張寧

[摘要]隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖激光器已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一個研究熱點。光纖激光器是第三代激光技術(shù)發(fā)展的成果，并且在全光纖通信中起著核心的作用。對摻銩光纖激光器的結(jié)構(gòu)與特性進行了研究，探討了摻雜稀土離子銩的光纖的增益性質(zhì)，分析了銩離子的能級結(jié)構(gòu)與輻射特性，建立了粒子速率方程，討論了摻雜銩離子的濃度對光纖長度的影響，進行了仿真實驗。探討了光纖光柵的特點，分析了Bragg 光柵構(gòu)造光學(xué)諧振腔的功能，光纖Bragg 光柵是制造全光纖激光器的關(guān)鍵元件。最后論述了摻銩光纖激光器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]摻銩光纖；激光器；結(jié)構(gòu)；性質(zhì)

[中圖分類號]TN 248[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A[文章編號]10050310（2018）02005506

Abstract： With the development of fiber communication technology， optical fiber laser has become a research hot spot in communication technology. Fiber laser is the result of the development of the third generation laser technology， and plays a central role in the all fiber optical communication. The structure and characteristics of thulium doped fiber laser are studied. The gain properties of the fiber doped rare earth ions are discussed. The energy level structure and radiation properties of thulium ions are analyzed， and the particle velocity equation is set up. The effect of thulium ion doped concentration on fiber length is discussed. The simulation experiment has been carried out. The characteristics of fiber grating are discussed. The function of optical cavity made of Bragg grating has been analyzed. The fiber Bragg grating is a key component in the manufacture of all fiber lasers. Finally， the application of thulium doped fiber laser in different fields is discussed.

Keywords： Thulium doped fiber； Laser； Structure； Characteristics

隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種不同的通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，層出不窮。在光纖通信中，采用的光源是激光，而光纖激光器作為第三代激光技術(shù)，在通信領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景，是未來實現(xiàn)全光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[13]。所謂的光纖激光器，是指用摻雜了一些特殊離子的光纖作為增益介質(zhì)的激光器，如鐿（Ytterbium， Yb）、鉺（Erbium， Er）、銩（Thulium， Tm）、鈥（Holmium， Ho）等離子元素[46]。這種摻雜了不同離子的光纖，根據(jù)離子不同的能級躍遷，以及不同的輻射波長，在一定條件下可以輸出不同波長的激光。正因為有這些優(yōu)勢，光纖激光器已經(jīng)被用在各種光通信技術(shù)之中了[78]。光纖激光器采用的材料為光纖，原材料來源非常豐富。一方面，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，制造光纖的成本越來越低，光纖材料比較容易獲得，并且光纖還具有體積小、重量輕、易于集成以及損耗低等特點；另一方面，采用光纖作為增益介質(zhì)的激光器，具有激光閾值較小的優(yōu)點，較容易產(chǎn)生激光[910]。因此，大量的光纖激光器被不斷制造出來，在這些種類繁多的光纖激光器中，摻銩光纖激光器較為引人注目[1112]。在摻銩光纖激光器中，摻銩基質(zhì)為石英光纖，根據(jù)銩離子的能級結(jié)構(gòu)與輻射性質(zhì)，摻銩光纖激光器的光光轉(zhuǎn)換效率較高，實驗表明可達(dá) 70%以上。此外，摻銩光纖激光器的輸出激光波長范圍較寬，

為1 600～2 200 nm，這個波段包括了2 um的重要波長，這個波長對于人眼是較為安全的，因此，摻銩光纖激光器不僅能在光纖通信中發(fā)揮作用，也有望在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)方面發(fā)揮重要的作用。目前，國際國內(nèi)都在對摻銩光纖激光器的研究方面投入大量的人力物力進行積極探索，摻銩光纖激光器已經(jīng)成為光纖激光技術(shù)中的研究熱點之一。

1摻銩光纖激光器結(jié)構(gòu)

從激光產(chǎn)生的機制來看，一個激光器應(yīng)該具備三大要素：第一是增益介質(zhì)，其作用是產(chǎn)生激光輻射；第二是要有一個諧振腔，用來維持光振蕩狀態(tài)；第三是要有一個泵浦光源，作為產(chǎn)生激光的能量來源提供者。典型的激光器工作原理如圖1所示，激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。諧振腔是構(gòu)造一個激光器的重要元件，常見的激光腔有FabryPerot腔和環(huán)形腔。對于采用FabryPerot諧振腔的結(jié)構(gòu)來說，兩個端面上的腔鏡是平行放置的，其中一個腔鏡是全反射型，另一個腔鏡是部分反射型。

對于光纖激光器來說，增益介質(zhì)為摻雜了稀土元素離子的光纖，再加上2個腔鏡構(gòu)成諧振腔，由泵浦光源提供能量產(chǎn)生激光。摻銩光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示。增益介質(zhì)為摻雜了銩離子的光纖，泵浦光源通常選擇大功率半導(dǎo)體激光器LD光源。

2摻銩光纖的發(fā)光機制

21原子的能級

從微觀角度來看，原子內(nèi)部存在著不同的能級結(jié)構(gòu)，這些能級在發(fā)生從高能級到低能級的躍遷時，就能對外輻射出光來，如圖4所示。

銩的輻射結(jié)構(gòu)如圖5所示。銩在自然界中存量非常少，可以說是自然界中最稀少的稀土元素之一，因此，銩的價格十分昂貴，這直接導(dǎo)致了摻雜銩的光纖價格高、成本大，并限制了摻銩光纖的應(yīng)用。但由于銩的原子能級結(jié)構(gòu)非常豐富，能提供多個不同的波長，從發(fā)光角度來看，調(diào)諧頻率較寬，因此，摻銩光纖仍然得到了高度重視，并廣泛應(yīng)用于光纖激光器的設(shè)計和制造中。

23銩的速率方程

由于銩的能級結(jié)構(gòu)非常豐富，所以在選擇泵浦光時有較多的選擇。不過，為了實現(xiàn)產(chǎn)生2 μm激光的目標(biāo)，較多選用的泵浦光方式是銩的一種四能級結(jié)構(gòu)，如圖6所示。泵浦光采用的是790 nm的波長，從基態(tài)激發(fā)到高能級上面去，然后回落向下躍遷，產(chǎn)生出2 μm的激光。

3摻銩光纖激光器中摻雜量與光纖長度的關(guān)系

摻銩光纖作為一種優(yōu)良的增益介質(zhì)，其品質(zhì)的好壞會嚴(yán)重影響到產(chǎn)生激光的效果?，F(xiàn)有的各種研究結(jié)果表明，稀土離子的摻雜濃度對于光纖長度具有相當(dāng)大的作用。不同的摻雜濃度，對應(yīng)不一樣的光纖長度。為此，對摻雜濃度與光纖長度的關(guān)系進行了仿真實驗。摻雜濃度N分別為8×1024/m3、10×1024/m3， 得到如圖7所示。

結(jié)果說明，不同的摻雜濃度，對于光纖增益介質(zhì)來說有一個最優(yōu)化的光纖長度。并非光纖長度越長越好，因為如果光纖較長，就會損耗掉更多的泵浦光能量，進而影響了增益介質(zhì)對泵浦光能量的吸收，因此，一定會存在一個最優(yōu)化的光纖長度。

4光纖光柵諧振腔

不論是固體寶石類激光器，還是光纖激光器，其結(jié)構(gòu)中都有一個光學(xué)諧振腔。在固體寶石類激光器結(jié)構(gòu)中，光學(xué)諧振腔通常是用2個高反鏡作為腔的端面，如FP光學(xué)諧振腔。但對于光纖激光器來說，由于光纖本身的直徑就非常細(xì)小，在這種情況下，再沿用傳統(tǒng)的光學(xué)鏡作為FP光學(xué)諧振腔的兩個端面，顯然是比較困難的，不論在技術(shù)上還是操作效果上都不太適宜了。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，人們發(fā)明了一種光纖光柵，用這種光柵就可以在光纖激光器中實現(xiàn)FP光學(xué)諧振腔的兩個端面鏡功能了。

41光柵的基本性質(zhì)

光柵，實際上就是一種由等寬、等間距的平行狹縫（或反射面）構(gòu)成的一種光學(xué)元件，如圖8所示。

42光纖光柵特點

所謂的光纖光柵，實際上就是在一根光纖中，用某種方法制造一種密集﹑等間距、能使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制，從而形成的衍射光柵。

光纖光柵在制造技術(shù)上，利用了光纖材料的光敏特性，用光刻的方法，通過紫外光曝光，將入射光相干場圖樣寫入光纖的纖芯，在纖芯內(nèi)就會產(chǎn)生一種固化不退的沿纖芯軸向的折射率周期性變化的光纖，其功能相當(dāng)于反射鏡。在光纖光柵中，當(dāng)有一束多波長的復(fù)合光束經(jīng)過這種光纖光柵時，所有滿足光纖光柵的Bragg條件的波長，都將被反射，這叫作Bragg反射條件，而其他不滿足Bragg反射條件的波長，則會透過光纖光柵，繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳輸。

43光柵諧振腔

光纖激光器同樣需要有一個諧振腔，而光纖光柵在功能上相當(dāng)于反射鏡，這就使得光纖光柵在構(gòu)造光學(xué)諧振腔方面能發(fā)揮重要的作用。現(xiàn)在常常把滿足Bragg反射條件的光柵作為腔鏡使用，光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）對腔內(nèi)激光相當(dāng)于高反射鏡，而對泵浦光則是完全透明的，所以光纖Bragg光柵可取代FabryPerot腔兩端的高反射鏡，構(gòu)成全光纖激光器。用光纖Bragg光柵構(gòu)造光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖12所示。

5摻銩光纖激光器的應(yīng)用

摻銩光纖激光器由于是以光纖為材料，具有體積小、重量輕、易于操作及性能穩(wěn)定的優(yōu)點，因此有著廣泛的應(yīng)用價值。

首先，在生物醫(yī)學(xué)方面，摻銩光纖激光器能產(chǎn)生2 μm的激光，而這個波長正好對應(yīng)于水分子的吸收峰，能大量被水吸收，這一特點可以用于醫(yī)學(xué)手術(shù)。例如對于人的眼晴進行角膜手術(shù)治療時，由于人眼中有大量液體水，則2 μm的激光射進后，首先會被水體大量吸收，這樣就不會灼傷眼里深層的物質(zhì)了，使用起來比較安全。

其次，2 μm光纖激光器在軍事上也極為重要。在探測方面，2 μm光纖激光器可以作為激光雷達(dá)的重要工具。對于地面車輛來說，大功率的2 μm光纖激光器可以作為一種武器來使用，用來進行導(dǎo)彈防御。在海上可用來對付反艦導(dǎo)彈，攻擊有人機、無人機和小型艦艇等軍事目標(biāo)。

6結(jié)束語

光纖激光器是第三代激光技術(shù)，也是光纖通信系統(tǒng)中的重要器件，并對全光纖通信技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。摻銩光纖激光器是當(dāng)前激光技術(shù)領(lǐng)域研究的一大熱點。本文探討了摻銩光纖激光器的各項特點，分析了激光器的結(jié)構(gòu)組成；根據(jù)銩離子的能級結(jié)構(gòu)，分析了其吸收與輻射的性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上建立了速率方程；分析了不同離子摻雜濃度與增益光纖長度之間的關(guān)聯(lián)；對光纖光柵進行了研究，分析了光柵的基本性質(zhì)，探討了用光纖Bragg 光柵構(gòu)造光學(xué)諧振腔問題。摻銩光纖激光器能發(fā)出2 μm的激光，在生物醫(yī)學(xué)與軍事技術(shù)領(lǐng)域都有著非常光明的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯白麗媛）