光纖激光器的發展現狀研究

王海燕，王常春

(吉林化工學院 理學院，吉林 吉林 132022)

20世紀80年代，英國南安普頓大學的S.B.P.oole偶然發現MCVD能夠制造出一種低損耗的摻餌光纖，使光纖激光器的發展又前進了一步[1].Interpublic公司在德國,在2000年,該公司獲得了1億美元的風險資本行業,展示了它在業界各種優秀的光纖激光器和放大器，并且還介紹了一系列的光纖激光器和放大器與其他稀土元素摻雜.目前，IPG光纖激光器的多模輸出功率已達到數萬瓦；超快脈沖激光器的峰值功率約為1GW.英國的SPI和德國的IPHT也是高度發達和制造的，他們現在正在市場上競爭新產品.綜上所述，美國、歐洲和亞洲的幾個千瓦級光纖激光器已經進入了工業加工或科學研究領域.光纖激光器有許多應用.

用二氧化硒作為基礎材料的固體玻璃纖維叫做光纖,利用的是光的全反射原理.當光從光密介質射向光疏介質時，折射角將大于入射角.當入射角增大到某一數值時，折射角將達到90°，該入射角稱為臨界角.若入射角大于臨界角，則無折射，全部光線均反回光密介質，這時在光疏介質中將不會出現折射光線，這就是全反射.光纖裸纖由中心高折射率玻璃芯、中低折射率硅玻璃涂層和最外層的增強樹脂涂層三種物質組成.光線在纖芯傳送，當光纖射到纖芯和外層界面的角度大于產生全反射的臨界角時，光纖透不過界面，會全部反射回來，繼續在纖芯內向前傳送，而包層主要起到保護作用.光纖有單模光纖和多模光纖兩種傳播方式.單模光纖中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10 μm)，只能傳一種模式的光纖，其色散很小.多模光纖的核心直徑較粗，可以傳輸多種模式的光，但其模間色散大.

激光作為人類有史以來最重大的發明之一，具有能量密度高，單色性好和準直性優良的特點，所以成為了現代科學研究中最具重量級的工具之一.美國人Maiman在1960年研發出了有史以來人類第一款紅寶石激光器，隨后出現了第一臺光纖激光器，但是由于當時光纖制作技術和光纖器件的限制，光纖激光器領域的研究也幾乎停滯.而上世紀八十年代后由于光纖技術和半導體激光器泵浦方面的技術快速發展，光纖激光技術有了極速的發展.

1 光纖激光器

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發出出來.在泵浦光作用下光纖內很容易形成功率密度升高，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”,當適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出.

1.1 稀土摻雜光纖激光器

稀土摻雜光纖在相當多領域都有著重大作用，尤其放大器，傳感器和光纖激光器.它的結構是圓柱形，芯的直徑較小，所以它能夠輕松的降低閾值，提高它的散熱功能.而因為它的芯徑大小與通信光纖匹配,耦合效率高,所以它是讓全光通信的基點[2].

通常將稀土元素離子摻雜到光纖纖芯來使光纖成為激光介質，進而制作稀土摻雜激光器.將大功率激光二極管發出的光通過特殊構造耦合到一起作為增益介質，這部分光子的能量造成介質電子受激躍遷到激發態，隨后再通過自發輻射釋放電子能量向低能級躍遷，造成粒子數反轉的狀態，受激輻射光波就是這樣經過不斷震蕩造成激光輸出摻雜的稀土離子的種類限制了有源光纖的工作波長范圍，圖1介紹了摻鉺、銩、鈥的工作波長范圍[3]：

Operuting wavelength/nm圖1 摻鉺、銩、鈥光纖的工作波長

1.2 雙包層光纖激光器

雙包層光纖激光器的發展還是比較不錯的，并且它能代表新類型的光纖激光器的發展層次，它能夠不需要泵能量，就耦合一些半徑比較小的光纖模場當中.這幾年光纖激光器受到廣泛關注就因為這個優點[4].

圖2 雙包層光纖的結構示意圖

雙包層光纖激光器的拉纖維核心,包層,外包層和保護層的熔覆層內部和外包同心圓形截面結構,纖維芯單模光纖的核心,有一個很大的折射指數,它是用來傳輸單模光信號,內包層具有相同的材料和普通光纖的核心,其在纖維芯的折射率和外包層之間,它用于傳輸多模泵.折射率外包層最小.內層包層和纖維芯構成了一個大的纖維芯，用于輸送泵，通過摻雜和吸收的方式反復進行，從而使光纖核心中的光傳播比例增加[5].圖2是雙包層光纖激光器的基本結構示意圖.

1.3 光子晶體光纖激光器

不一樣的介電常數的介電常數周期性排列，使光的色散曲線形成一種帶狀結構，帶之間有幾率出現一種像半導體的帶光子帶隙，頻率的頻率禁止中心.這種帶光子帶隙的周期性介電結構被我們叫做“光子晶體”.光子晶體能夠抑制自發輻射[6].

如果光子晶體被引入某種程度的缺陷，與缺陷頻率相匹配的光子可能被限制在缺陷位置，一旦出現偏差，光就會迅速衰減.通過利用缺陷將光與特定的位置結合起來，光就不能向任何方向移動.光子晶體使由兩維光子晶體構成的，我們也可以稱它為微結構光纖.

光子晶體光纖激光器的優點還是比較多的，尤其與傳統的光纖激光器比較，如：無截止時間單模傳輸特性、可調、高非線性、高雙折射特性等色散特性的求解[7].

并且它能夠簡單方便的實現廣大的長度區域，內包覆高數值孔徑.能夠有效的保持一個好的光束質量，然而傳送的激光器還是難以實現的.國外已經研究出很多優良的光子晶體光纖激光器，然而在國內因對其研究較晚，所以國內對于它的報道相對較少.圖3是光子晶體光纖激光器.

圖3 光子晶體光纖激光器

1.4 被動鎖膜光纖激光器

從激光器被研發出來開始，光學等很多領域利用這個開始興起，尤其升級超快光學的興起，它可以讓鎖膜激光器產生超短脈沖.這種脈沖在光通信領域，能夠很長距離的進行傳輸，并且它的速度很快[8].于1963年，第一個被動鎖膜激光器被人們研發出來，并迅速成為研究的熱點.

光纖技術發展的越來越好，越來越成熟，所以它的應用范圍被逐漸擴大，不只是應用到工業方面了.被動鎖模光纖激光器可以輸出超短脈沖，結構簡單，體積小，與光纖兼容容易，生產成本低，同時具有超短脈沖固體激光器的優點[9,10].

同時,可調諧半導體激光器波長范圍很小,和單色性差、線條寬度大于100千赫.不過被動鎖膜光纖激光器的優點還是比較優異的，表1是它的優點總結.

表1 被動鎖膜光纖激光器的優點

2 結 論

文章對不同種光纖激光器性能，結構的對比，得到光纖激光器具有單色性好、性能穩定、耦合效率高、輸出波長可調等多種優點.其中雙包層光纖激光器是光纖激光器中的新型代表，它相對于普通激光器來說耦合效率更高，成本更低；光子晶體光纖激光器與傳統的光纖激光器比較，簡單方便的實現更大的長度區域，內包覆高數值孔徑；被動鎖膜光纖激光器防塵性高、兼容性好、溫度穩定性高、制造成本低的特點.

為了提高光纖激光器的性能，使其更加實用.其一，我們應不斷改進泵光耦合技術.其二，研制出適合的光學諧振腔.

光纖激光器雖然發展的很好，但還有幾點需要我們不斷的去改進，會對其發展產生更好的促進作用：

1.使光纖光柵的性能得到改善，并在光纖激光器中得到了很好的應用；2.使光纖激光器在脈沖和線寬方面更窄，輸出功率更大，調諧范圍更寬；3.使纖維激光發展的更實用.