺光纖（EDF），環(huán)形腔激光器的工作原理為：當(dāng)980nm泵浦源發(fā)射的泵浦光通過EDF時(shí)，EDF中的鉺離子吸收泵浦光，從基態(tài)躍遷到高能級(jí)，且無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)逐漸積累.泵浦光不斷注入，使得上能級(jí)與下能級(jí)之間出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，高能級(jí)的自發(fā)輻射形成熒光光譜.經(jīng)1550nm光纖濾波器選擇的光在環(huán)形腔內(nèi)循環(huán)振蕩，當(dāng)增益大于腔內(nèi)損耗時(shí)，可形成穩(wěn)定輸出.

實(shí)驗(yàn)搭建可分為以下幾個(gè)步驟：第一，準(zhǔn)備所需器件和儀器設(shè)備，如摻鉺光纖、光纖濾波器、光纖耦合器、光纖隔離器、波分復(fù)用器、單模跳線等器件，光功率計(jì)、光譜儀、泵浦激光器、光纖熔接機(jī)等儀器設(shè)備；第二，仔細(xì)閱讀上述器件和儀器設(shè)備的使用說明書，減小實(shí)驗(yàn)中不必要的失誤操作；第三，根據(jù)光路圖用光纖熔接機(jī)依次熔接上述器件，按照熔接步驟認(rèn)真操作，使熔接損耗小于0.05dB，并做實(shí)驗(yàn)記錄；第四，在波分復(fù)用器的輸入端和光纖耦合器的輸出端分別接單模跳線1和2，便于與泵浦激光和功率計(jì)、光譜儀等儀器設(shè)備連接，跳線連接設(shè)備時(shí)提醒學(xué)生，一定要先用棉花蘸取無水酒精擦拭跳線頭端面，后放空氣中靜置幾秒或者輕輕甩干，待酒精揮發(fā)后方可與儀器設(shè)備連接，尤其在與泵浦源連接時(shí)，由于泵浦源出射大功率激光，光纖端面不清潔易燒壞跳線.

圖4 實(shí)驗(yàn)光路圖

實(shí)驗(yàn)裝置如所圖4示，環(huán)形腔摻鉺光纖激光器由以下部分組成：

（1）摻鉺光纖（EDF）：增益介質(zhì)，鉺離子濃度為8.50×1024m-3，其長度為 26m；

（2）光纖濾波器（Fiber Filter）：中心波長為1550nm，3dB帶寬為1.2nm，用于選擇激光器出光波長；

（3）光纖耦合器（Coupler）：耦合器比為20/80，80%端連接隔離器，20%端接跳線后連接功率計(jì)或光譜儀；

（4）光隔離器（ISO）：實(shí)現(xiàn)激光在環(huán)形腔中單向傳播；

（5）980/1550nm波分復(fù)用器（WDM），將980nm的泵浦光耦合進(jìn)環(huán)形腔內(nèi)；

（6）功率計(jì)（PowerMeter）或光譜儀（OSA）：可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光的輸出功率或觀察其光譜特性.

耦合器、隔離器、波分復(fù)用器等光學(xué)器件本身存在不可忽略不計(jì)的損耗，器件之間光纖尾纖熔接損耗等構(gòu)成上述光學(xué)諧振腔腔內(nèi)損耗，所以只有當(dāng)摻鉺光纖的增益大于腔內(nèi)損耗時(shí)才可形成激光，即泵浦激光器的驅(qū)動(dòng)電流需達(dá)到某一值，這個(gè)電流為閾值電流，用Ith表示.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于閾值電流時(shí)，腔內(nèi)可形成納瓦量級(jí)的熒光，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流時(shí)激光器可輸出激光，且功率隨電流增加，呈線性關(guān)系.為使激光器穩(wěn)定輸出，通常希望閾值電流越小越好.

圖5 LD泵浦激光器輸出功率與驅(qū)動(dòng)電流關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)所使用的LD泵浦激光器是通過電流來調(diào)節(jié)激光功率大小，所以在實(shí)驗(yàn)之前首先對(duì)980nm激光器的輸出功率特性進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試，結(jié)果如圖5所示.電流驅(qū)動(dòng)閾值約為50mA，之后隨著電流增大泵浦輸出功率程線性增加，且具有良好的線性度.

圖6 熒光光譜

圖7 激光光譜圖（泵浦功率為39mW）

實(shí)驗(yàn)過程：增加泵浦電流，通過光譜儀觀察環(huán)形激光器的輸出激光光譜特性，當(dāng)泵浦電流較小時(shí)，可觀察到圖6所示的熒光光譜，此時(shí)泵浦功率為36mW.當(dāng)泵浦電流增加到92mA時(shí)，對(duì)應(yīng)泵浦功率37.88mW，輸出圖7所示的激光，其中心波長為1550.170nm，繼續(xù)增加泵浦電流，激光功率隨之線性增加，增加到一定程度時(shí)，激光功率為-0.13dB幾乎保持不變，達(dá)到飽和狀態(tài)，如圖8所示.即此環(huán)形腔光纖激光器的泵浦閾值為37.88mW.

圖8 激光功率與泵浦功率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中，可觀察環(huán)形腔摻鉺光纖激光器存在輸出波長漂移、輸出功率不穩(wěn)定等問題.環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的腔長較長，易受環(huán)境擾動(dòng)，所采取的解決辦法是對(duì)激光器進(jìn)行封裝保護(hù)，根據(jù)小型化、實(shí)用化的要求設(shè)計(jì)合理的封裝，是下一步實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容.光纖環(huán)形摻鉺激光器的輸出功率與摻鉺光纖長度摻雜濃度、耦合器耦合比等參數(shù)有關(guān)，為激發(fā)學(xué)生的科研興趣，可引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)探索摻鉺光纖參數(shù)、光纖耦合器耦合比等對(duì)激光器性能的影響.

3 結(jié)語

本文在詳細(xì)介紹環(huán)形腔摻鉺光纖激光器出光原理、基本組成后，搭建了光纖激光器系統(tǒng)，測(cè)量泵浦激光器的功率-電流關(guān)系，調(diào)節(jié)泵浦電流，通過光譜儀觀察激光器的光譜輸出，泵浦增大到激光器的出光閾值后即有激光輸出.本文總結(jié)突出理論與實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)和提高課堂效率.另外，通過本實(shí)驗(yàn)學(xué)生養(yǎng)成了實(shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀儀器說明書的習(xí)慣和意識(shí)；在環(huán)形腔摻鉺光纖激光器系統(tǒng)搭建過程中，學(xué)生對(duì)光纖熔接機(jī)的規(guī)規(guī)范化和熟練使用也尤為重要，要做到低損耗熔接；光纖跳線與儀器設(shè)備連接時(shí)需擦拭清洗端面.通過本實(shí)驗(yàn)也加深學(xué)生對(duì)光纖結(jié)構(gòu)、光纖耦合器等光器件的了解和對(duì)光譜儀等儀器設(shè)備的熟練使用.實(shí)驗(yàn)過程中提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考和探索，培養(yǎng)學(xué)生科研能力.