光纤激光器的发展现状研究

王海燕，王常春

(吉林化工学院 理学院，吉林 吉林 132022)

20世纪80年代，英国南安普顿大学的S.B.P.oole偶然发现MCVD能够制造出一种低损耗的掺饵光纤，使光纤激光器的发展又前进了一步[1].Interpublic公司在德国,在2000年,该公司获得了1亿美元的风险资本行业,展示了它在业界各种优秀的光纤激光器和放大器，并且还介绍了一系列的光纤激光器和放大器与其他稀土元素掺杂.目前，IPG光纤激光器的多模输出功率已达到数万瓦；超快脉冲激光器的峰值功率约为1GW.英国的SPI和德国的IPHT也是高度发达和制造的，他们现在正在市场上竞争新产品.综上所述，美国、欧洲和亚洲的几个千瓦级光纤激光器已经进入了工业加工或科学研究领域.光纤激光器有许多应用.

用二氧化硒作为基础材料的固体玻璃纤维叫做光纤,利用的是光的全反射原理.当光从光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角.当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，该入射角称为临界角.若入射角大于临界角，则无折射，全部光线均反回光密介质，这时在光疏介质中将不会出现折射光线，这就是全反射.光纤裸纤由中心高折射率玻璃芯、中低折射率硅玻璃涂层和最外层的增强树脂涂层三种物质组成.光线在纤芯传送，当光纤射到纤芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光纤透不过界面，会全部反射回来，继续在纤芯内向前传送，而包层主要起到保护作用.光纤有单模光纤和多模光纤两种传播方式.单模光纤中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10 μm)，只能传一种模式的光纤，其色散很小.多模光纤的核心直径较粗，可以传输多种模式的光，但其模间色散大.

激光作为人类有史以来最重大的发明之一，具有能量密度高，单色性好和准直性优良的特点，所以成为了现代科学研究中最具重量级的工具之一.美国人Maiman在1960年研发出了有史以来人类第一款红宝石激光器，随后出现了第一台光纤激光器，但是由于当时光纤制作技术和光纤器件的限制，光纤激光器领域的研究也几乎停滞.而上世纪八十年代后由于光纤技术和半导体激光器泵浦方面的技术快速发展，光纤激光技术有了极速的发展.

1 光纤激光器

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出出来.在泵浦光作用下光纤内很容易形成功率密度升高，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”,当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出.

1.1 稀土摻杂光纤激光器

稀土摻杂光纤在相当多领域都有着重大作用，尤其放大器，传感器和光纤激光器.它的结构是圆柱形，芯的直径较小，所以它能够轻松的降低阈值，提高它的散热功能.而因为它的芯径大小与通信光纤匹配,耦合效率高,所以它是让全光通信的基点[2].

通常将稀土元素离子掺杂到光纤纤芯来使光纤成为激光介质，进而制作稀土掺杂激光器.将大功率激光二极管发出的光通过特殊构造耦合到一起作为增益介质，这部分光子的能量造成介质电子受激跃迁到激发态，随后再通过自发辐射释放电子能量向低能级跃迁，造成粒子数反转的状态，受激辐射光波就是这样经过不断震荡造成激光输出掺杂的稀土离子的种类限制了有源光纤的工作波长范围，图1介绍了掺铒、铥、钬的工作波长范围[3]：

Operuting wavelength/nm图1 掺铒、铥、钬光纤的工作波长

1.2 双包层光纤激光器

双包层光纤激光器的发展还是比较不错的，并且它能代表新类型的光纤激光器的发展层次，它能够不需要泵能量，就耦合一些半径比较小的光纤模场当中.这几年光纤激光器受到广泛关注就因为这个优点[4].

图2 双包层光纤的结构示意图

双包层光纤激光器的拉纤维核心,包层,外包层和保护层的熔覆层内部和外包同心圆形截面结构,纤维芯单模光纤的核心,有一个很大的折射指数,它是用来传输单模光信号,内包层具有相同的材料和普通光纤的核心,其在纤维芯的折射率和外包层之间,它用于传输多模泵.折射率外包层最小.内层包层和纤维芯构成了一个大的纤维芯，用于输送泵，通过掺杂和吸收的方式反复进行，从而使光纤核心中的光传播比例增加[5].图2是双包层光纤激光器的基本结构示意图.

1.3 光子晶体光纤激光器

不一样的介电常数的介电常数周期性排列，使光的色散曲线形成一种带状结构，带之间有几率出现一种像半导体的带光子带隙，频率的频率禁止中心.这种带光子带隙的周期性介电结构被我们叫做“光子晶体”.光子晶体能够抑制自发辐射[6].

如果光子晶体被引入某种程度的缺陷，与缺陷频率相匹配的光子可能被限制在缺陷位置，一旦出现偏差，光就会迅速衰减.通过利用缺陷将光与特定的位置结合起来，光就不能向任何方向移动.光子晶体使由两维光子晶体构成的，我们也可以称它为微结构光纤.

光子晶体光纤激光器的优点还是比较多的，尤其与传统的光纤激光器比较，如：无截止时间单模传输特性、可调、高非线性、高双折射特性等色散特性的求解[7].

并且它能够简单方便的实现广大的长度区域，内包覆高数值孔径.能够有效的保持一个好的光束质量，然而传送的激光器还是难以实现的.国外已经研究出很多优良的光子晶体光纤激光器，然而在国内因对其研究较晚，所以国内对于它的报道相对较少.图3是光子晶体光纤激光器.

图3 光子晶体光纤激光器

1.4 被动锁膜光纤激光器

从激光器被研发出来开始，光学等很多领域利用这个开始兴起，尤其升级超快光学的兴起，它可以让锁膜激光器产生超短脉冲.这种脉冲在光通信领域，能够很长距离的进行传输，并且它的速度很快[8].于1963年，第一个被动锁膜激光器被人们研发出来，并迅速成为研究的热点.

光纤技术发展的越来越好，越来越成熟，所以它的应用范围被逐渐扩大，不只是应用到工业方面了.被动锁模光纤激光器可以输出超短脉冲，结构简单，体积小，与光纤兼容容易，生产成本低，同时具有超短脉冲固体激光器的优点[9,10].

同时,可调谐半导体激光器波长范围很小,和单色性差、线条宽度大于100千赫.不过被动锁膜光纤激光器的优点还是比较优异的，表1是它的优点总结.

表1 被动锁膜光纤激光器的优点

2 结 论

文章对不同种光纤激光器性能，结构的对比，得到光纤激光器具有单色性好、性能稳定、耦合效率高、输出波长可调等多种优点.其中双包层光纤激光器是光纤激光器中的新型代表，它相对于普通激光器来说耦合效率更高，成本更低；光子晶体光纤激光器与传统的光纤激光器比较，简单方便的实现更大的长度区域，内包覆高数值孔径；被动锁膜光纤激光器防尘性高、兼容性好、温度稳定性高、制造成本低的特点.

为了提高光纤激光器的性能，使其更加实用.其一，我们应不断改进泵光耦合技术.其二，研制出适合的光学谐振腔.

光纤激光器虽然发展的很好，但还有几点需要我们不断的去改进，会对其发展产生更好的促进作用：

1.使光纤光栅的性能得到改善，并在光纤激光器中得到了很好的应用；2.使光纤激光器在脉冲和线宽方面更窄，输出功率更大，调谐范围更宽；3.使纤维激光发展的更实用.