環形腔摻鉺光纖激光器實驗教學研究

許海峰，郝保明

（宿州學院 機械與電子工程學院，安徽 宿州 234000）

1 引言

激光器的發明是二十世紀科學技術的一項重大成就，包括半導體激光器、固體激光器、氣體激光器等，已成為科研工作者的研究重點.其中，光纖激光器作為第三代固體激光器的代表具有其他系列激光器無法比擬的優點，包括：光束質量好、轉換效率高、波長可調諧、激光閾值低、諧振腔內無光學鏡片以無須熱電制冷和水冷等優點，在光纖通信、光纖傳感、激光空間遠距通信、工業制造、激光切割、軍事國防、醫療器械等眾多領域得到成熟應用[1].屬于基礎應用的光纖激光器，其基本原理、基本組成已成為大學生必須掌握的基本理論知識之一，光纖激光器的具體制作也是大學實驗基礎和學生必須掌握的基本技能.

為了讓學生從理論到實驗更加深刻地了解光纖激光器，本文先是從基本原理到基本組成詳細介紹了光纖激光器的相關理論，從光纖激光器的搭建、測試、探索三個方面對其進行了實驗研究，符合理論與實踐相結合的教學理念.本文的基本路線如圖1所示.

圖1 基本路線圖

2 光纖激光器基本原理

激光形成原理：根據量子理論，光與物質的相互作用可分為原子的自發輻射、受激吸收和受激輻射三種躍遷過程，是產生激光基本物理思想[2]，如圖2所示.受激輻射產生的光子與引起輻射的光子處于同一光子態，具有很高的簡并度，因此，在一定條件下，可以通過受激發射獲得方向、單色性和相干性好而且簡并度高的光，即激光[3].

圖2 原子躍遷示意圖

光纖激光器的基本結構與其他激光器相同，主要由增益介質、諧振腔、泵浦源三部分組成[4]，如圖3所示.以摻雜光纖激光器為例，摻鉺光纖作為增益介質，固定在兩個反射鏡M1與M2之間可構成諧振腔.泵浦源發射的泵浦光從M1耦合進光纖，摻鉺光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子從低能級E1被激發躍遷到較高能級E2上，介質被激活，此時，高能級粒子數多于低能級粒子數實現粒子數反轉.若此時有頻率為的信號輸入，E2能級上的粒子受激輻射產生同頻光子，即頻率為γ的信號在介質中不斷放大，且在諧振腔內來回震蕩，最終產生頻率為的激光從M2輸出[5].

圖 3光纖激光器基本原理

2.1 光纖激光器基本組成

2.1.1 摻雜光纖

光纖激光器是以摻稀土元素光纖作為增益介質，均以三價離子作為激活介質，較常用的摻雜離子有 Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等.其中，摻 Er3+光纖激光器的輸出波長對應光纖通信主要窗口1550nm，且性能穩定，是目前應用最廣泛、技術最成熟的光纖激光器[6].本實驗也因此采用該種增益介質.

2.1.2 光學諧振腔

光學諧振腔是光纖激光器的基本組成部分之一，用來增強輸出激光的強度，調節和選定激光的波長和方向.光纖激光器諧振腔按構成主要有線形諧振和環形諧振腔兩類，線性諧振腔主要包括F-P腔、光纖光柵諧振腔[7]，本實驗采用了環形諧振腔.

2.1.3 泵浦源

泵浦是粒子從低能級到高能級躍遷的過程，即泵浦源的作用是使光子發生躍遷，是使激光增益粒子達到粒子數反轉的激勵源，常見的泵浦方式主要由電泵浦、化學泵浦、光泵浦、氣動泵浦等四種.其中，用一束光照射工作物質并使其中粒子吸收光子能量而發生粒子數反轉的光泵浦最被廣泛應用，LD泵浦源具有效率高、噪音低、頻率穩定、壽命長等優點[8]，故本實驗采用LD泵浦源.

2.2 環形腔摻鉺光纖激光器的實驗研究

本文采用的增益介質為摻鉺光纖（EDF），環形腔激光器的工作原理為：當980nm泵浦源發射的泵浦光通過EDF時，EDF中的鉺離子吸收泵浦光，從基態躍遷到高能級，且無輻射躍遷到亞穩態能級，在亞穩態能級逐漸積累.泵浦光不斷注入，使得上能級與下能級之間出現粒子數反轉，高能級的自發輻射形成熒光光譜.經1550nm光纖濾波器選擇的光在環形腔內循環振蕩，當增益大于腔內損耗時，可形成穩定輸出.

實驗搭建可分為以下幾個步驟：第一，準備所需器件和儀器設備，如摻鉺光纖、光纖濾波器、光纖耦合器、光纖隔離器、波分復用器、單模跳線等器件，光功率計、光譜儀、泵浦激光器、光纖熔接機等儀器設備；第二，仔細閱讀上述器件和儀器設備的使用說明書，減小實驗中不必要的失誤操作；第三，根據光路圖用光纖熔接機依次熔接上述器件，按照熔接步驟認真操作，使熔接損耗小于0.05dB，并做實驗記錄；第四，在波分復用器的輸入端和光纖耦合器的輸出端分別接單模跳線1和2，便于與泵浦激光和功率計、光譜儀等儀器設備連接，跳線連接設備時提醒學生，一定要先用棉花蘸取無水酒精擦拭跳線頭端面，后放空氣中靜置幾秒或者輕輕甩干，待酒精揮發后方可與儀器設備連接，尤其在與泵浦源連接時，由于泵浦源出射大功率激光，光纖端面不清潔易燒壞跳線.

圖4 實驗光路圖

實驗裝置如所圖4示，環形腔摻鉺光纖激光器由以下部分組成：

（1）摻鉺光纖（EDF）：增益介質，鉺離子濃度為8.50×1024m-3，其長度為 26m；

（2）光纖濾波器（Fiber Filter）：中心波長為1550nm，3dB帶寬為1.2nm，用于選擇激光器出光波長；

（3）光纖耦合器（Coupler）：耦合器比為20/80，80%端連接隔離器，20%端接跳線后連接功率計或光譜儀；

（4）光隔離器（ISO）：實現激光在環形腔中單向傳播；

（5）980/1550nm波分復用器（WDM），將980nm的泵浦光耦合進環形腔內；

（6）功率計（PowerMeter）或光譜儀（OSA）：可用于實時監測激光的輸出功率或觀察其光譜特性.

耦合器、隔離器、波分復用器等光學器件本身存在不可忽略不計的損耗，器件之間光纖尾纖熔接損耗等構成上述光學諧振腔腔內損耗，所以只有當摻鉺光纖的增益大于腔內損耗時才可形成激光，即泵浦激光器的驅動電流需達到某一值，這個電流為閾值電流，用Ith表示.當驅動電流小于閾值電流時，腔內可形成納瓦量級的熒光，當驅動電流大于閾值電流時激光器可輸出激光，且功率隨電流增加，呈線性關系.為使激光器穩定輸出，通常希望閾值電流越小越好.

圖5 LD泵浦激光器輸出功率與驅動電流關系

本實驗所使用的LD泵浦激光器是通過電流來調節激光功率大小，所以在實驗之前首先對980nm激光器的輸出功率特性進行了標定測試，結果如圖5所示.電流驅動閾值約為50mA，之后隨著電流增大泵浦輸出功率程線性增加，且具有良好的線性度.

圖6 熒光光譜

圖7 激光光譜圖（泵浦功率為39mW）

實驗過程：增加泵浦電流，通過光譜儀觀察環形激光器的輸出激光光譜特性，當泵浦電流較小時，可觀察到圖6所示的熒光光譜，此時泵浦功率為36mW.當泵浦電流增加到92mA時，對應泵浦功率37.88mW，輸出圖7所示的激光，其中心波長為1550.170nm，繼續增加泵浦電流，激光功率隨之線性增加，增加到一定程度時，激光功率為-0.13dB幾乎保持不變，達到飽和狀態，如圖8所示.即此環形腔光纖激光器的泵浦閾值為37.88mW.

圖8 激光功率與泵浦功率關系

實驗中，可觀察環形腔摻鉺光纖激光器存在輸出波長漂移、輸出功率不穩定等問題.環形腔摻鉺光纖激光器的腔長較長，易受環境擾動，所采取的解決辦法是對激光器進行封裝保護，根據小型化、實用化的要求設計合理的封裝，是下一步實驗的重要內容.光纖環形摻鉺激光器的輸出功率與摻鉺光纖長度摻雜濃度、耦合器耦合比等參數有關，為激發學生的科研興趣，可引導學生繼續探索摻鉺光纖參數、光纖耦合器耦合比等對激光器性能的影響.

3 結語

本文在詳細介紹環形腔摻鉺光纖激光器出光原理、基本組成后，搭建了光纖激光器系統，測量泵浦激光器的功率-電流關系，調節泵浦電流，通過光譜儀觀察激光器的光譜輸出，泵浦增大到激光器的出光閾值后即有激光輸出.本文總結突出理論與實驗重點，便于學生學習和提高課堂效率.另外，通過本實驗學生養成了實驗前仔細閱讀儀器說明書的習慣和意識；在環形腔摻鉺光纖激光器系統搭建過程中，學生對光纖熔接機的規規范化和熟練使用也尤為重要，要做到低損耗熔接；光纖跳線與儀器設備連接時需擦拭清洗端面.通過本實驗也加深學生對光纖結構、光纖耦合器等光器件的了解和對光譜儀等儀器設備的熟練使用.實驗過程中提出問題，引導學生思考和探索，培養學生科研能力.