1掺镱光纤激光器发展历史

在激光器发明不久后，在 1961 年美国的 Snitzer 报道了世界上个稀土离子在玻璃中产生激光现象，并提出了光纤激光器方面的设想。他采用氙灯泵浦钕钡冕玻璃介质，实现了波长为 1.06μm 的激光输出。

1962 年，H. W. Etzel 等人就实现了在掺 Yb玻璃中的激光产生。在激光发展的初期，Yb 离子并没有得到应用，而掺钕离子（Nd）激光介质得到了迅速的发展。后来 Yb 离子只是作为一种激光的激活离子，与其他稀土离子共掺，以此来提高其他离子的吸收效率。

1989 年，英国Sounthampton 大学的Hanna 研究小组报道了掺镱单模光纤激光器获得连续激光输出。Hanna 采用 840nm 的染料激光器作为泵浦源，实现了4mW 的激光输出，相对应的其斜率效率为 15% 。同时实现了输出激光在1015-1140nm 范围内可调谐。尽管当时实验中光纤的吸收效率较低，但 Hanna 这一工作使人们认识到镱离子的*优势。

1989 年，英国电信实验室的 J. R. Armitage 等人使用 8.6cm 的掺 Yb3+光纤作为增益介质，泵浦源采用 890nm 的 AlGaAs 半导体激光器，实现了镱离子三能级激光跃迁输出激光，斜率效率接近40%。

随着人们对镱离子的关注，科学家们开始对 Yb特性进行深入研究，Yb的能级结构，基态2F7/2 和激发态2F5/2 这两个能级族是镱离子中参与激光产生的主要能级。在室温（25℃）下，由于强烈的均匀和非均 匀展宽，Yb离子在基态斯托克能级中有三个支能级，其中有两个支能级能被分开，分别为 a、b 能级；激发态有两个斯托克能级，其中只有一个 e 能级被分开，因此镱离子具有连续的吸收光谱和辐射光谱。

英国南安普顿大学的 Hanna 等人利用掺 Yb石英光纤的光谱特性，采用多种泵浦方案实现了激光器的运转。Hanna 使用 FP 腔结构，将光纤的一端紧贴高反射率镜，另一端利用光纤端面自身的 4%反射率构成谐振腔，使用波长900nm泵浦源，光纤长度为0.5m。大输出功率为15.7mW，输出波长为 1036nm，斜率效率为 77%。 随后，Hanna 等人使用掺Yb3+光纤还实现了在1083nm 的激光功率放大。

该小组还发现了不同成分掺镱石英光纤镱离子（介于 1%和 90%比例之间）的一小部分激发态的寿命具有很小的值。这意外的行为可能是一个尚不明确的杂质或结构上的缺陷（色心）引起。它可以严重降低了掺镱激光器和放大器的性能（包括 ER/Yb共掺光纤作为通信放大器），特别是如果泵或信号波长 976 纳米左右。Hanna 小组测试 Yb 离子在激发态的寿命约为 0.76ms。

此外，法国的科学家也开展了很多工作。例如：1993 年，Bayon 在实现了在掺镱光纤中刻写光纤光栅，并以光纤光栅做腔镜，实现了激光波长在 1020nm 的高功率（> 0.2 瓦）和高量子效率（> 80%）石英光纤激光器，泵浦波长范围为 850nm。2002 年，S. Magne 对掺镱光纤的发射和吸收截面进行研究，得出实验数据，并得出激发态寿命和自发辐射寿命。通过这些数据，建立光纤激光器的增益模型，并且优化了泵浦光为 976nm 的三能级光纤激光器的光纤长度。 

2掺Yb双包层光纤激光器

随着大功率半导体激光器以及掺杂稀土离子的双包层光纤制作工艺的日渐成熟,光纤激光器得到了迅速的发展。脉冲激光输出的光纤激光器由于具有接近衍射极限的良好的光束质量、较高的单脉冲能量、体积小等优点,在激光加工、光纤通信、医疗以及非线性光学等领域得到了广泛的应用。掺Yb双包层光纤是在1um波段获得高功率激光输出的重要的产品之一。

双包层光纤的基本结构

1985年,南安普顿大学的Poole等用化学气相沉积法（MCVD）制成了低损耗的掺铒光纤,并用这种单模光纤研制了光纤激光器,使得光纤激光器得到了迅速地发展。

早期的光纤激光器采用单模光纤作为增益介质,光纤由掺杂稀土元素的纤芯、包层和涂覆层组成。纤芯的折射率比包层的折射率大,满足一定条件时,光被限制在纤芯中传播,泵浦光和信号光在纤芯中长距离范围内相互作用,使得光纤的增益系数很大,理论上可以得到高功率的激光输出。然而,利用单模光纤制作光纤激光器,要求系浦光必须被精合到纤芯中才能被掺杂离子吸收,从而转换为信号光输出,这就要求果浦半导体激光器必须是单模输出。但是这种单模输出的半导体激光器价格昂贵,且难以实现高功率的激光输出。这就使光纤激光器的输出功率受到很大限制。

80年代末期,美国麻省Polaroid Corporation和南安普顿大学的研究人员发展了包层系浦光纤激光器,不再将系浦光直接耦合到纤芯中,而是祸合到尺寸较大的内包层里面,改变光在内包层中的传输特性,使光透过纤芯时能够被掺杂离子吸收。包层泵浦技术的使用使得光纤激光器的功率和效率大大改善,为光纤激光器的进一步发展奠定了基础。光纤激光器的包层泵浦技术采用双包层稀土掺杂的光纤作为增益介质。双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和涂覆层四部分组成,其纤芯的折射率高,可保证激光在纤芯中振荡,输出的激光模式由纤芯决定。内包层的折射率高于外包层的折射率,使泵浦光在内包层中传播。光纤的涂覆层构成光纤的保护层。双包层光纤激光器工作时,系浦光被直接耦合到内包层中,因而泵浦效率较高。泵浦光在内包层以多模形式传播,多次透过纤芯,从而被掺杂离子吸收,实现双包层光纤的全长度系浦。这里,内包层主要起到两个作用:（1）将激光限制在纤芯中;（2）传导多模泵浦光,使其被纤芯吸收并转换为激光输出。内包层具有较大的横向尺寸和数值孔径（NA）时,降低了泵浦光称合难度,可把更大功率的系浦光导入光纤,与传统的单包层光纤激光器相比,大大提高了祸合效率和入纤系浦功率,从而获得高功率的激光输出。通过改变内包层和外包层的折射率可以获得较大的内包层的NA值,通常情况下,使用较低折射率的材料作外包层来提高内包层的NA值。

掺杂离子吸收的泵浦光越多,激光器输出的激光功率就会越大。初设计的双包层光纤采用圆形的内包层,具有制作工艺简单,容易B接等优点。但是由于内包层的圆对称性,泵浦激光在光纤中传输时,大部分光为弧矢光,不会透过纤芯,只有很少一部分12光会透过纤芯,导致掺杂离子对泵光吸收很小,输出的激光功率不大。这就需要改进双包层光纤的结构和材料,使更多的泵浦光能够通过纤芯。

为了解决这一问题人们主要采用了两种方案。一是采用偏心法,将纤芯放置在偏离圆心的位置,使大量的弧矢光线的系浦光可以通过纤芯;二是改变内包层的几何形状,打破了内包层的圆对称结构,有效地提高了双包层光纤对系浦光的吸收效率。

3光纤激光器的果浦技术

双包层光纤激光器的主要系浦源是大功率的多模半导体激光器。一种为Oclaro公司的带尾纤输出的多模带保护半导体激光器,输出波长为975nm,输出大功率为25W,实验中是作为种子源的系浦源。另外一种是JDSU的带尾纤输出的单管多模半导体激光器,中心波长为915nm,高输出功率为10W,实验中是做为放大器的泵浦源。这两种半导体激光器的输出光纤尺寸均为105/125^im,NA为0.22,输出光纤为裸纤,容易与标准光纤器件进行辉接,并且在1.06|am附近均镀了保护膜,可以防止光纤中产生的激光返回到泵浦源中损坏半导体激光器。

经过几十年的发展,光纤激光器的包层泵浦方式主要采用端面泵浦技术、V型槽侧面系浦技术、角度侧面系浦精合、嵌入反射镜式泵浦祸合、多模光纤融锥侧面系浦技术以及GT--Wave光纤式泵浦技术等。其中,端面泵浦技术为简单,系浦光经过一个聚焦透镜后赖合到双包层光纤的内包层中,选择合适的聚焦透镜可以提高祸合效率。这种泵浦方式比较适合于实验室使用,可以选择正向果浦、反向录浦或者是双向泵浦三种方式。但是利用这种泵浦方式的光纤激光器与其他光纤器件无法直接融合,需要通过空间耦合,因此对环境要求比较高,稳定性较差。而使用尾纤输出的光纤器件可以有效地解决这一问题,带有尾纤输出的系浦半导体激光器可以直接熔接,便于实现光纤激光器的全光纤化,且容易与其他的光纤器件相匹配。

4Yb离子在石英坡璃中的基本特性

1985年,南安普顿大学S.B.Poole等人成功制成了低损耗掺杂稀土离子的光纤，随后该小组又利用掺Er光纤研制了掺铒光纤放大器（EDFA）,使光纤通信真正发展起来。在研究EDFA的同时,人们发现有很多其他的稀土掺杂离子能够产生激光,例如Er、Nd、Yb、Tm等掺杂离子,因此将目光转向掺杂这些稀土离子的光纤放大器的研究,期望得到相应波长的高功率激光输出。在后来的研究中,人们发现掺Yb光纤具有很多优势,利用掺Yb光纤研制的光纤激光器具有较高的斜率效率和光光转换效率,可以在1um波段得到高功率的激光输出,从而使掺Yb的光纤激光器迅速发展起来。本论文主要研究的是利用掺Yb光纤实现高功率的脉冲激光输出。

与其他掺杂离子相比,掺Yb光纤具有诸多优点,首先其能级结构简单,只有两个多重态展开的能级:基能级2F7/2和上能级2F5/2。与氟化物材料相比,石英坡璃是Yb离子的基底材料,掺杂在石英坡璃中,由于石英坡璃中电场分布不均匀,Yb离子的能级会发生明显的Stark分裂,使基级变成四个分裂能级,上能级变成三个分裂能级。两个能级间隔较远,约在1000cm左右,难以发生交叉地豫现象,可以有效抑制浓度淬灭效应,由于没有更高的能级结构而没有激发态吸收（ESA）。

与其能级结构想对应的石英光纤中的Yb离子的吸收和发射截面,Yb离子具有很宽的吸收谱线,在915nm和975nm附近有两个吸收峰,在975nrn和1040nm附近有两个发射峰。Yb离子在975nm处的吸收截面很高,比在915nm处约大三倍,选用975nm的半导体激光器作为泵浦源有利于缩短腔长,但是其吸收谱很窄,受泵浦激光波长变化影响很大,因此需要进行严格的温度控制。相比之下,采用915nm输出的半导体激光器作为泵浦源时,泵浦波长漂移几个纳米对Yb离子的吸收影响不大,因此不需要温度控制。

5掺镱增益介质

Yb 离子的能级结构很简单，只有两个多重态展开的能级2F7/2和2F5/2，由于 Stark 效应，2F7/2展宽成四个子能级，2F5/2则展宽成三个子能级，由于 Yb 离子的能级结构中没有其它的上能级存在，因此在泵浦波长和激光波长处不存在激发态吸收。正因为它的粒子损耗很小，使得激光器在高功率运转情况下有较高的转换效率和较低的热效应；而且 Stark 能级的展宽使得激光器的增益带宽很大（975nm~1200nm）；Yb离子的上能级寿命比较长（通常在1毫秒左右），上述因素都有利于调 Q 技术。然而这种很小的粒子损耗同样有它的弊端——在短波长有显著的三能级行为。激发态2F5/2的 Stark 子能级 e 和 f 分别对应于 975nm 和 915nm 的吸收峰，而波长 915nm 的泵浦到能级 f上的粒子会快速地*跃迁弛豫到能级 e 上。从能级 e 到基态2F7/2可发生两种不同类型的激光跃迁：

（1）三能级跃迁：激光波长为 975nm（从 Stark 能级 e 跃迁到 Stark 能级 a）；

（2）四能级跃迁：激光波长从1010nm 到 1200nm（从Stark 能级 e跃迁到 Stark能级 b、c、d）。

一般地，激光器工作在三能级系统还是四能级系统与激光波长、抽运波长及光纤长度有关。大致可以认为工作波长在 1μm 以下时，激光系统以三能级工作，工作波长在 1μm 以上时，激光系统以四能级工作。本文主要涉及光纤激光器的工作波长在 1μm 以上，因此以四能级系统为模型。

在室温下，Yb 离子的吸收截面和发射截面，吸收峰主要对应于波长 915nm（谱宽大约为 50nm）和波长 976nm（谱宽大约为10nm），发射峰对应于三能级的 975nm（谱宽大约为 10nm）和四能级的 1036nm（谱宽大约为 50nm）。由于它的吸收谱带较宽，使得泵浦光源的选择具有更多的灵活性，而宽的发射谱带利于实现很宽的波长调谐范围和超短光脉冲的激光输出。还可以看出，在 975nm 处的吸收峰和发射峰重合，因此，当用 915nm 的半导体激光器泵浦时，在 976nm 处会出现很强的放大自发辐射（ASE）效应；而用 980nm的半导体激光器泵浦时，虽然泵浦的效率会降低，但能有效地抑制 975nm 处很强的放大自发辐射（ASE）效应；正因为 980nm 泵浦波段靠近吸收峰和发射峰，使得它的泵浦效率随波长变化明显。