光纖激光器的發(fā)展現(xiàn)狀研究

王海燕，王常春

(吉林化工學(xué)院 理學(xué)院，吉林 吉林 132022)

20世紀(jì)80年代，英國(guó)南安普頓大學(xué)的S.B.P.oole偶然發(fā)現(xiàn)MCVD能夠制造出一種低損耗的摻餌光纖，使光纖激光器的發(fā)展又前進(jìn)了一步[1].Interpublic公司在德國(guó),在2000年,該公司獲得了1億美元的風(fēng)險(xiǎn)資本行業(yè),展示了它在業(yè)界各種優(yōu)秀的光纖激光器和放大器，并且還介紹了一系列的光纖激光器和放大器與其他稀土元素?fù)诫s.目前，IPG光纖激光器的多模輸出功率已達(dá)到數(shù)萬(wàn)瓦；超快脈沖激光器的峰值功率約為1GW.英國(guó)的SPI和德國(guó)的IPHT也是高度發(fā)達(dá)和制造的，他們現(xiàn)在正在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)新產(chǎn)品.綜上所述，美國(guó)、歐洲和亞洲的幾個(gè)千瓦級(jí)光纖激光器已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)加工或科學(xué)研究領(lǐng)域.光纖激光器有許多應(yīng)用.

用二氧化硒作為基礎(chǔ)材料的固體玻璃纖維叫做光纖,利用的是光的全反射原理.當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，折射角將大于入射角.當(dāng)入射角增大到某一數(shù)值時(shí)，折射角將達(dá)到90°，該入射角稱為臨界角.若入射角大于臨界角，則無(wú)折射，全部光線均反回光密介質(zhì)，這時(shí)在光疏介質(zhì)中將不會(huì)出現(xiàn)折射光線，這就是全反射.光纖裸纖由中心高折射率玻璃芯、中低折射率硅玻璃涂層和最外層的增強(qiáng)樹脂涂層三種物質(zhì)組成.光線在纖芯傳送，當(dāng)光纖射到纖芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光纖透不過(guò)界面，會(huì)全部反射回來(lái)，繼續(xù)在纖芯內(nèi)向前傳送，而包層主要起到保護(hù)作用.光纖有單模光纖和多模光纖兩種傳播方式.單模光纖中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10 μm)，只能傳一種模式的光纖，其色散很小.多模光纖的核心直徑較粗，可以傳輸多種模式的光，但其模間色散大.

激光作為人類有史以來(lái)最重大的發(fā)明之一，具有能量密度高，單色性好和準(zhǔn)直性優(yōu)良的特點(diǎn)，所以成為了現(xiàn)代科學(xué)研究中最具重量級(jí)的工具之一.美國(guó)人Maiman在1960年研發(fā)出了有史以來(lái)人類第一款紅寶石激光器，隨后出現(xiàn)了第一臺(tái)光纖激光器，但是由于當(dāng)時(shí)光纖制作技術(shù)和光纖器件的限制，光纖激光器領(lǐng)域的研究也幾乎停滯.而上世紀(jì)八十年代后由于光纖技術(shù)和半導(dǎo)體激光器泵浦方面的技術(shù)快速發(fā)展，光纖激光技術(shù)有了極速的發(fā)展.

1 光纖激光器

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出出來(lái).在泵浦光作用下光纖內(nèi)很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”,當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu)成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出.

1.1 稀土摻雜光纖激光器

稀土摻雜光纖在相當(dāng)多領(lǐng)域都有著重大作用，尤其放大器，傳感器和光纖激光器.它的結(jié)構(gòu)是圓柱形，芯的直徑較小，所以它能夠輕松的降低閾值，提高它的散熱功能.而因?yàn)樗男緩酱笮∨c通信光纖匹配,耦合效率高,所以它是讓全光通信的基點(diǎn)[2].

通常將稀土元素離子摻雜到光纖纖芯來(lái)使光纖成為激光介質(zhì)，進(jìn)而制作稀土摻雜激光器.將大功率激光二極管發(fā)出的光通過(guò)特殊構(gòu)造耦合到一起作為增益介質(zhì)，這部分光子的能量造成介質(zhì)電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后再通過(guò)自發(fā)輻射釋放電子能量向低能級(jí)躍遷，造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，受激輻射光波就是這樣經(jīng)過(guò)不斷震蕩造成激光輸出摻雜的稀土離子的種類限制了有源光纖的工作波長(zhǎng)范圍，圖1介紹了摻鉺、銩、鈥的工作波長(zhǎng)范圍[3]：

Operuting wavelength/nm圖1 摻鉺、銩、鈥光纖的工作波長(zhǎng)

1.2 雙包層光纖激光器

雙包層光纖激光器的發(fā)展還是比較不錯(cuò)的，并且它能代表新類型的光纖激光器的發(fā)展層次，它能夠不需要泵能量，就耦合一些半徑比較小的光纖模場(chǎng)當(dāng)中.這幾年光纖激光器受到廣泛關(guān)注就因?yàn)檫@個(gè)優(yōu)點(diǎn)[4].

圖2 雙包層光纖的結(jié)構(gòu)示意圖

雙包層光纖激光器的拉纖維核心,包層,外包層和保護(hù)層的熔覆層內(nèi)部和外包同心圓形截面結(jié)構(gòu),纖維芯單模光纖的核心,有一個(gè)很大的折射指數(shù),它是用來(lái)傳輸單模光信號(hào),內(nèi)包層具有相同的材料和普通光纖的核心,其在纖維芯的折射率和外包層之間,它用于傳輸多模泵.折射率外包層最小.內(nèi)層包層和纖維芯構(gòu)成了一個(gè)大的纖維芯，用于輸送泵，通過(guò)摻雜和吸收的方式反復(fù)進(jìn)行，從而使光纖核心中的光傳播比例增加[5].圖2是雙包層光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖.

1.3 光子晶體光纖激光器

不一樣的介電常數(shù)的介電常數(shù)周期性排列，使光的色散曲線形成一種帶狀結(jié)構(gòu)，帶之間有幾率出現(xiàn)一種像半導(dǎo)體的帶光子帶隙，頻率的頻率禁止中心.這種帶光子帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)被我們叫做“光子晶體”.光子晶體能夠抑制自發(fā)輻射[6].

如果光子晶體被引入某種程度的缺陷，與缺陷頻率相匹配的光子可能被限制在缺陷位置，一旦出現(xiàn)偏差，光就會(huì)迅速衰減.通過(guò)利用缺陷將光與特定的位置結(jié)合起來(lái)，光就不能向任何方向移動(dòng).光子晶體使由兩維光子晶體構(gòu)成的，我們也可以稱它為微結(jié)構(gòu)光纖.

光子晶體光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)還是比較多的，尤其與傳統(tǒng)的光纖激光器比較，如：無(wú)截止時(shí)間單模傳輸特性、可調(diào)、高非線性、高雙折射特性等色散特性的求解[7].

并且它能夠簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)廣大的長(zhǎng)度區(qū)域，內(nèi)包覆高數(shù)值孔徑.能夠有效的保持一個(gè)好的光束質(zhì)量，然而傳送的激光器還是難以實(shí)現(xiàn)的.國(guó)外已經(jīng)研究出很多優(yōu)良的光子晶體光纖激光器，然而在國(guó)內(nèi)因?qū)ζ溲芯枯^晚，所以國(guó)內(nèi)對(duì)于它的報(bào)道相對(duì)較少.圖3是光子晶體光纖激光器.

圖3 光子晶體光纖激光器

1.4 被動(dòng)鎖膜光纖激光器

從激光器被研發(fā)出來(lái)開始，光學(xué)等很多領(lǐng)域利用這個(gè)開始興起，尤其升級(jí)超快光學(xué)的興起，它可以讓鎖膜激光器產(chǎn)生超短脈沖.這種脈沖在光通信領(lǐng)域，能夠很長(zhǎng)距離的進(jìn)行傳輸，并且它的速度很快[8].于1963年，第一個(gè)被動(dòng)鎖膜激光器被人們研發(fā)出來(lái)，并迅速成為研究的熱點(diǎn).

光纖技術(shù)發(fā)展的越來(lái)越好，越來(lái)越成熟，所以它的應(yīng)用范圍被逐漸擴(kuò)大，不只是應(yīng)用到工業(yè)方面了.被動(dòng)鎖模光纖激光器可以輸出超短脈沖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，與光纖兼容容易，生產(chǎn)成本低，同時(shí)具有超短脈沖固體激光器的優(yōu)點(diǎn)[9,10].

同時(shí),可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)范圍很小,和單色性差、線條寬度大于100千赫.不過(guò)被動(dòng)鎖膜光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)還是比較優(yōu)異的，表1是它的優(yōu)點(diǎn)總結(jié).

表1 被動(dòng)鎖膜光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)

2 結(jié) 論

文章對(duì)不同種光纖激光器性能，結(jié)構(gòu)的對(duì)比，得到光纖激光器具有單色性好、性能穩(wěn)定、耦合效率高、輸出波長(zhǎng)可調(diào)等多種優(yōu)點(diǎn).其中雙包層光纖激光器是光纖激光器中的新型代表，它相對(duì)于普通激光器來(lái)說(shuō)耦合效率更高，成本更低；光子晶體光纖激光器與傳統(tǒng)的光纖激光器比較，簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)更大的長(zhǎng)度區(qū)域，內(nèi)包覆高數(shù)值孔徑；被動(dòng)鎖膜光纖激光器防塵性高、兼容性好、溫度穩(wěn)定性高、制造成本低的特點(diǎn).

為了提高光纖激光器的性能，使其更加實(shí)用.其一，我們應(yīng)不斷改進(jìn)泵光耦合技術(shù).其二，研制出適合的光學(xué)諧振腔.

光纖激光器雖然發(fā)展的很好，但還有幾點(diǎn)需要我們不斷的去改進(jìn)，會(huì)對(duì)其發(fā)展產(chǎn)生更好的促進(jìn)作用：

1.使光纖光柵的性能得到改善，并在光纖激光器中得到了很好的應(yīng)用；2.使光纖激光器在脈沖和線寬方面更窄，輸出功率更大，調(diào)諧范圍更寬；3.使纖維激光發(fā)展的更實(shí)用.