掺杂光纤激光器增益介质实验教学研究*

2022-09-29李世丽李仁文

新教育时代电子杂志(学生版) 2022年18期

李世丽李仁文倪勇

（物理与材料工程学院合肥师范学院安徽合肥 230601）

光纤激光器作为第三代激光器的代表，是随着光纤及通信技术的发展而崛起的一项崭新技术，具有半导体激光器、气体激光器等其他系列激光器无法比拟的优点，如光束质量好、出光阈值低、转换效率高、输出波长多且可调谐、窄线宽等，备受科研工作者广泛关注，已成为激光器领域发展最快的技术。光纤激光器的独特优势使其在众多领域得到成熟、广泛应用[1]，如：在光纤通信领域，高功率掺杂光纤激光器可满足光纤通信在1550nm波段对光源低损耗、高增益的要求，同时增加通信容量需求，另外，锁模光纤激光器的研究与应用促进了光孤子通信技术的发展；在工业领域，光纤激光器在激光切割、激光焊接、激光医疗、激光打印等多方面已实现成熟应用；在光纤传感领域，窄线宽光纤激光器促进了分布式、干涉型光纤传感技术的发展，测量对象也覆盖了振动、应力、温度、应变等多参量；在国防和军事领域，高功率光纤激光器可用于战斗机激光武器、激光侦察武器等。在市场上，光纤激光器已实现商业化和产业化。与此同时，光纤激光器在国内各大高校已开展专业教学，其基本原理与组成是光电工程专业学生必须掌握的基础理论之一，其系统的搭建与测试也是必须掌握的专业技能之一，二者更是本科教学工作中的难点与重点。

本文首先从理论上着重介绍了光纤激光器的基本原理与基本组成，其中，着重介绍增益介质的基本理论，并以掺铒光纤作为增益介质搭建了环形腔光纤激光器，测试不同长度的掺铒光纤对激光器出光特性的影响。通过实际动手操作与实验现象的观察可对理论有更深刻的理解，理论指导实验的完成，实验反馈理论认识，符合理论与实践相结合的教学理念。

一、光纤激光器工作原理及基本组成

光纤激光器主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三部分组成[2]，如图 1所示。以掺铒光纤（Erbium Doped Fiber，EDF）激光器为例，EDF作为增益介质固定在反射镜1与反射镜2之间，构成光学谐振腔。EDF中的稀土离子Er3+未受泵浦光激励时，处于基态E1能级（能量最低能级）；当泵浦源出射的泵浦光从反射镜1耦合进谐振腔时，掺铒光纤中的Er3+吸收泵浦光，从基态E1激发跃迁至较高能级E3上，高能级上的粒子不稳定，往往释放能量跃迁至亚稳态E2能级。当泵浦光功率高于阈值功率时，吸收泵浦光跃迁到高能级的粒子数多于基态粒子数，形成粒子数反转，即增益介质被激活。若此时有频率为的信号输入，E2能级上的粒子受激辐射产生同频光子，并且在光学谐振腔内沿轴线于反射镜1和反射镜2之间往复传播，来回震荡，在介质中不断被放大，最终形成频率为的激光从反射镜2输出[2]。从激光器的工作原理可以看出粒子数反转与泵浦功率大于激光阈值功率是形成激光输出的两个重要条件。

图1 光纤激光器的工作原理

从光纤激光器工作原理中可以看出，增益介质是光纤激光器的关键技术之一，对其性能影响尤为重要，下面将重点分析与验证。

二、增益介质

光纤激光器通常是以掺稀土离子光纤（掺杂光纤）作为增益介质，如Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等，将这些离子以一定浓度和分布掺杂于基质材料中即形成掺杂光纤。其中，掺Er3+光纤激光器的应用最为广泛，其输出波长对应光纤通信主要窗口1550nm，性能稳定，技术也最为成熟[3]，本文也因此采用掺铒光纤作为增益介质。

Er3+的能级模型如图2所示，一般把掺铒光纤激光器作为一个三能级系统进行理论分析[4]，三能级理论模型如下：

图2 Er3+的三能级模型

其中，、、分别代表基态、亚稳态、高能级三个能级上的粒子数；、、分别为、、三个能级上的粒子数在时间内的变化率；、分别代表受激辐射系数和泵浦系数。掺铒光纤中电子能级跃迁时对应着三种过程，由高能级自发跃迁至低能级或基态，对应着光的发射过程，即荧光过程；当光子能量较高的泵浦光源对增益介质进行泵浦时，粒子吸收能量由低能级向高能级跃迁，对应着光的吸收过程，称为受激吸收；高能级粒子在辐射场（频率为）的作用下由高能级跃迁至低能级，同时辐射能量为的光子，这一段过程称为受激辐射，是受激吸收的逆过程。当粒子受到泵浦光激励且泵浦功率高于阈值功率时，实现离子数反转，产生光放大和激光输出，且激光输出光功率与输入泵浦光功率成正比关系。

对于掺杂光纤激光器，掺杂光纤长度和离子浓度直接激光输出。对于某一给定的掺杂光纤，其掺杂离子浓度确定，实验中无法控制与操作。光纤器件不断集成化与小型化的发展趋势，要求应用于光纤激光器的掺杂光纤越短越好，然而过短的掺杂光纤中，Er3+无法充分吸收泵浦光，导致泵浦效率不高，影响光纤激光器的输出功率；从理论上分析，掺杂光纤越长，光纤激光器的出光功率越高，即更容易实现大功率激光器，然后较长的掺杂光纤往往需要更高功率的泵浦源，无疑加大成本和实现难度。所以，在光纤激光器的设计与制作中，往往需要确定掺杂光纤的最佳长度，以获得最小的泵浦功率使泵浦光子数和粒子反转数在增益介质末端达到最大，即得到最高的泵浦光转换效率。

为让学生更直观的了解，本实验选用不同长度的掺杂光纤（掺铒光纤）搭建环形腔光纤激光器进行实验研究，探索不同掺杂光纤长度对泵浦源的要求及对激光输出功率的影响。通过实验研究，让学生对理论理解更加深刻。

三、EDF长度对激光输出功率影响的实验研究

实验装置如所图 3示，环形腔掺铒光纤激光器由以下部分组成：（1）泵浦激光器：输出波长为980nm，功率可调；（2）掺铒光纤：本实验中选用铒离子浓度为8.50×1024m-3的掺铒光纤作为增益介质，分别截取6.3 m、9.9 m不同长度用于实验；（3）光纤滤波器：用于选择激光器输出光波长（1550nm）；（4）光纤耦合器：1×2光纤耦合器，分光比为20/80，其中80%端口连接光隔离器，20%端口连接跳线传输至光谱仪或光功率计；（5）光纤隔离器：实现激光在环形腔中沿着箭头方向单向传播，隔离由光纤瑞利散射产生的光；（6）波分复用器：本实验选用980/1550nm的波分复用器，将波长为980nm的泵浦光耦合进环形腔中；（7）光谱仪/光功率计：用于实时监测激光器的输出波长及功率。

图3 实验光路图

学生分组操作，实验过程如下：第一，准备实验所需的器件和仪器设备，如光谱仪、泵浦激光器、光纤熔接机、掺铒光纤（6.3 m与9.9 m各一根）、波分复用器、光纤滤波器、光纤耦合器、光纤隔离器、单模跳线（980nm与1550nm各一根）等，并仔细阅读使用说明书及注意事项；第二，按照图3中的光路图连接上述器件，其中，点2、3、4、5、6是器件尾纤，使用光纤熔接机进行熔接，点1是波分复用器的尾纤与980nm跳线连接，点7是耦合器的20%输出端与1550nm跳线熔接，使用熔接机进行操作时，熔接损耗不得高于0.05dB，同时做好实验记录；第三，在波分复用器的输入端和光纤耦合器的输出端分别通过光纤法兰盘与泵浦激光器和功率计/光谱仪连接，连接时先用棉花蘸取无水酒精擦拭跳线头端面，后在空气中静置几秒或轻轻甩干至酒精挥发，减小法兰盘引入的额外光损耗；第四，按照光路图及上述步骤操作之后即可进行实验测试：由0开始缓慢增大泵浦激光器出光功率，通过光谱仪/光功率计观察激光特性，直至形成稳定的激光输出，记录相应数据。

掺铒光纤长度分别为6.3m和9.9m时，对激光器输出强度与泵浦功率之间的关系分别进行了测试，测试结果如图4所示。当掺铒光纤长度为6.3m时，缓慢增大泵浦强度（小于27.66mW）时，形成荧光光谱，当泵浦功率增大至27.66mW时形成激光，强度约为-15dBm，即掺铒光纤长度为6.6 m时激光器的激光阈值为27.66mW；当掺铒光纤长度为9.9m时，缓慢增大泵浦强度（小于64.96mW）时，形成荧光光谱，当泵浦功率增大至64.96mW时形成激光，强度约为-8.4dBm，即此时激光阈值为64.96mW。

图4 掺铒光纤长度分别为6.3m和9.9m时激光器输出强度

由实验结果可分析，环形腔掺杂光纤激光器中增益介质越长，出光阈值越高，稳定的激光输出功率越高，即更易制作高功率激光器；增益介质越短越利于激光器小型化和集成化发展，同时减少成本，而较短的增益介质所需的泵浦功率越低，激光的输出功率也较低，诸多场合使用受到限制。所以，往往根据实际使用综合设计，选取合适的掺杂长度。此实验同时可说明，泵浦功率高于激光器阈值功率是形成激光输出的关键条件之一，实验与理论契合。

在实验过程中，观察到环形腔掺铒光纤激光器的输出波长漂移、光功率不稳定，可能与哪些因素有关，又如何解决；光纤耦合器的分光比不同对激光器出光阈值等有何影响；不同长度的增益介质对泵浦光功率要求及对输出激光强度的影响，此规律是否适用于线性腔光纤激光器呢；带着问题引导学生进一步探索，激发科研兴趣。