摻雜光纖激光器增益介質實驗教學研究*

李世麗 李仁文 倪 勇

（物理與材料工程學院 合肥師范學院 安徽合肥 230601）

光纖激光器作為第三代激光器的代表，是隨著光纖及通信技術的發展而崛起的一項嶄新技術，具有半導體激光器、氣體激光器等其他系列激光器無法比擬的優點，如光束質量好、出光閾值低、轉換效率高、輸出波長多且可調諧、窄線寬等，備受科研工作者廣泛關注，已成為激光器領域發展最快的技術。光纖激光器的獨特優勢使其在眾多領域得到成熟、廣泛應用[1]，如：在光纖通信領域，高功率摻雜光纖激光器可滿足光纖通信在1550nm波段對光源低損耗、高增益的要求，同時增加通信容量需求，另外，鎖模光纖激光器的研究與應用促進了光孤子通信技術的發展；在工業領域，光纖激光器在激光切割、激光焊接、激光醫療、激光打印等多方面已實現成熟應用；在光纖傳感領域，窄線寬光纖激光器促進了分布式、干涉型光纖傳感技術的發展，測量對象也覆蓋了振動、應力、溫度、應變等多參量；在國防和軍事領域，高功率光纖激光器可用于戰斗機激光武器、激光偵察武器等。在市場上，光纖激光器已實現商業化和產業化。與此同時，光纖激光器在國內各大高校已開展專業教學，其基本原理與組成是光電工程專業學生必須掌握的基礎理論之一，其系統的搭建與測試也是必須掌握的專業技能之一，二者更是本科教學工作中的難點與重點。

本文首先從理論上著重介紹了光纖激光器的基本原理與基本組成，其中，著重介紹增益介質的基本理論，并以摻鉺光纖作為增益介質搭建了環形腔光纖激光器，測試不同長度的摻鉺光纖對激光器出光特性的影響。通過實際動手操作與實驗現象的觀察可對理論有更深刻的理解，理論指導實驗的完成，實驗反饋理論認識，符合理論與實踐相結合的教學理念。

一、光纖激光器工作原理及基本組成

光纖激光器主要由泵浦源、增益介質、諧振腔三部分組成[2]，如圖 1所示。以摻鉺光纖（Erbium Doped Fiber，EDF）激光器為例，EDF作為增益介質固定在反射鏡1與反射鏡2之間，構成光學諧振腔。EDF中的稀土離子Er3+未受泵浦光激勵時，處于基態E1能級（能量最低能級）；當泵浦源出射的泵浦光從反射鏡1耦合進諧振腔時，摻鉺光纖中的Er3+吸收泵浦光，從基態E1激發躍遷至較高能級E3上，高能級上的粒子不穩定，往往釋放能量躍遷至亞穩態E2能級。當泵浦光功率高于閾值功率時，吸收泵浦光躍遷到高能級的粒子數多于基態粒子數，形成粒子數反轉，即增益介質被激活。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，并且在光學諧振腔內沿軸線于反射鏡1和反射鏡2之間往復傳播，來回震蕩，在介質中不斷被放大，最終形成頻率為的激光從反射鏡2輸出[2]。從激光器的工作原理可以看出粒子數反轉與泵浦功率大于激光閾值功率是形成激光輸出的兩個重要條件。

圖1 光纖激光器的工作原理

從光纖激光器工作原理中可以看出，增益介質是光纖激光器的關鍵技術之一，對其性能影響尤為重要，下面將重點分析與驗證。

二、增益介質

光纖激光器通常是以摻稀土離子光纖（摻雜光纖）作為增益介質，如Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等，將這些離子以一定濃度和分布摻雜于基質材料中即形成摻雜光纖。其中，摻Er3+光纖激光器的應用最為廣泛，其輸出波長對應光纖通信主要窗口1550nm，性能穩定，技術也最為成熟[3]，本文也因此采用摻鉺光纖作為增益介質。

Er3+的能級模型如圖2所示，一般把摻鉺光纖激光器作為一個三能級系統進行理論分析[4]，三能級理論模型如下：

圖2 Er3+的三能級模型

其中，、、分別代表基態、亞穩態、高能級三個能級上的粒子數；、、分別為、、三個能級上的粒子數在時間內的變化率；、分別代表受激輻射系數和泵浦系數。摻鉺光纖中電子能級躍遷時對應著三種過程，由高能級自發躍遷至低能級或基態，對應著光的發射過程，即熒光過程；當光子能量較高的泵浦光源對增益介質進行泵浦時，粒子吸收能量由低能級向高能級躍遷，對應著光的吸收過程，稱為受激吸收；高能級粒子在輻射場（頻率為）的作用下由高能級躍遷至低能級，同時輻射能量為的光子，這一段過程稱為受激輻射，是受激吸收的逆過程。當粒子受到泵浦光激勵且泵浦功率高于閾值功率時，實現離子數反轉，產生光放大和激光輸出，且激光輸出光功率與輸入泵浦光功率成正比關系。

對于摻雜光纖激光器，摻雜光纖長度和離子濃度直接激光輸出。對于某一給定的摻雜光纖，其摻雜離子濃度確定，實驗中無法控制與操作。光纖器件不斷集成化與小型化的發展趨勢，要求應用于光纖激光器的摻雜光纖越短越好，然而過短的摻雜光纖中，Er3+無法充分吸收泵浦光，導致泵浦效率不高，影響光纖激光器的輸出功率；從理論上分析，摻雜光纖越長，光纖激光器的出光功率越高，即更容易實現大功率激光器，然后較長的摻雜光纖往往需要更高功率的泵浦源，無疑加大成本和實現難度。所以，在光纖激光器的設計與制作中，往往需要確定摻雜光纖的最佳長度，以獲得最小的泵浦功率使泵浦光子數和粒子反轉數在增益介質末端達到最大，即得到最高的泵浦光轉換效率。

為讓學生更直觀的了解，本實驗選用不同長度的摻雜光纖（摻鉺光纖）搭建環形腔光纖激光器進行實驗研究，探索不同摻雜光纖長度對泵浦源的要求及對激光輸出功率的影響。通過實驗研究，讓學生對理論理解更加深刻。

三、EDF長度對激光輸出功率影響的實驗研究

實驗裝置如所圖 3示，環形腔摻鉺光纖激光器由以下部分組成：（1）泵浦激光器：輸出波長為980nm，功率可調；（2）摻鉺光纖：本實驗中選用鉺離子濃度為8.50×1024m-3的摻鉺光纖作為增益介質，分別截取6.3 m、9.9 m不同長度用于實驗；（3）光纖濾波器：用于選擇激光器輸出光波長（1550nm）；（4）光纖耦合器：1×2光纖耦合器，分光比為20/80，其中80%端口連接光隔離器，20%端口連接跳線傳輸至光譜儀或光功率計；（5）光纖隔離器：實現激光在環形腔中沿著箭頭方向單向傳播，隔離由光纖瑞利散射產生的光；（6）波分復用器：本實驗選用980/1550nm的波分復用器，將波長為980nm的泵浦光耦合進環形腔中；（7）光譜儀/光功率計：用于實時監測激光器的輸出波長及功率。

圖3 實驗光路圖

學生分組操作，實驗過程如下：第一，準備實驗所需的器件和儀器設備，如光譜儀、泵浦激光器、光纖熔接機、摻鉺光纖（6.3 m與9.9 m各一根）、波分復用器、光纖濾波器、光纖耦合器、光纖隔離器、單模跳線（980nm與1550nm各一根）等，并仔細閱讀使用說明書及注意事項；第二，按照圖3中的光路圖連接上述器件，其中，點2、3、4、5、6是器件尾纖，使用光纖熔接機進行熔接，點1是波分復用器的尾纖與980nm跳線連接，點7是耦合器的20%輸出端與1550nm跳線熔接，使用熔接機進行操作時，熔接損耗不得高于0.05dB，同時做好實驗記錄；第三，在波分復用器的輸入端和光纖耦合器的輸出端分別通過光纖法蘭盤與泵浦激光器和功率計/光譜儀連接，連接時先用棉花蘸取無水酒精擦拭跳線頭端面，后在空氣中靜置幾秒或輕輕甩干至酒精揮發，減小法蘭盤引入的額外光損耗；第四，按照光路圖及上述步驟操作之后即可進行實驗測試：由0開始緩慢增大泵浦激光器出光功率，通過光譜儀/光功率計觀察激光特性，直至形成穩定的激光輸出，記錄相應數據。

摻鉺光纖長度分別為6.3m和9.9m時，對激光器輸出強度與泵浦功率之間的關系分別進行了測試，測試結果如圖4所示。當摻鉺光纖長度為6.3m時，緩慢增大泵浦強度（小于27.66mW）時，形成熒光光譜，當泵浦功率增大至27.66mW時形成激光，強度約為-15dBm，即摻鉺光纖長度為6.6 m時激光器的激光閾值為27.66mW；當摻鉺光纖長度為9.9m時，緩慢增大泵浦強度（小于64.96mW）時，形成熒光光譜，當泵浦功率增大至64.96mW時形成激光，強度約為-8.4dBm，即此時激光閾值為64.96mW。

圖4 摻鉺光纖長度分別為6.3m和9.9m時激光器輸出強度

由實驗結果可分析，環形腔摻雜光纖激光器中增益介質越長，出光閾值越高，穩定的激光輸出功率越高，即更易制作高功率激光器；增益介質越短越利于激光器小型化和集成化發展，同時減少成本，而較短的增益介質所需的泵浦功率越低，激光的輸出功率也較低，諸多場合使用受到限制。所以，往往根據實際使用綜合設計，選取合適的摻雜長度。此實驗同時可說明，泵浦功率高于激光器閾值功率是形成激光輸出的關鍵條件之一，實驗與理論契合。

在實驗過程中，觀察到環形腔摻鉺光纖激光器的輸出波長漂移、光功率不穩定，可能與哪些因素有關，又如何解決；光纖耦合器的分光比不同對激光器出光閾值等有何影響；不同長度的增益介質對泵浦光功率要求及對輸出激光強度的影響，此規律是否適用于線性腔光纖激光器呢；帶著問題引導學生進一步探索，激發科研興趣。

四、總結

本文在詳細介紹環形腔摻鉺光纖激光器工作原理及基本組成后，重點闡述了增益介質的相關理論，并結合實驗探索了不同長度的增益介質對泵浦光功率的要求及對激光閾值、出光功率的影響。同時，通過實驗操作學生對耦合器、波分復用器等無源光纖器件更了解，對光纖熔接機、泵浦激光器、光譜儀、光功率計等設備熟練操作。

本文突出理論與實驗結合，使學生對激光器理論了解更透徹，同時提高學生的實驗操作能力，引導學生思考和探索，培養科研能力。