基于光纤光栅调谐的掺铒光纤激光器的实验研究

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西北大学硕士学位论文摘要为了满足超高速、超大容量光纤通信的要求，人们不断研制出新的通信模式。光纤激光器以其低阈值、高效率、高光束质量、可靠性好、结构紧凑和散热性好等诸多优点，从一开始就受到普遍重视，并广泛应用于光通讯、航空航天、生命科学、军事及工业领域。伴随着人类社会信息时代的到来，光纤激光器得到了更加迅速的发展。其中，掺铒光纤激光器一直是近几年光纤激光器研究的主要方向，掺铒光纤激光器是一种新型的激光器和有源光学器件。本文主要研究的是环型腔掺铒光纤激光器。首先，介绍了课题研究的目的，概述了掺铒光纤激光器的基本原理及其几种分类方法，国内外光纤激光器的研究与发展现状等。其次对掺铒光纤激光器实验所用的主要光电器件进行了描述，主要包括掺铒光纤、LD泵浦源、波分复用器、光纤光栅、隔离器。再次对影响光纤激光器输出功率的因素进行分析，实验发现光纤激光器输出功率与铒纤长度和耦合器输出耦合比有关，进而得到最佳铒纤长度和最佳输出耦合比。然后，对环型腔掺铒光纤激光器的结构进行了优化，提出一种新颖的结构模型，并利用优化的参数使该激光器输出功率较高，最后进行了基于光纤光栅调谐的光纤激光器的实验研究，实验采用新的掺铒光纤激光器结构，对不同的温度栅和压力栅进行波长的调谐实验，并分析可知对于不同的封装结构，波长调谐范围是不同的，也就是说增敏技术对可调谐范围有着较大影响。关键词：光纤激光器，掺铒光纤，环型腔，光纤光栅，调谐 摘要ABSTRACTInordertosatisfytherequestofsuperhigh-speedandsuperhigh—capacityopticalcommunicationsystem，peoplekeepsdevelopinglotsofopticalcommunicationmodels．Fiberlaserhasattractedmuchattentionforitsadvantagesoflowthreshold，highefficiency,beamquality,reliability,compactnessandthermalmanagementfromitsemergence．Itiswidelyusedinopticalcommunication，aviationandspaceflight，lifescience，militaryandindustry．Wheninformationtimecoming，fiberlaserdevelopedmorerapidly．Besides，theerbium—dopedfiberlaserhasbeeninvestigatedasthemaindirectioninrecentyears．Erbium--dopedfiberlaserisanewkindoflaserandanactiveopticalappliances．Inthispaper,theauthorstudiedtheerbium—dopedfiberringlaser．Firstly,theauthorintroducedtheresearchintentofthefiberlaser,summarizedthebasicprincipleandseveralclassificationmethodsoffiberlaser,andtheresearchanddevelopmentoffiberlaserathomeandabroadinrecentyears．Secondly,theauthordescribedthemainlylightandelectricappliancesoftheerbium-dopedfiberlaser,includingtheerbium—dopedfiber，LDpumping，WDM，fibergrating，isolatoretc．Thethird，thetheoryofEDFlaserwasdiscussed．TheexperimentshowedthattheoutputpowerofthelaserWasrelatedwiththelengthoferbium-dopedfiber，thecoupled—rationofoutputcoupler．Thenthefitlengthoferbium—dopedfiberandfitcouple-rationofoutputcouplerWasgained．Thenweproceededtheexcellentturningwiththeconstructionoftheerbium-dopedringfiberlaser,andissuedannewstructuremodel．Thisfiberlasercontainshigherexportpower．Atlast，studingthetunablemechanismoftheerbium—dopedfiberlaser,accordingtothemethodofthefibergrating，theexperimentadoptedthenewstructure，usingthedifferenttemperatureandpressure’Sfibergratings．ItCanbeanalysisedthatthedifferentstructuredeterminedthedifferenttuningrange，enhancementtechnologyhasagreateffectonthetunerange．Keywords：fiberlaser，erbium—dopedfiber，ring—cavity，FBG，tulleII 西北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》或其它相关数据库。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：奠晚施指导教师签名：厶鲋协’年占月玎日砌夕年占月b-Et西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：j菪蛐渤，年石月，厂日 西北大学硕士学位论文1．1光纤激光器的发展背景第一章概述随着科学技术的日新月异，我们早已进入信息化时代，海量信息在全球范围内的高速传输突破了地域限制，各种各样的信息通过传感获得、计算机处理、网络传递输进入我们的生活。电子学技术的发展是信息化时代的基石，电子元器件作为信息传递的物质载体，为信息化发展做出了非常大的贡献。但是，电子技术的局限性也十分明显，在电子载体固有特性的局限下，不管是信息传输与共享的安全性，还是信息传输容量、交换实时性、处理速度等方面，电子载体的运输能力都已陷入难以突破的“瓶颈"。早在1966年，年轻工程师英籍华人高锟大胆地提出发送高速信息脉冲到一根纤细的玻璃丝中的概念，并且在英国Harlow(AT&T)实验室作了一系列实验，证明这是可以实现的n1。所以利用光的特性，用玻璃或塑料制成的并以光波形式传输信息的光纤无疑是通信介质的最佳选择。光纤的发明，引发了一场通信技术领域的革命，因为光纤传输拥有信号衰减小、噪声控制好、带宽好以及光纤尺寸小和重量轻等优点，所以光纤通信迅速成为当今信息技术发展的一个重要标志，这是一个极具活力的庞大产业。光纤激光器被称作激光领域的新型技术，近年来成为科学研究领域的热点，它的发展和应用得到了社会各方面的广泛重视。人们从20世纪60年代开始研究以掺杂光纤作为增益介质的光纤激光器，上世纪80年代末期，基于半导体激光器技术和光纤制造技术的进步，光通讯技术得到长足发展，其中大功率光纤激光器应用方面的研究备受关注，并取得了实质性突破¨儿川。在基础技术方面，采用半导体激光二极管作为泵浦源，光纤为波导和增益介质，结合光纤光栅、耦合器等基础光纤元件，使这种激光器内部构成紧密，并且无须光路机械组件，集成便利。在频域上，基于光纤传感技术和波分复用技术的支持，能够实现多波长可调谐输出；在时域上，基于激光锁模技术的支持，激光器已经能够产生皮秒级超短变换极限光脉冲。这些技术特性使光纤激光器能够支持更高的信息传输速度，从而广泛应用于现代通信领 第一章概论域。1．2光纤激光器的基本介绍1．2。1光纤激光器的特点光纤激光器是当前信息化时代技术研究领域中最前沿的研究课题之一，随着激光二极管泵浦技术以及光纤材料和工艺研究的进展，各种类型的光纤激光器能够适合于不同的应用场合，其应用领域也从之前光纤通讯领域迅速地向其它更为广阔的激光应用、光纤传感及光纤陀螺等领域扩展。目前光纤激光器的开发研制主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下，光纤内能形成很高的功率密度，造成激光能级粒子数反转。若用正反馈回路构成谐振腔加在其中，便可形成激光振荡。因为光纤有很宽的荧光谱，所以光纤激光器一般都可做成可调谐的，适用于光波分复用技术中。半导体激光器在光纤通讯领域发挥了非常大的作用，但是由于存在与传输光纤耦合难度大、系统维护经济性差等制约因素，影响了光纤通讯系统的发展。与半导体激光器相比，光纤激光器具有无可比拟的优势，主要表现在：(1)增益介质长，能使泵浦光充分被吸收，使总的光一光转换效率提高，这是其他激光器所无法比拟的。(2)光纤的表面积与体积的比值大，工作物质的热负荷相当小，能产生很高的亮度和高峰值功率，散热效果较好，环境温度允许在．20。C-70。C，不需要庞大的制冷系统。(3)由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，可以与系统的传输光纤进行耦合，还可以采用光纤光栅、耦合器等多种光纤元件，而且光纤柔韧性好，因此光纤激光器的体积小，结构简单且使用方便。(4)光纤激光器内的谐振腔无光学镜片，腔镜可直接制作在光纤截面上，或采用光纤耦合器的方式构成谐振腔，具有免调节、高稳定性的优点。(5)光纤激光器具有波导式结构，光纤在激光器中既是增益介质又是光的导波介质，因此耦合频率高。2 西北大学硕士学位论文(6)通过在光纤中掺杂不同的稀土离子，光纤激光器输出激光的波长范围可以达到380nm-3900nm。另外，如果加入光纤光栅，光纤激光器还能够实现输出波长的可调谐。1．2．2光纤激光器的基本结构通常光纤激光器是由增益介质、光学谐振腔和泵浦源三部分组成。其中增益介质的作用是实现粒子数反转并产生激光，是激光器的心脏；光学谐振腔的作用是使光子得到反馈在增益介质中谐振放大，并对振荡光束进行控制：泵浦源由一个或多个大功率激光二极管构成，能够激励光子产生跃迁。为了形成稳定的激光，首先必须要有能够形成粒子数反转的发光离子，我们称之为激活粒子”】，它们可以是分子、原子或离子。这些激活粒子有些是独立存在的，有些则必须依附于某些材料中。给激活粒子提供寄存场所的材料称为基质，基质是固体或液体，它与激活离子统称为激光工作物质。光纤激光器的基本结构是法布里一波罗(Fabry-Perot)谐振腔，结构如图1．1。图中，在两个镀有高反射率膜的反射镜中间放置一段掺杂稀土离子的光纤。泵浦光通过左边的反射镜耦合进入光纤内，这个反射镜能够对泵浦光产生全透射，对激射光产生全反射，这样能有效避免由于泵浦光的谐振作用而造成输出光稳定性差的问题，能更加有效地利用泵浦光。右边的反射镜能够对激射光产生部分透射，造成激射光子的反馈。这样泵浦波长上的光子被掺杂光纤吸收，发生粒子数反转产生受激辐射，进而输出激光【61【71。F．P腔掺杂光纤F．P腔激光输出部分泵浦光图1．1光纤激光器原理图下面进一步介绍构成光纤激光器的三部分：1．增益介质用掺稀土元素光纤作为增益介质，稀土元素有十五种，其中比较常用的光3 第一章概论纤掺杂离子为铒(Er3+)、钕(Nd3+)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、镱(Yb3+)、钬(H03+)等。2．泵浦结构泵浦结构的设计是高功率光纤激光器的一项关键技术。目前比较成熟的泵浦结构有端面泵浦和侧面泵浦两种，在前期研究阶段两种结构都被广泛采用，大多数中小功率的器件都采用端面泵浦，大功率的器件都采用侧面泵浦。但它们各自都存在不可避免的缺点，端面泵浦结构中泵浦功率的提高会受到包层横截面积的限制，侧向泵浦结构中采用透镜准直聚焦，会造成系统稳定性下降。目前，泵清结构的设计有了进一步的创新，研究发现把掺稀土元素的光纤盘成圆盘或圆柱等形状，在光纤缝隙中填充材料，要选择与光纤包层的折射率相同的材料进行填充，泵浦光从光纤的边缘输入，可以多次穿过掺杂纤芯，这样会增大泵浦光的吸收面积，同时提高光纤中掺杂元素对泵浦光的吸收效率。这些特殊形状的光纤激光器能够极大的提高输出激光的功率。3．光学谐振腔目前，高功率光纤激光器的谐振腔有两种，可以分别用二色镜或光纤光栅构成谐振腔f9J。用二色镜做谐振腔一般要在防震的光学平台上才能实现，这样才能提高光纤激光器的可靠性和稳定性，但这样做就不利于产业化与实用化的发展。如果选用光纤光栅做谐振腔，因为光纤光栅是低损耗器件，具有极好的波长选择特性，可以透过紫外诱导在光纤纤芯形成折射率周期性交化。采用光纤光栅做谐振腔能够简化激光器的结构，使线宽窄化，提高信噪比和可靠性，进而提高了光束质量。另外，原来采用二色镜做谐振腔提供激光反馈会带来损耗，采用光纤光栅时可以将泵浦源的尾纤与增益光纤熔接为一体，降低了光纤激光器的阈值，提高了输出激光的斜率效率。1．2．3光纤激光器的种类光纤激光器可以按照谐振腔结构、掺杂介质、增益介质、工作机制、光纤结构、输出激光和输出波长等进行分类，如表1．1，表I．1光纤激光器的分类【lo】4 西北大学硕士学位论文分类标准光纤激光器的种类谐振腔结构线型腔、环型腔、环路反射器光纤谐振腔、“8”字形腔掺杂元素铒(Er3+)、钕(Nd秘)、镨(Pr3+)、铥(Tm3+)、镱(Yb3+)、钬(H03+)等15种工作机制上转换光纤激光器、下转换光纤激光器稀土类掺杂光纤激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料增益介质光纤激光器光纤结构单包层光纤激光器、双包层光纤激光器输出激光脉冲激光器、连续激光器S波段光纤激光器(1280-1350nm)、C波段光纤激光器(1528—1565nm)、L输出波长波段光纤激光器(1561-1620nm)下面就表中光纤激光器的几种类型进行简单分析：1．按谐振腔结构分类根据腔结构的不同，可以分为“8"字形腔、环型腔、线型腔等，其中线型腔和环型腔较为常用。(1)线型腔线型腔的基本结构如图1．2所示，一段掺铒光纤夹在两个反射镜之间，泵浦光从反射镜M。入射到掺铒光纤中，激射光从反射镜M。输出，M．对激射波长全反射，M。对激射波长部分反射。这种结构一般用于制作单频窄线较宽的光纤激光器。反射镜EDF反射镜Output图1．2线型腔基本结构图目前在实际应用中经常在线性腔中加入光纤光栅，被当作反射镜或滤波器使用。光纤光栅由光纤制成，是一种新型的的光子器件，在特定波长处具有较5 第一章概论高的反射率。基于光纤光栅的线性腔基本结构分DBR型和DFB型两种，结构如图1．3所示【lll，(a)布拉格反射式(DBR)(b)分布反馈式(DFB)图1．3线型腔激光器结构图n21(a)DBR光纤激光器是在掺杂光纤的两端放置两个光纤光栅(FBGl、FBG2)，要求这两个光纤光栅的反射率很高，它们在腔内起到反射镜的作用。另外，还可以选用环形器、光纤环等构成反射镜代替谐振腔一端的光栅，另一端仍用光栅选择激射波长，这样在腔内去掉一个光栅可以增加输出激光的稳定性。(b)DFB光纤激光器是把光纤光栅直接写在掺铒光纤上，这种谐振腔结构中有源区和反馈区同为一体，这样在谐振腔内只用一个光纤光栅就可以同时实现光反馈和波长选择，所以这种光纤激光器频率稳定性好、边模抑制比高、信噪比高和功率输出高。(2)环型腔在线性腔内要用到两个反射镜，在实际中要想制作两个波长相同、反射率高、且波长窄的反射镜比较难，这时可以采用环型腔结构，就是利用光环形器或波分复用器把激光器的谐振腔做成环形结构，在环型腔外可以利用光纤光栅或光纤环镜来进行波长选择。采用这种结构能够提高系统的稳定性，同时降低制作难度。环型腔结构在后面章节中会做重点分析。2．按增益介质分类光纤激光器根据增益介质的不同进行分类，有稀土类掺杂光纤激光器、非线性光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器等几种类型。稀土类掺杂光纤激光器本文后面部分会有具体分析，下面简单介绍另外几种：6 西北大学硕士学位论文(1)非线性效应光纤激光器‘”】主要有光纤受激拉曼散射激光器和光纤受激布里渊散射激光器两种。其中，利用强激光与介质分子之间的作用产生的受激声子对入射光的散射，就是受激拉曼散射，它是在单模光纤的后向发生。利用这种散射作用制成激光器就是光纤受激拉曼散射激光器，它可以把泵浦光的能量转换为光信号的能量。把这种激光器和稀土类掺杂光纤激光器比较发现，它不受泵浦源限制，饱和输出功率较高，目前广泛应用于光纤传感、波分复用及相干光通信系统等领域。(2)单晶光纤激光器红宝石、Nd：YAG等单晶材料与块状或棒状的同类晶体相比具有更好的性能，它们可以拉制成光纤，用这些单晶材料的光纤制成的激光器就是单晶光纤激光器。例如，LiNbO。(铌酸锂)单晶体光纤，它可以用在倍频激光器中，由于这种光纤的制备技术尚不成熟，而且它的传输性能差，所以这种光纤激光器并未广泛应用于生产【14】。3．按输出光波组成分类(1)单波长光纤激光器单波长(单纵模)光纤激光器一直是研究的热点，由于它具有很好的模式特性，不存在模式竞争，输出功率稳定等特点，所以在光通信，传感、光谱学等领域都有广泛的应用。(2)多波长光纤激光器目前通信系统的传输容量提出了更高的要求，减小信道间隔和增加信道数目成为密集波分复用(DWDM)技术进一步发展的必然趋势，由于采用多个单波长激光器的造价较高，所以研究高性能的多波长光纤激光器具有重要意义。4．按光纤结构分类(1)单包层光纤激光器结构如图1．4(a)。7 第一章概论泵浦光泵浦(a)单包层掺稀土光纤激光器保护层包层内包层掺稀土纤芯伯)双包层掺稀土光纤激光器激光图1．4光纤激光器结构图(2)双包层光纤激光器：这种光纤激光器的结构如图1．4(b)，双包层光纤由纤芯、内包层、外包层、保护层四部分组成。其中，纤芯是激光振荡的通道，由掺稀土元素SiO，组成；内包层是泵浦光的通道，也是由SiO，组成，内包层中的SiO，横向尺寸和数值孔径都大于纤芯，但折射率小于纤芯；制作外包层的材料折射率小于内包层的；保护层是硬塑料，用来保护光纤。泵浦光在内包层内部被反射，然后很多次穿过纤芯，能量被纤芯中的掺杂离子吸收。由于内包层中的SiO，折射率小于纤芯的，这样使得激光在单模纤芯中振荡，并有高质量激光的输出[18]o1．3光纤激光器的应用光纤激光器的应用从以下几个方面来说。1．通讯方面：由于激光的方向性极好，频率高，用它作为光纤通信光源是最佳选择。目前，为了实现单模、单频和低噪声，在光通信和光传感领域中，8 西北大学硕士学位论文大量使用以布拉格光纤光栅作为反馈和模式选择的光纤激光器。光纤激光器能提供波段为1．30／慨n和1．55朋的激光，这两个属于低损耗波段，其中1．55朋光纤激光器的泵浦源一般选择半导体激光器，这样在降低成本的同时还保证了高质量的激光输出(161。目前，利用光纤激光器输出的激光谱线范围在2-3朋，这个波段的输出在中红外通信中有着潜在的应用价值。2．工业加工方面：激光器被广泛应用于打孔、切割、焊接等方面，因为激光的亮度极高，而且定位精准。在打标行业中，光纤激光器对半导体的打标效率极高可达微米量级，它也可以用来对塑料和金属打标。美德两家公司合作研究出一种光纤激光器可以焊接不锈钢薄片。在这项研究中用一个直径为50mm的聚焦透镜，焊接不锈钢薄片时焊缝宽度小于1∥所，焊点直径在70／zm以内。这项研究技术可以用于微机械领域，如焊口切槽、打弯、准直、解压、焊接及热处理等方面【1们。3．军事方面：由于光纤激光器结构小巧紧凑，对温度与震动的稳定性好，尤其是包层泵浦技术的发展，因此可以应用于军事领域，激光武器一直是军事领域防御和进攻中研究的重点。2001年的《光机电信息》第二期报道【18】：美国空军实验室研究开发一种亮度高、光照面积小的系统，把光纤激光器的激光输出功率提高到千瓦数量级上，在激光防御武器中使用这种系统，进而替代广泛使用的化学激光器。在武器制造中还可以应用高功率光纤激光器，它的特点是输出能量高度集中，光功率密度可达140mW／cm2，传播速度为3×108m／s，用它锁定目标时不用计算提前量，射击后坐力非常小，还能够随意调整瞄准方向，把它用在作战中可以精准迅速的摧毁任何坚固的目标。另外，光纤激光器在定位、测距、遥感、跟踪制导和模拟打靶等方面也有着广泛的应用。4．印刷工业方面：光纤激光器具有极高的热稳定性和转换效率，所以大量的应用于印刷工业，印刷厂利用它可进行扫描和调制，它可以在一块干衬底表面上形成图片，坐标单位仅为10∥聊。在图形绘制工业中，光纤激光器可用于热内鼓直向平板图像系统，其要求高功率和受限衍射束质量。目前，国外许多印刷厂家已采用双包层光纤激光器来校样和制模。以前印刷领域采用湿照相技9 第一章概论术生产预制图像和印刷图版，近几年研究使用即时的热致式和数字式介质来进行校样和图版研制。这种“干"介质无需化学处理，它们更方便，也更有利于环保，所以今后趋势是采用这种介质的全数字工作流程，双包层光纤激光非常适合于这一应用119]。另外，在商业制标行业中，调制光纤激光器输出的激光，然后沿表面扫描，在半导体芯片及包装上可以制作出微小的铬牌。5．医疗方面：激光器在医疗上的应用最早，在它诞生的第二年就应用到医疗领域。因为光纤激光器体积小、光束质量好，无需庞大的水冷系统，大大缩短手术时间，已广泛应用在治疗眼科疾病、心血管手术、整型美容、皮肤病等方面。功率超过几瓦的镱光纤激光器在缝合、激光美容、疏通血管、除斑、烧灼等方面也应用广泛。另外，因为双包层光纤激光器价格低廉，没有气体、染料、溶液和特殊的应用要求，医学上已把它用于共焦显微镜中，这样在一个器件中可以同时实现低功率成像和高功率治疗雎01。目前光纤激光器的市场销售额己达百亿美元并且市场占有率还在逐年增加。在近些年，己有几百种光纤激光器产品在全球范围内销售，它们在工业领域中得到广泛应用。随着功率为千瓦级光纤激光器的研制成功，在高技术领域中高功率光纤激光器具有其他激光器无法比拟的优越性。随着科学技术的飞速进步，光纤激光器的发展还会有更为广阔的空间乜¨：(1)扩展新的输出激光波段，拓宽光纤激光器的调谐范围；(2)全面提高全光纤激光器的性能，如进一步提高输出功率、改善光束质量、使激光谱宽变得更窄等；(3)开发极高峰值的超短脉冲(芦和厣量级)高亮度激光器；(4)进行光纤激光器整机小型化、实用化、智能化的研究；(5)研制全光纤激光器并推广应用，扩展光纤激光器的应用领域，实现它与光纤通信系统高效率的连接；随着光通信网络及相关领域技术的飞速发展，特别是以光纤光栅、滤波器、光纤技术、光子晶体光纤等为基础的光器件陆续面市，为光纤激光器的设计提供新的思路，光纤激光器的开发和研制正向多功能化、实用化方向发展。10 西北大学硕士学位论文2．1掺铒光纤第二章掺铒光纤激光器的设计原理2．1．1掺铒光纤的基本结构掺铒光纤激光器的主要技术在于掺铒光纤和泵浦源。光纤的基本结构是两层圆柱状介质，内层为纤芯，外层为包层，纤芯的折射率n，比包层的折射率稍大，图2．1(a)为单根光纤结构图。当满足一定条件时，入射光波就能沿着纤芯向前传播，实际的光纤在包层外面还有一层保护层，其用途是保护光纤免受环境污染和机械损伤。瑞典的莫桑德于1843年发现了铒元素(Erbium)，铒的光学性质非常突出。掺铒光纤的制作方法与常规光纤相同，以石英光纤为基质材料，把一定比例的稀土元素铒离子掺入纤芯中制成的。因为光放大是由铒离子完成，在制作过程中要提高光纤中的铒离子浓度，也就是要增加硅光纤单位体积中的铒离子数目，所以要减少掺铒光纤的纤芯直径，就是要减小它的模场直径，而且使铒离子都集中在小纤芯的中心区域，铒离子浓度大约为100—2000ppm，在市场上已有铒离子浓度高达5000ppm的掺铒光纤，如图2．1(b)为掺铒光纤结构图。掺铒光纤的模场直径范围大约为3-6岬，掺铒光纤的包层和保护层的尺寸与单模、多模光纤相同，它们之间的不同点在于纤芯尺寸，单模光纤的纤芯为8．3岬，多模光纤的纤芯为50Dm或62．5岬，掺铒光纤的纤芯尺寸范围为2．8-5．29m[221。(a)普通光纤 第二章掺铒光纤激光器的设计原理2．1．2掺铒光纤的发光机理(b)掺铒光纤图2．1光纤结构示意图1．激光的产生原理(1)能级原子数分布规律光的受激辐射过程是激光器的物理基础。原子系统达到热平衡时，根据玻耳兹曼分布规律，能级En上的原子数满足规律【231：M～P-且(2．1)式中，T为热平衡时的热力学温度，K为波尔兹曼常数。设E和巨为任意两个能级，且易>互，则两能级上的原子数之比为：生：e等<1(2．2)N1这表明，在热平衡时，高能级上的原子数N：总是小于低能级上的原子数Nl。(2)光的吸收与发射爱因斯坦从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式，认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射、受激辐射和受激吸收三种过程。40年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。12 西北大学硕士学位论文(a)自发辐射不同的原子具有不同的能级结构，一个原子中最低的能级叫基态，其余的能级叫激发态。在通常情况下，处于激发态的原子是不稳定的，在没有外界影响时，它总是依据一定的辐射跃迁定则自发地向低能级跃迁，并发射一个能量为ho(D为频率)的光子，这种不受外界影响的、自发进行的辐射过程称为自发辐射，所发射光子频率满足下式：E2一El=hU(2．3)自发辐射的特点是每个原子的跃迁都是自发的、独立进行的，过程完全不受外界影响，原子之间也毫无联系，且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，但它们之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，并且各原子所发的光将向空间各个方向传播，所以自发辐射的光是非相干光。假定在激光介质中处于高能级E的粒子数密度为N，，则单位时间和单位体积内，由能级易通过自发辐射跃迁到能级臣的粒子数dN：。为，降0划：。弦4，式中，负号表示易能级的粒子数密度减少，4，为自发辐射系数，表示一个处于E能级的原子在单位时间内从最自发辐射到巨的概率，对于不同种类的原子或者同一种类的原子的不同谱线，4。的数值均不同。(b)受激辐射在自发辐射之前，处于高能级历上的原子，如果受到外来光子的激励，外来光子能量为E：一E。=hU，将向低能级E。跃迁，并辐射一个能量为hU的光子，辐射的这个光子与入射光子是全同光子，它们的频率、相位、偏振方向以及传播方向等完全相同，这种跃迁过程叫做受激辐射。与自发辐射不同的是，受激辐射跃迁过程是一种被迫的、受到外界光辐射影响和控制的过程。光的受激辐射起增加光强的作用，是光放大产生的基本机制。受激辐射过程满足：降L=B21¨肌一刚：。汜5，13 第二章掺铒光纤激光器的设计原理式中，负号表示易能级的粒子数密度减少，B：，为受激辐射系数，是原子能级系统特征参量，W2。=B：，Wu(T)称为受激辐射跃迁概率，它表示岛能级上每一个原子单位时间内发生受激辐射的概率，WU(T)为单色光辐射能量密度，WU(T)=丁87rhv3·南(2．6)五为普朗克常数，D频率，尼为波耳兹曼常数，f为温度。受激辐射具有以下两个特点：(i)只有外来光子的能量为E：一E。=ht)时，才能引起受激辐射；(ii)受激辐射所发出的光子与外来光子的特性完全相同，即频率、相位、偏振方向、传播方向都相同。受激辐射与自发辐射的区别在于相干性，自发辐射是不受外界辐射场影响的原子的自发过程，它不能自发产生，必须吸收外来光子才能产生，不同原子辐射的场互不相关，因而自发辐射是非相干的【251。自发辐射的能量平均分配在腔内所有模式上。受激辐射是在辐射场的作用下产生的，辐射光子与入射光子具有相同的频率、相位、传播方向和偏振，属于同一模式，因而受激辐射是相干的。这样通过一个光子的一次受激辐射，就变为两个相同的光子，而两个又变成四个，四个变成八个⋯⋯光在瞬间雪崩式的被加强、放大，产生激光。(c)受激吸收处于低能态的E，的一个原子，在频率为D的辐射场作用下会吸收一个能量为．7，u的光子，并跃迁至高能态E，上，这种过程称为受激吸收，与受激辐射的过程恰好相反，可表示为，[警]吸收=B12Wvm吨N。亿7，式中，B，：称为吸收系数，WI：=B。：w。(T)称为受激吸收跃迁概率，表示在外来光照射下，E。能级上的每一个粒子单位时间内受激吸收发生的概率。把A：。、B：，和B。：这三个系数统称为爱因斯坦系数，表示在一定辐射场下的原子能级系统的特征量，它们与能级原子数分布状况没有关系，它们之间满足： 西北大学硕士学位论文Bi25B2l么：，=18nhrv3B：(2．8)(2．9)(3)粒子数反转【261激光的产生是一个放大过程，必须实现粒子数反转，由上面的公式可以得出，刚。刚嗽=B21删N2-N1，亿㈨在热平衡条件时，高能级的粒子数小于低能级的粒子数，光在介质中的受激吸收比受激辐射强。要使光的受激辐射反过来大于受激吸收，发光物质需要吸收外界能量，保证高能级的原子数密度N，大于低能级的N，，才能使受激辐射变强，这一过程称为泵浦(也称为激励或者抽运)，这种非热平衡状态就是粒子数反转。粒子数反转形成的过程要借助于光子能量较高的光源进行泵浦，而且要求参与激光工作的能级超过两个，通过泵浦光作用粒子被激发到高于激光工作上能级的某个能级上，换句话就是在泵浦光作用下要使激光光子的波长大于泵浦光子的波长。处于粒子数反转状态的物质称为激活介质或增益介质。(4)应有适宜的光学正反馈回路来保证形成激光振荡，或者提供合适的谐振腔，激光振荡还要满足阈值和相位条件。激光输出可以是连续形式，也可以是脉冲形式，这由激光器内工作介质的自身特性决定。当激光上能级的发射寿命大于下能级的发射寿命时，可以获得较高的粒子数反转，这时输出的激光是连续形式的。反过来，当激光上能级的发射寿命小于下能级时，输出的激光是脉冲形式。激光的产生是一个放大过程，在这个过程中受激辐射所占的比例远大于自发辐射。激光产生的基本条件可归纳为：形成粒子数反转、提供光反馈、满足激光振荡的阈值条件。2．掺铒光纤的发光原理当掺铒光纤被泵浦时，随着泵浦光功率的变化，按照泵浦光强弱程度的不同，掺铒光纤可处于三种不同的状态：15 第二章掺铒光纤激光器的设计原理(1)弱激发状态：当泵浦光较弱时，高能级的原子数密度N：小于低能级上的原子数密度N，，这时粒子数正常分布，掺铒光纤中只存在着自发辐射荧光，并且工作物质对荧光有吸收作用。(2)反转激发状态：当泵浦光较强时，高能级的原子数密度N，会随着泵浦光功率增强而变大，自发辐射的粒子数目随之变大，同时它们之间的相互作用也变强。一旦N：超过N。时，就会发生粒子数反转，原先各个粒子进行自己的自发辐射，现在会慢慢变成很多粒子共同进行的受激辐射，这种自发辐射的放大所产生的辐射就是超荧光汹】。在这种状态下，自发辐射的光子被受激放大而雪崩式地倍增，但由于不满足阈值条件，因而不能形成自激振荡，输出光是放大的自发辐射。这个过程与自发辐射不同，超荧光的状态分布不再是均匀的，谱线宽度比荧光光谱宽度窄。(3)超阈值激发状态：当泵浦光特别强时，掺杂光纤中辐射放大增益会完全抵消系统的损耗，使白发辐射满足阈值条件，这样形成自激振荡进而产生激光。因此，利用光纤中放大的自发辐射过程制作的无谐振腔的掺铒光纤放大器就称为掺铒超荧光光源(ASE)【29】。用980nm或1480nm半导体激光器对掺铒光纤激光器进行泵浦，它可以发射位于1550nm波段的激光。下面用铒离子的三能级系统来具体分析掺铒光纤的光放大功能如图2．2‘301，图中基态能极为4厶∥，激发态能极为4‘∥(也称亚稳／Z态)、稳态能极为4‘，／。16 西北大学硕士学位论文980nmEl图2．2铒的能级简图在泵浦光的激励下，处于基态的Er3+离子在吸收泵浦光子后被激发到4‘。，／2稳态能级，再通过非辐射跃迁衰变到4‘，，激发态能级，它的速率远大于通过其。72他过程衰变的速率，这样就能够有效的避免在泵浦波长上的受激辐射过程。掺铒光纤放大过程的关键在于4锄能级和4厶％能级的寿命Ⅲ1。4锄能级的寿命大约为1ps，而4厶％能级的能级寿命则约为lOms，远远大于4厶必能级的寿命，所以经泵浦光运输到4厶蟛能级的载流子将很快跃迁到4‘彰能级，很容易造成4Ila／能级上的铒离子不断积累，满足粒子数反转的条件。光纤吸收泵浦／2能量后，激发态上的粒子会以受激辐射的形式跃迁到基态，同时产生和泵浦光信号性质完全相同的光子，从而大大增加了信号光中光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中的不断放大。在铒离子受激辐射的过程中，还有少部分粒子以自发辐射的形式跃迁到基态，产生带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播过程中不断得到放大，从而形成了放大自发辐射噪声，消耗部分泵浦功率。3．掺铒光纤的泵浦特性图2．3所示的为铒离子三能级激光系统1321，仍然是能级1为基态能级，能级2为激发态能级，能级3为稳态能级。此时能级3寿命短，能级l与能级2间产生粒子数反转分布，相关的激光跃迁发生在能级3与能级l之间。17 第二章掺铒光纤激光器的设计原理Jl＼’＼＼。’、．＼A32’、慊＼＼凡2＼、、、二．170IJL●RlqRRW12W2lA2JA21A；I1r1r1r1r1r能级3能级2能级l图2．3三能级激光系统图在图2．3中，足。和坞。分别为能级1与能级3的泵浦率和受激辐射概率，在能级3上可能存在自发辐射跃迁与非辐射跃迁两种跃迁过程，其跃迁速率分别为A3R(A}=A曼+A§)与A登，W12、W2。分别为能级l、2间的受激吸收概率与受激辐射概率，激发态能级2的自发辐射与非辐射跃迁速率之和为A2R=A2R!+A2翼R。假设N。为在第1能级上的粒子数(i=l，2，3)，Ⅳ1、Ⅳ2与Ⅳ3分别为分布在能级l、2、3中的粒子数，则N。=Nl+N2+N3。由图2．3可写出与这些粒子数相应的原子速率方程为m】：等=一(R13+Wl：)N。+(W2。+A翕+A紫沁：+(m31-4-A要加，(2．11)警=Wl：N，一(W2。+A袅+A2署)N：+(R雾+A3RI心，(2。12)一dmN3=R15N，一(R，。+A磬+A曼+A要加，(2．13)下面考虑速率方程的稳态情况，此时粒子数为时间上变量，即五Ⅳl／旃=o(i=1，2，3)。取口=马l+彳磬+’彳墨+彳曼，6=％l+么翥+么眢，C--R3l+彳￡，d=舒+磷，则可以从(2．12)、(2．13)导出，暇2Ⅳl一6Ⅳ2+m=0913NI—aN3=018(2．14)(2．15) 西北大学硕士学位论文利用Ⅳf=Ⅳl+Ⅳ2+Ⅳ3，解出NI和Ⅳ2为，Ⅳl=M万丽万ab际瓦M=M≤撬(2．16)(2．17)若假定来自能级3的非辐射跃迁远大于辐射跃迁，即筒>>鬈+磷，能级2的自发辐射率远大于非辐射衰减率，即筏>>筒，若再假设非辐射衰减率远大于泵浦率，即A磬>>R。，，则方程式可改写为，Ⅳl=M鬲瓦l+丽W2：Ⅳ2=M雨瓦R13f丽+W12z"(2．18)(2．19)由上式可知，Ⅳ3=M一Ⅳ1一Ⅳ2=0，即从激发态能级向亚稳态能级的非辐射跃升占主导地位时，激发态能级上的粒子数将可以忽略不计。当激光器达到稳定工作时，dN2／dt=0，由(2．1．4)式得到由此6；一N2-NI=兰：壶No11。R13+—!一+2W12l+型；二堕11+8No卜81一堕!二型!No(2．20)：辈吐堕(2．21)二+W12t112上式的右端可理解为光泵的抽运能力，它是将一个基态粒子抽运到高能态3的速率与一个处于能级2的粒子的自发辐射速率之比。在阈值附近时，而1+8叫q，=可rlR_13(2-22)显然，在能级2与能级1之间形成粒子数反转时，8>0，由(2—17)式， 第二章掺铒光纤激光器的设计原理上式司写作懈t，2q毒％州所求出使粒子数反转的光泵辐射强度为，=cp◇py≈印。，Av由(2—18)式，上式可写作I≥—cAvA—2,RzlBt3根据盯。：p)：业，圆。。69◇)式，有B13≈≠L磊3△y，ly13代入(2．19)式，得到(2．23)(2．24)I≥坐!i垒!!：(2．25)tiO'13吸收界面可由实验测定。本实验中增益介质铒光纤为三能级结构，当泵浦光增大到一定程度，以至使能级l上的粒子数大量积累，由其粒子数的速率方程可得到(2．25)式，满足粒子数反转条件，可产生激光输出。2．1．3掺铒光纤的熔接光纤的接合方法分为机械连接和熔接两种。熔接光纤时要注意减少损耗，单模光纤熔接时损耗大约在0．01—0．07dB。单模光纤纤芯直径在8gxn一10p,m，掺铒光纤纤芯直径在2．8pm一5．2肛l，很明显常规光纤直径和掺铒光纤直径在数值上差距很大，如果要把它们熔接在一起，引入的损耗必然很大【34l。在实际中经常使用光纤熔接机进行光纤的熔接，熔接机中用软件来控制纤芯掺杂物扩散进入包层形成锥形区域，如图2．4为光纤熔接图，其中(a)为常规光纤(单模光纤)之间的熔接，(b)为常规光纤与掺铒光纤的熔接。20 西北大学硕士学位论文常规光纤掺锊光乡t图2．4两类光纤熔接示意图掺铒光纤的接合方法又分为以下三种【36】：(1)上行渐细方法：也称为热扩散膨胀纤芯方法，通过在光纤加热段中扩散掺杂物来增加掺铒光纤的纤芯直径，加热是用同一个熔接接头来完成，这样可以减少了两种光纤模场直径的不匹配；(2)下行渐细方法：在熔接过程中把常规光纤和掺铒光纤都拉细，可以更大程度的减小常规光纤的纤芯直径，减小两种光纤纤芯直径的不匹配；(3)使用过渡光纤方法：若常规光纤和掺铒光纤具有相同的包层和涂覆层直径时才用到这种方法，使用过渡光纤可以减少每个接头处模场直径的不匹配，但同时会增加了附加的接合损耗。实际中用光纤熔接机来完成熔纤操作，在熔接前，首先对光纤进行剥离涂覆层、清洁、切割等工作，然后根据光纤的类型采取合适的熔接方式，根据光纤熔接机的估算损耗值。由于光纤的涂覆层被剥离后光纤较脆易断裂，不能弯曲弧度过大，如果需要熔接的地方较多，注意接头的临时性保护，避免人为造成光纤断裂。在每次实验测试之前，应该清洁光源输出端口的连接头及光谱仪的连接头，保证所得数据真实可靠。2．2泵浦源及驱动电路设计激光的产生必须具备激光工作介质、泵浦源和谐振腔这三个基本条件。能使激光工作介质吸收热量达到粒子数反转的外界能源称为泵浦源，光纤激光器通常采用光泵浦，光泵浦是指用强度很高的光直接照射工作介质，使粒子吸收泵浦能量后激励到较高能级，但是在这个过程中泵浦源的稳定性会直接影响光纤激光器的输出特性，导致输出的激光稳定性差，所以光纤激光器在实际应用21 第二章掺铒光纤激光器的设计原理中首先要解决的问题就是稳定它的输出功率。2．2．1泵浦源的选择光纤激光器实质上是一个波长转换器，通过它可以把泵浦波长转换为特定的激光波长。泵浦源的选择对于激光的产生有重要作用，从前面理论分析可知，泵浦光的波长要小于输出激光的波长，因此要根据不同的情况来选择泵浦光的波长。光纤激光器中泵浦源的选择应满足下面两个条件：(1)泵浦效率要高。因为泵浦效率的好坏直接影响泵浦功率，而且泵浦功率越高时光纤激光器的调谐范围也会变大。要选择泵浦功率高的泵浦波长，必须要求泵浦波长的工作离子有较宽的吸收带和较大的吸收截面。铒离子的吸收带在530am、800nm、980nm和1480hm，在这些吸收带上它都能吸收光子。从理论上讲，吸收带宽内的波长都可以作为泵浦波长，但是不同的泵浦波长的效率不同。常用泵浦效率、砜来衡量泵浦的有效性，泵浦效率定义为放大的增益与吸收的泵浦功率的比值【371：、坼=放大的增益(dB)／泵浦功率(mw)(2)激发态吸收(ESA)效应要小。激发态吸收是指处于高能级的粒子吸收泵浦光能量后会向更高的能级跃迁，再以非辐射跃迁的形式返回到原能级，在此过程中会消耗了泵浦光的能量，这是对能量的无效损耗，而这个过程对激光的产生没有意义。激发态吸收效应的影响程度用‰／ao来衡量，这个比值越小越好，这种效应由光纤激光器中工作介质的自身特性决定，其中‰为掺杂光纤的激发态吸收截面，瓦为掺杂光纤的基态吸收截面。在理想的系统中，处于激发态的粒子受到外来光的激发后，应是向低能级跃迁并发出光子。激发态吸收会影响泵浦光的利用效率，所以泵浦带要选择那些没有激发态吸收的能带。对于掺铒光纤，使用530nm、800nm、980nto和1480nm等光源时，均能在1536nm波长上产生激光过程；但在800hm和530nm两个泵浦带都有较强的激发22 西北大学硕士学位论文态吸收效应，所以这两个带实用价值不大。例如YAG倍频固体激光器可作为532nm的泵浦光源，但这种泵浦激光器的体积非常大，只能在实验室使用，实用性差。而980nm和1480nm两个泵浦带上没有激发态吸收，所以它们的泵浦效率最高，大功率半导体激光器可以作为980nm、1480nm的泵浦光源，这种泵浦激光器体积小。表2．1为不同波长的泵浦特性比较，在相同条件下，980nm输出功率高、噪声小(噪声系数可低至3dB)，所以980nm波长的泵浦源是目前光纤光源的首选泵浦波长【38)。表2．1不同波长的泵浦特性比较泵浦波长(姗)ESA效应输出功率噪声系数1480无高980无高低800有低由此可见，光纤激光器的特性对泵浦源的性能有很大的依赖性，泵浦源的泵浦效率、寿命、尺寸参数都会直接影响器件的最终性能，泵浦源的选择对光纤激光器的研制有决定性的影响。2．2．2半导体激光器的结构光纤激光器的泵浦源一般采用半导体激光器(LaserDiode)，激光器模块包括激光二极管芯片(LD)、逆向光电二极管(PD)和热电制冷器(TEC)。激光二极管芯片的作用是发送泵浦光，逆向光电二极管的作用是监视LD的性能，热电制冷器上带有控制和稳定激光器温度的热敏电阻。一个泵浦光激光器的标准模块是一个14针的蝶形密封装置，如图2．5(a)给出了典型的光耦合组件的装配示意图，(b)为所用激光器组件实物图表。(a)LD组件结构示意图 第二§掺铒光纤激光括的设计强理(b)蝶形封装宴图图25抽运光激光器组件整个模块的核心部分是激光二极管，它的芯片是基于应变InGsAS量子阱的折射率制导的脊状波导激光二极管。闽值电流是激光二极管开始发出激光的最小电流，当注入PN结的电流较低时，只产生自发辐射，所以激光二极管小于固值电流时发出的光为荧光，大于闽值电流时PN结才发生振荡产生激光，一般用P／I曲线图给出闽值电流。闽值电流越小表明激光二极管越好，表明在产生相同功率的情况下需要输入电流越小。23半导体激光器的特性泵浦源采用半导体激光器具有诸多优点，它是一种高功率密度、高量子效率的器件，它的外形小巧轻便，同时拥有高效的转换能力、较好的光纤耦合性、可靠的数据传输能力、易于直接调制的特点，但使用过程中容易受到环境温度变化的影响，结构易于损伤。下面来介绍半导体激光器的一些特性。1．温控特性经过研究表明，半导体激光器的阐值电流、输出功率这两个关键参量与环境温度的变化紧密相关。如图2．6所示，闻值电流与输出功率呈线性关系，同时一旦环境温度变化，这个线性关系曲线会发生平移。 西北大学硕士学位论文E∞9也1∞O0，oo∞Da∞l(mA)图2．6半导体激光器输出功翠与电流关系图在实际应用中要尽量使激光器的输出功率保持高度稳定，但是即使电流恒定，一旦温度改变，激光器的输出功率也会随之变化，所以设计半导体激光器的电源时要充分考虑到温度对输出功率的影响。阈值电流I血与温度之间的关系可表示为，TI也=IoeTo(2．26)上式表征半导体激光器的阈值电流对温度的敏感程度，T0是特征温度，一般半导体激光器特征温度的范围为50-80K，I。为室温下的阈值电流。因此在设计泵浦用激光器的驱动电源时要考虑温控部分。2．恒流源输入半导体激光器电流的稳定性对它的输出也有直接的影响，由于半导体激光器工作是依靠载流子直接注入的，这就要求半导体激光器驱动的电源是恒流源，并且具有很高的电流稳定度和较小的纹波系数⋯。一般半导体激光器都经过高温退化筛选，有很长的工作寿命，寿命在百万小时左右。但是在实际操作中如果半导体激光器的使用不当，会立刻破坏它的性能，使它失效。造成这一现象的原因，一般是由浪涌击穿引起的。浪涌实质上是一种突发性的瞬态电压脉冲(或者是电流脉冲)，它会使半导体激光器瞬时承受过电压造成PN结击穿。PN结是半导体激光器的核心，如果正向电流超过允许的最大电流PN结就会立刻失效，即使时间短到数纳秒这样的损坏也是不可 第二章掺铒光纤激光器的设计原理避免地使它遭到破坏。如果它承受的是反向过电压，也会立刻被击穿损坏。引起浪涌的因素主要有：电源开关的干扰、没有采取慢启动措施就接通或断开电路、电网干扰引入、主要元器件接触不良或参数发生突变【411。浪涌对半导体激光器的损坏程度取决于激光器本身的材料参数和器件结构。如果优化激光器的材料和结构就可以减轻浪涌的破坏力，甚至避免浪涌的产生，所以在设计电路时要采取防止浪涌的措施。2．2．4驱动电路的设计近几年随着激光器研究的不断深入，半导体激光器的输出功率也随之增大，波长范围已经覆盖可见及红外，广泛应用于光纤通信、光谱技术、国防、医疗、加工等领域，同时激光器中驱动电源的研制也受到普遍关注【42】。由于半导体激光器的激励方式大多采用的是电流注入方式，前面分析得知注入电流或者环境温度的微小变化都会引起激光器输出功率的改变，此外还会引起器件的激射波长、噪声性能、跳动模式等参数改变。这就要求设计半导体激光器时必须要考虑高性能的保护电路，并设法提高它的温控精度，这样才能保证激光器安全稳定的工作，输出高质量的激光。驱动电路通常采用专门设计的集成电路模块。驱动电路主要分为两种：模拟控制电路和数字控制电路。两种类型相比较，数字控制电路具有结构简单、操控方便的优点，模拟控制电路的结构复杂，但它的响应速度大大优于数字控制电路，所以在半导体驱动电路的设计中大多采用模拟控制方式。驱动电源的主要功能是提供连续可调的恒流源，为防止一些突发因素造成半导体激光器损坏，还应具有保护功能及温控功能。在设计该类驱动电路时，必须考虑到以下几点：(1)提供连续的恒定驱动电流；(2)自动温度控制部分实现泵浦源的恒温条件；(3)自动功率控制部分使泵浦源保持恒定的功率输出，防止一些突发因素如浪涌等对泵浦源造成损坏：26 西北大学硕士学位论文(4)泵浦保护功能。1．滤波和缓启动电路【431驱动电路原理如图2．7所示，220V交流电被变压器降压后进行整流滤波，变成稳定的直流电进入稳压电路，然后形成整个电路的供电部分。滤波电路一般采用一级兀型滤波网络，目的是在驱动电路中能够减少电源纹波，并滤掉高频成分。前面提到浪涌对激光器的破坏力，驱动电路接通或断开的瞬间就会产生浪涌，因为驱动电流会出现过冲(浪涌)，经过一个过渡过程电流才能趋于平稳。而这个过冲的幅度很大，极易击穿PN结，造成半导体激光器性能受损甚至失效。因此，在半导体激光器的驱动电路中要考虑缓启动措施。图2．7驱动电路原理方框图如图2．8为滤波和缓启动电路图，其中Ⅱ型滤波电路由L。、C：、C，组成，缓启动电路由R，、R。、C。等组成。电路接通时，电流通过R。向电容C。充电，C。两端的电压增大，会使晶体管T导通，T射级的电压也开始随电容C。的电压而改变，直到趋于稳定。电路断开时，由于电容C。放电，电压降低，负载上的电压也随之缓慢降低，这两个过程就是实现缓启动和缓断开。强．13．．横一，、．．】孵锄锨八6k戈=cI“V==∞=k胡f]●ly127 第二章掺铒光纤激光器的设计原理图2．8滤波及缓启动电路2．恒流源驱动电路随着注入电流的增大，辐射功率以不同的方式增长。当注入电流小于阈值电流厶时，产生的辐射基本上是自发辐射，而辐射功率随注入电流的增加缓慢增加。当注入电流大于阈值电流厶时，产生了激光，这时候辐射功率随电流的增加迅速地增大。要想使半导体激光器的输出功率稳定，必须使注入的电流恒定，也就是说要采用恒流源供电。设流过半导体激光器LD的电流为L，那么，小铲惫专(2．27)由上面的公式可以看出，流过半导体激光器的电流，岛与基准电压“％成正比，与取样电阻屉成反比，和输入电压、负载电阻没有关系。稳流系数为，驴等／等亿28，很明显，t／z的变化对五的影响越小，稳流性能就越好。恒流源能为泵浦源提供恒定的注入电流，用来稳定泵浦源的输出功率，降低噪声以及减小漂移。典型的泵浦驱动电流一般在O-300mA之间。图2．9为稳流电路，图中R。、C。、2CW及可调电阻R：组成带有一定延时功能的基准电压，在电路启动过程中，电位器的中心点电压缓慢增大，当稳压管稳定后电压值增大到一定值，这就抑制了浪涌对半导体激光器的影响。图中运算放大器、T、R。构成一个射极跟随器，可以通过改变可调电位器R，的电阻来改变通过激光二极管的电流值。加入C，的目的是为了防止滑动变阻器抽头因接触不良而导致引入浪涌。28 西北大学硕士学位论文图2．9常见稳流电路该电路的稳定性较好，可以与缓启动电路配合使用，但是运算放大器容易发生振荡，这对于半导体激光器会产生很大影响。而且稳流电路的核心元件是晶体管T，如果它被损坏，会产生非常强的过流冲击，直接损坏激光管，所以要设计保护电路来避免这一情况的产生。目前恒流源驱动已经是比较成熟的电路技术，市场上集成的恒流源驱动模块也很多，只需要跟泵浦源并联就能使用。3．功率自动控制部分(APC)[441光纤激光器要求泵浦光源的输出功率具有极好的稳定性。但半导体激光器的PN结容易发热会改变阈值电流，激光输出特性也会随之改变。此外，半导体激光器长期运行后也会老化。要想使半导体激光器的输出功率保持稳定，需要在驱动电路中加入功率控制部分。功率控制部分的原理就是如果激光二极管的阈值电流发生变化时，调整直流偏置电流，保持输出功率的稳定性。功率驱动LDTVAPC电路PDTE制冷器ATC电路TR热敏电阻输出图2．10半导体激光器驱动原理图2．10为驱动电路的原理框图，图中APC电路把电流信号传输到功率驱动 第二章掺铒光纤激光器的设计原理部分，然后功率驱动部分以电流源的形式为激光二极管提供电流，使它输出激光，其中有一部分进入光电二极管(PD)用来监控激光输出的功率变化，用它作为反馈信号反过来控制激光二极管的偏置电流，如果激光输出功率下降，PD电流变小，APC电路输出的电流变大，激光二极管的输出功率变大，这样使输出功率保持稳定。ATC部分的具体电路如图2．11所示，如果半导体激光器发出的激光功率增大，电路中会带来一系列的变化：PD的电流变大，减法运算器反相端的电压变大，光信号通过这个减法运算器处理后的电压变小，再被放大器放大后加在恒流电路上。同时把这个电压作为参考电压Ed，和取样电阻R。的电压进行比较，比较结果在运算放大器内会被放大，再通过减小晶体三极管上的基极电流，这样半导体激光器内的电流也会变小，激光输出功率就随之变小。类似的，如果激光二极管发出的激光功率变小，经过APC电路，也将使激光输出功率变大，这样形成一个闭环结构，从而达到稳定激光输出功率的目的。图2．11功率自动控制部分电路图4．温度自动控制部分(ATC)我们知道，环境温度的微小变化会对激光二极管的输出功率和波长都会产、生显著的影响，要想稳定输出功率及波长必须稳定激光管的温度。而且激光二极管在大功率工作时会产生很多热量，如不加以控制就会烧毁，所以必须进行温度恒定控制。根据泵浦源中激光二极管对温度变化很敏感的特性，以半导体激光器内部的热敏电阻的变化作为反馈信号进行调节，设计一个自动温度控制电路。图2．1l中，TR为连接在激光二极管上的热敏电阻，它可以准确反映激光二极管的温度变化，并把温度变化情况转换成电信号，该信号经放大电路送入 西北大学硕士学位论文比例微积分调节器(PID)，与激光器工作温度设置电路的电压比较后产生控制信号，与基准电压设定电路的输出共同作用，控制半导体制冷器TE的电流强度，使其制冷或加热，从而来达到改变激光二极管温度的目的。ATC部分的具体电路如图2．12所示，激光二极管的温度变化情况会反映到激光器里的热敏电阻上，热敏电阻与R。。、R。。、W：组成一个桥式电路，在某个温度电桥达到平衡。一旦温度变化，电路中会带来一些列连锁反应：热敏电阻阻值变化，电桥失去平衡，它的输出信号送入PID调节器经放大，致冷器中致冷电流改变，根据输入信号的不同致冷或加热，从而改变激光二极管的温度侧。在ATC电路中同样形成一个闭环系统，根据热敏电阻反映的激光二极管温度变化情况，动态地控制温度，从而保持温度基本恒定。●’V2．3波分复用器图2．12温度控制电路图波分复用器是光纤激光器中必不可少的组成部分，它的作用是把泵浦光和信号光耦合在掺铒光纤中，对它的要求是插入损耗低、耦合效率高、具有一定的宽度且对偏振不敏感。目前实际应用的波分复用器主要有光纤熔融拉锥型和干涉滤波型两种类型，两种类型比较各有优点，光纤熔融拉锥型具有更低的插入损耗和成本，而干涉滤波型具有十分平坦的信号频带和出色的偏振无关特性，在实验中使用的是熔融拉锥型光纤波分复用器。3l 第二章掺铒光纤激光器的设计原理2．3．1波分复用器的基本概念光波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)技术是指在一根光纤中同时传输好几种波长的光信号，图2．13为WDM系统结构图．这种技术是把光纤的低损耗窗口按照光波频率(或波长)的不同划分为若干个信道，将信号分路输入，以光波为载波。波分复用器在传输系统中既可作为合波器又可作为分波器。首先在发送端用分波器把不同波长的光信号组合起来，这个过程称为复用；光信号再耦合进入掺铒光纤中传输，在接收端再用分波器把组合传输的光信号分解开，这个过程称为解复用，最后把信号恢复成原信号后送入不同的终端。把这项技术称为光波长分割复用，简称光波分复用技术，实现光波分复用技术的器件叫做波分复用器，图2．14为波分复用系统结构图。复解用◇㈣陟复器用器图2．13波分复用系统结构图由国际电信联盟ITU-T制定波分复用系统的标准参考频率为193．1THz(即中心波长为1552．52nm)，频率间隔为IOOGHz的整数倍，即波长间隔为0．8nm的整数倍。近几年来，国际上几家权威机构正在考虑制定新的波分复用系统的参考频率，将信道间隔减少到50GHz，即波长间隔变为0．4nm，甚至更小，可以达到25GHz间隔，那么波长间隔也变得更小，为0．2nm【451。WDM器件有很多制造方法，目前被广泛使用的WDM器件有角色散器、干涉滤波器、熔锥型和集成光波导型四种，实验中用到的是熔融拉锥型全光纤波分复用器。2．3．2熔融拉锥型全光纤波分复用器熔融拉锥渐细波分复用器采用熔融拉锥法制作，目前国内外普遍采用的熔32 西北大学硕士学位论文锥技术流程框图如图2．14所示，基本步骤就是先剥离光纤涂覆层，然后在高温加热下熔融拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔融在一起，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，可以用来传输光功率。由于不同光纤的纤芯十分靠近，因而可以通过锥形区的消失波耦合达到所需要的耦合功率。图2．15为熔融拉锥型光纤耦合的原理图，在耦合区中入射光功率被重新分配成两部分(输出1和输出2)，分别沿两个光路传输，如果不考虑耦合损耗，可以用功率计监测整个光纤的拉锥过程。图2．14熔锥技术流程图0图2．15熔融拉锥型光纤耦合原理图蛳1设从输入臂注入的光功率为圪，从两臂输出的光功率分别为，弓=己COS2陟(彳)三】(2．29)昱=最sin2【尼(五)三】(2．30)式中，k(入)是波长的函数，L为耦合区的长度，也是一个与波长相关的参数，33 第二章掺铒光纤激光器的设计原理控制k(入)、L就可制成波分复用器。控制耦合区的长度，就可以控制耦合比，也就是输出光功率的比值。图2．16在耦合区的耦合过程图2．16表示980nm与1550hm光的耦合过程。在耦合过程中的典型特征参数为：(1)耦合比：由输入信道i耦合到输出信道j的功率大小，定义为输出信道功率Pj与输入信道功率Pj之比，即乃=eJR,；(2)附加损耗：表示由耦合器带来的总损耗，定义为输出信道功率之和与输Ⅳ入功率之和的比值，即，，=-lOlg[(>-'Pj)／4]；』4l(3)信道插入损耗：表示由输入信道i到输出信道j的损耗，即乃=一lOlg(PjiP,)=一lOlgT,j，I(4)．隔离比：表示透射式耦合器中同一侧的端口之间的隔离度，定义为由非指定输出信道k的功率忍与输入信道i的功率只之比，即‰=-lOlg(ei4)；(5)回波损耗：表示由输入信道返回的功率大小，定义为返回功率鼻’与输入功率易之比，即九=一lOlg(Pj’／4)。熔融拉锥型波分复用器件的特点是插入损耗低(最大值<5dB，典型0．2dB)，不需要波长选择器件，还具有较好的光通路带宽／通路间隔比和温度稳定性，不足之处是尺寸稍大，复用波长数少，隔离度较差(20dB)左右。实验中采用的980nm／1550nm波分复用器的特性参数如表2．2所示，结构如图2．17所示，表2．2980nm／1550nm波分复用器的特性参数输出波长(彻)插入损耗(dB)Outl(蓝)980O．16Out2(红)1550O．16 西北大学硕士学位论文输出波长(姗)隔离特性(dB)Outl(蓝)155026．8Ou记(红)98029．6蓝outl(980nm)out2(1550nm)图2．17980nm／1550r皿波分复用器结构图35 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究3．1超荧光光源的研究目前，应用于实际的光源有激光二极管(LD)、表面发射二极管(LED)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。与其它类型光源相比，超荧光光源由于具有输出功率高、光谱稳定等优点，而成为光纤传感领域中的热门课题。这一章在对掺铒光纤激光器进行实验研究之前，首先分析掺铒光纤的超荧光特性，介绍了超荧光光源的基本原理和基本结构，建立了光源的理论模型，然后进行实验测试改变超荧光光源的基本结构，输出功率也会发生改变，分析实验数据为后面的实验研究提供支持。3．1．1超荧光光源的概念1．基本原理超荧光光源(SFS)是指光泵浦作用下在掺铒光纤中产生的放大自发辐射(ASE)，掺铒光纤是该光源的主体。它实质上是一种过渡状态，这种状态介于激光与荧光之间。在泵浦光的作用下，当泵浦功率增大到一定程度时，自发辐射的光子数量由于受激放大作用会急剧增加，但这时粒子的反转程度还没有达到振荡阈值的条件，所以无法形成激光。这种放大的自发辐射过程与自发辐射不同，它的状态分布不均匀，谱线宽度也小于荧光光谱的宽度。在一个无损耗的非饱和放大器中，一般情况下超荧光的频率分布可以用函数f(v，z)来描述，这个函数定义为在坐标Z处频率为v的光强与谱线中心频率为v。的光强的比值肌，=器=篙葛式中Go(v)表示增益系数。对均匀加宽工作物质，其增益线性函数可表示成，(3．1)(年)：张垆咪u忑寿再∞卫’(V—v0)2+(半)2式中的AvM是均匀加宽谱线宽。根据f(v，z)=0．5可求出超荧光的谱线宽度为，36 西北大学硕士学位论文Go(Vo)Z‰=2Iv'-vol=Avxm型掣当z较大，以致Go(V。)z>>l，形成超荧光时的线宽可表示成，‰片毡H(蒜厂若工作物质具有非均均加宽谱线，则，G0(v)卅‰)exp[_4h12(苛)2】(3．3)(3．4)(3．5)式中△％是非均匀加宽的谱线宽度。同样，当GO(v0)z>>l时，可求出超荧光谱线宽度为：‰‰(赤厂@6，由式(3．4)，(3．6)可看到，超荧光谱线比自发辐射谱线宽△喇要窄。2．基本结构超荧光光源属于端面泵浦方式，按照掺铒光纤中泵浦光和超荧光传播方向的异同以及光纤两端是否存在反射，超荧光光源的基本结构有四种，如图3．1所示。图中平光纤端面代表该端存在反射，斜光纤端面代表该端是非反射性。如果光纤两端都是斜的，表示都为非反射性的，这种结构是单程结构：如果光纤端面中一端是斜的，一端是平的，即表示一端为非反射性的，一端是高反射性的，这种结构是双程结构。弋O一竺出信=弋O一(b)单程后向装置(SPB)37 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究弋O一竺出信=kO一种子乓O户q= 西北大学硕士学位论文K．r娲r—一■J如图3．2为掺铒光纤超荧光光源的模型，下面对这一模型进行分析。图中放置的掺铒光纤(EDF)在泵浦光作用下，掺铒光纤的前后都产生放大的自发辐射，这是因为铒离子吸收能量发生粒子数反转。把光源的信号频谱分成N个区域，光源发出的超荧光的性质由(2N+2)路光沿EDF的传播过程决定，其中用九j、△九j分别代表每个区域的波长和带宽(j=1，2，⋯⋯，N)，砖(z)，(i=1,2，⋯，N)表示信号光前向和后向传播的功率，可能有LPo。和LPo：两种泵浦模式，P+pi(zl(i_1，2)表示泵浦光前向传播的功率，对应的泵浦模式为Leo。。用下面的线性耦合波方程来表示信号光和泵浦光在掺铒光纤中传播的过程【50J，掣=±炒帆坼墉(Z)㈣7)式中，T=每。(V，)1。(z，r，巾)一。。(V，壮。(z，r，巾)+n曲(r域(z)+26。(V，h。(z，r，巾)hv，△v，B，(i=1,2，⋯，N)掣=一驴。哪'e)h肌，r，。)+n删‰(Vp)nu(z，r，。))P+Pi(z)：gyvP+w(z)，(i=l，2)(3．8)式中，Vj、咋分别表示信号光的频率和泵浦光的频率，仃。、盯。、盯咖分别表示掺铒光39 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究纤中铒离子的受激吸收截面、受激发射截面、激发态吸收截面，丫。；为掺铒光纤的本底吸收系数，Vpi、vsj分别表示泵浦光和信号光的归一化功率分布函数。甩l、玎P、刀。分别表示三能级系统中基态、激发态和稳态能级上的粒子数密度，三能级上的粒子数密度可以根据速率方程求得，而门动为掺铒光纤中的铒离子密度。(3．8)式的边界条件为，聪(0)=0(3．9)巧(L)=RsjP；(LXi=1,2，⋯，N)(3．10)Ppi(o)=P(3．11)上式中，L为掺铒光纤的长度，R。i为反射镜的反射率。3．1．2超荧光光源基本结构的实验分析1．实验装置泵浦光源采用一个激光二极管，实验中用的激光二极管的最大输出功率为140mW，中心波长为979．04rim，允许最大泵浦电流为300mA。掺铒光纤的长度先选用9m，掺杂浓度为1000ppm。采用JW3203CR型手持式光功率计测量输出功率，它的校准波长为850rim、980rim、1310hi和1S50nm，功率测量范围大约在一40dBm到200dBm，不确定度为±5％。光谱仪采用ANDO公司生产的AQ6319型光谱仪进行输出光谱的纪录，该光谱仪最小分辨率为0．01rim，测量范围为50nm．2250nm。在进行光源基本结构的测试实验之前，首先用光功率计测试泵浦源(即激光二极管)的输出功率。让泵浦电流从10mA增加到200mh，记录泵浦源输出功率，数据如表3．1所示，泵浦电流与输出功率关系如图3．3所示，基本上呈线性关系变化。表3．1泵浦源输出功率表泵浦电流(mh)输出功率(mW)泵浦电流(mA)输出功率(mW)泵浦电流(mA)输出功率(mW)102．88037．815070．8208．89043．816074．83011．810048．817077．84015．811053．818081．8 西北大学硕士学位论文5021．812061-819084．86027．813063．820086．87032．814066．850100150泵浦电流(mA)图3．3输出功率随泵浦电流变化关系图从变化关系图中可以看到，当泵浦电流超过lOmA时，泵浦源开始有功率输出，随着泵浦电流的逐渐增大，泵浦源的输出功率也随之增大，基本呈线性关系，当电流值达到150mA后输出功率逐渐趋于稳定。2．实验过程超荧光光源的基本光路如图3．4所示，光路中，980nm／1550nm波分复用器(WDM)的作用是把980nm的泵浦光耦合进掺铒光纤(EDF)，这样可以获得更高的耦合效率，光路中还选用光隔离器(ISO)是为了减小线路中的反射、连接损耗噪声，保证输出功率稳定。实验中只改变泵浦电流的大小，用光功率计记录掺铒光纤尾纤的输出功率。PumpLD为：图3．4掺铒光纤超荧光光源的基本光路图下面对掺铒光纤超荧光光源的基本结构(泵浦方式)进行实验测试，具体实验步骤41 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究(1)前面介绍超荧光光源单程结构分前向和后向两种，首先测试光源的单程后向结构，A端空置B端输出，泵浦电流从90mA变化到300mA，用功率计在B端测量输出功率，并用光谱仪记下不同泵浦电流时输出荧光的光谱图。光谱仪型号为AQ6319型，最小分辨率为0．01nm，测量范围大约在50nm-2250nm。(2)第二次测试光源的单程前向结构，B端空置A端输出，将泵浦电流调节相同的变化范围，用功率计在A端测量输出功率，并用光谱仪记下光谱图。比较两次测量结果发现，第二次测试的单程前向结构优于第一次的单程后向结构。(3)为了提高泵浦源激光器的转化效率，提高输出功率并优化其输出谱的平坦度，第三次测量时在B端加一个光纤环形镜作为光源的反射镜，这样就实现了双程增益，A端输出，把隔离器(ISO)放至A端的右面，这是双程前向结构，仍用功率计和光谱仪在A端分别记录输出功率和荧光光谱图。3．实验结果及分析三次测试的实验数据如下表3．2所示，表3．2不同结构的超荧光光源输出功率表输出功率(mw)泵浦电流(mA)三次测量90100150200250300A空B测0．5180．6381．1081．4381．6881．828B空A测0．1280．278I．6083．2584．8985．938B端加环形镜A测0．5380．8382．7584．7886．7188．208分析表中的实验数据，泵浦电流同为250mA时，第一次测量采用单程后向泵浦方式得到的输出功率为1．688mW；第二次测量采用单程前向泵浦方式输出功率为4．898mW，高于单程后向；第三次测量时在B端加环形镜，输出功率比前两次更高，增高到6．718mW，说明采用双程前向泵浦方式的结构最优。再把三次实验数据用曲线形式比较如图3．5所示， 西北大学硕士学位论文1∞'150200250300泵浦电流(mA)图3．5不同结构的光源输出功率比较图由线形图分析可得，对超荧光光源基本结构的三次测量中，输出功率都随泵浦电流线性增加，第三次测量输出功率的变化趋势比头两次的快，得到的输出功率也最大。图3．6是泵浦电流为250mA时三种泵浦方式下输出的荧光光谱图，曲线1为A空置B测的光谱图，曲线2为B空置A测的光谱图，曲线3为B端加环形镜的光谱图，曲线3明显高于曲线l和2，说明曲线3的输出光谱功率高。图3．6不同结构光源输出荧光光谱图(250mA)这一节中分析研究了掺铒光纤超荧光光源的基本原理和结构，同时对基本结构进行三次实验测试，通过实验得到结论，在相同的泵浦功率、相同参数的掺铒光纤的情况下，43987654321O^^^Ⅲ)签丑辑 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究采用单程后向结构得到的输出光功率最低，采用双程前向结构得到的输出光功率最高。这种关于光源泵浦方式的研究，为改进光纤激光器的结构设计提供了有价值的参考依据。在后面的实验研究中，在激光器结构中采用环型腔，类似于在B端加反射器，从而使A、B之间形成一谐振腔，激光能量在这个谐振腔中循环放大，使激光器发生较高功率的激光输出。3．2环型腔光纤激光器基本结构的研究3．2．1掺铒光纤激光器的构成掺铒光纤激光器中的主要元件有掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器、光滤波器等，如图3．7是掺铒光纤激光器结构方框图，图3．7掺铒光纤激光器结构方框图下面来简单介绍一下掺铒光纤激光器的组成[sH：(1)光耦合器：是用来提高传输信息容量的装置，是把输入的信号光和泵浦光源输出的泵浦光混合起来，一般采用光波分复用器作为耦合器。(2)光隔离器：是信号光在腔内只能沿正方向传输，这样可以有效防止后向反射和散射作用影响激光器的输出稳定性。它的选择指标是插入损耗低(对正向入射光)、隔离度优于40dB(对反向入射光)。(3)掺铒光纤：是增益介质，是掺铒光纤激光器的核心元件。它以石英光纤作为基质材料，并在其纤芯中掺入一定比例的稀土元素铒离子Er3+，掺杂浓度在lOOppm到2000ppm之间。(4)泵浦光源：为掺铒光纤中的铒离子提供能量，发生粒子数反转。泵浦源的选择 西北大学硕士学位论文非常关键，它直接影响光纤激光器的输出性能，要求泵浦源能够提供稳定的能量且使用寿命长，在实验中选用前面提到的半导体激光器作为泵浦源。又因为980nm激光二极管具有噪声低、泵浦效率高、驱动电流小、增益平坦性好等优点，所以选980nm激光二极管作为泵浦源。(5)光滤波器：在腔内加入滤波器可以降低自发辐射产生的噪声影响，既提高系统的信噪比。光滤波器一般选用布拉格光纤光栅，它是具有滤波功能的全光纤器件，具有确定的中心反射波长，符合布拉格条件的光会被反射，它的反射率可高可低，最高可达100％。3．2．2掺铒光纤激光器基本结构的实验分析1．实验装置环型腔掺铒光纤激光器的基本结构如图3．8所示，由掺铒光纤(EDF)、波分复用器(WDM)，滤波器(Filter)、耦合器(Coupler)和隔离器(zso)组成。其中，掺铒光纤长度先选用9m，光纤光栅作为滤波器用来选择激射波长，实验采用的布拉格光纤光栅的中心反射波长为1552，5850nm，3dB带宽为0．157nm，反射率可以达到90％以上。采用2×2型的耦合器，耦合比用40／60。隔离器使光信号在环型腔内按照顺时针的方向传输，避免后向的放大自发辐射，它的中心波长为1550nm，波长范围大约为1530-1570nm，最大插入损耗为0．43dB。由于激光在环型腔中是单向运行的，可以忽略后向的信号光功率。PumpLD9902．实验过程图3．8环型腔掺铒光纤激光器实验装置图45测 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究实验过程中，波分复用器将980nm的泵浦光引入掺铒光纤，光纤中的铒离子吸收能量后发生粒子数反转，进而产生放大的自发辐射，光信号被放大为1550nm，再通过隔离器传输到耦合器(40：60)上，耦合器的60％输出端提供激光输出，40％输出端提供反馈，通过光纤光栅滤波后，1550nm的光信号又被反射回腔内，这时耦合器又起着输出端镜的作用。反射光沿顺时针在腔内传输，再经过WDM耦合进掺铒光纤，完成一次循环。每一次循环过程中光波的能量均得到放大，当增益大于环路中的传输损耗时，产生振荡，从而形成环形掺铒光纤激光器。可以分别用光功率计和光谱仪记下泵浦电流不同时输出光功率的大小和光谱图，记录数据如下表3．3，表3．3不同泵浦电流对应输出功率表泵浦电流(mA)90100150200250300输出功率(mW)0．5880．8682．4584．0785．5886．548其中，当泵浦电流为250mA时激光的输出功率是5．588mW，激光光谱如图3．9所示，从光谱图上分析可得，激光的中心波长)L。=1552．3843nm，3．OOdB带宽是△丸。=O．0521nm，边模抑制比(SMSR)是47．39dBm。图3．9环型腔掺铒光纤激光器输出光谱图(250mA，60％)这一节分析研究了环型腔掺铒光纤激光器的基本结构，并对基本结构进行了性能测试，可以看出实验中输出激光线宽较为理想，但功率较低不理想，泵浦电流为250mA时仅为5．588mW。为了提高激光输出功率，在后面的实验研究主要围绕优化环型腔掺铒光纤激光器的特性参数和结构展开。 西北大学硕士学位论文3．3环型腔光纤激光器特性参数的研究3．3．1掺铒光纤激光器输出特性的理论分析的两个重要参数是激光阈值和斜率效率。激光阈值是由光在腔内每次往返中的增益完全补偿腔内总损耗决定，斜率效率的高低是表征激光达到阈值后把泵浦功率转换为激光输出的能力。所以选择合适的光纤激光器时，需要考虑的指标是阈值低、斜率效率高和输入输出功率线性好等。下面分析激光的输出功率与掺铒光纤长度及耦合比的关系。980rim泵浦的掺铒光纤激光器属于三能级系统，光信号在腔内环行一周的输出功率为f52】【53】：节‘=攀(9)·G·K·0一R)(3．12)式中，G为掺铒光纤产生的总增益，K表示掺铒光纤的两端连接的损耗，还包括在腔内连接滤波器、隔离器、耦合器等带来的损耗，出(G)表示腔内的光信号功率，R表示耦合器的耦合系数。设掺铒光纤_周的长度为L，则激光的阈值条件为，强F毋@·13)妣一高卜．[1-(剐^呼¨hG卜4，式中，4、屯分别表示泵浦光的波长和信号光的波长，昂为泵浦功率，用GT。=exp[(aP／8一吼)．三】表示激光的最大增益，用万=丸E时／4节‘表示信号光屯和泵浦光砟的饱和功率比。饱和功率P≯和小信号吸收系数ⅨL可以通过计算得到蕊以。把式(3．14)代入式(3．12)可得环型腔掺铒光纤激光器的输出功率为，掣‘=鲁·譬筹B一缈晾G一尸】·卜一砉·导甜·甲]c3．，5，令‰=77．慷一‰)(3．16)47 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究泵浦阈鱿督等·端耳’‰忉斜率效率为：刁=等吩辨．缸一陟mG咖r0(3．18)当光纤激光器中各个元器件的参数条件保持不变时，根据上面的推导可以得到结论：(i)掺铒光纤激光器的激光输出功率与耦合器的耦合比有关，如果这个比值太大或太小都会使输出功率降低，斜率效率变差。所以存在一个最佳耦合比，这时激光输出功率最大：(2)掺铒光纤激光器的激光输出功率与铒纤长度有关，令式(3．15)左边的一阶导数为。时，即军：o，由该式可求出掺铒光纤的最佳长度三叫，这时激光的阂值最‘DL‘低，激光输出功率最大。3．3．2输出功率与铒纤长度关系的实验分析实验中仍采用980nm的泵浦源，实验装置图仍为图3．8，只改变腔内掺铒光纤长度，选中心波长为1552．5850nm的光纤光栅作为滤波元件，选取耦合器的耦合比为50／50，表示50％光信号输出，50％光信号经光纤光栅滤波后反射回腔内。下面用实验分析不同铒纤长度对激光输出功率的影响。(1)先分别截取长度为lOm、20m和30m的掺铒光纤介入腔内进行实验。结果证明，泵浦源功率不变时，不同铒纤长度的激光器对应的阈值也不同。其中长度为30m的激光器阈值最大，铒纤长度为20m时的阈值又大于长度为lOm的。同时lOm的铒纤对应输出功率也最大。(2)下面进一步细化实验内容，分别采用了长度为8m、9m和lOm的掺铒光纤，让泵浦电流从lOOmA增大到300mA时，用光功率计记录输出功率，数据如表3．4所示。表3．4改变铒纤长度对应输出功率表输出功率(mW)泵浦电流(mA)铒纤长度(m)10015020025030048 西北大学硕士学位论文80．4480．918I．6582．4283．26890．7182．0283．3284．5685．378100．2180．6680．9981．9182．478分析表中的实验数据，横向比较发现当铒纤长度一定时，随着泵浦电流的增大，光纤激光器的输出功率也增大，三次测量的变化趋势相同。再纵向比较观察当泵浦电流同为250mA时，8m的铒纤输出功率为2．428mW，9m的铒纤输出功率为4．568W，而lOm的铒纤输出功率只有1．918row。显然，当泵浦电流相同时，9m的铒纤输出功率明显大于8m和lOm，其它数据也均为此趋势。图3．10为不同铒纤长度输出功率比较图，泵浦电流增大时，输出功率都随之增大。其中铒纤长度为9m的曲线明显高于8m和10m的，说明它的输出功率大。所以通过实验得出结论最佳铒纤长度为9m，在激光器中掺铒光纤选取长度为9m时的输出功率较大，认为9m为铒纤的最佳长度。图3．10改变铒纤长度输出功率比较图(50／50)图3．1l为激光器在250mA泵浦电流作用下，铒纤长度为9m时输出激光光谱图，用光谱仪分析可知输出的激光中心波长九。=1552。3945nm，输出功率为4．568mW，3．OOdB带宽为0．0507nm，带宽较窄，边模抑制比为46．43dBm。49 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究一舀．日嘶．日图3．119m的铒纤输出激光光谱图(250mA，50％)3．3．3输出功率与耦合比关系的实验分析根据前面推导的斜率效率公式(3．18)，耦合器的比值不同对于激光的输出功率也有很大的影响，输出耦合比也存在一个最佳值，该值若太大和太小都会令激光器的输出功率降低，这是因为该比值直接决定输出激光功率占环型腔内能量的多少。实验装置图仍为图3．8，固定铒纤长度为上面实验验证的最优长度9m。耦合器为2×2型，调节耦合比为10／90、20／80、30／70、40／60和50／50的，1552．5850nm的光纤光栅作为滤波元件。下面用实验分析不同耦合比对激光输出功率的影响，让测量端的输出耦合比从10％变化到90％，激光输出功率的数据如表3．5所示，表3．5不同耦合比对应输出功率表输出功率(mW)泵浦电流(mA)耦合比9010015020025030010％0．2680．2880．5180．7981．0481．19820％0．2680．3580．8781．4481．9382．24830％0．3280．4781．2682．0682．8283．31840960．5580．8482．4284．0085．4786．52850％0．4880．7182．0283．3284．5685．37850{．+．．．．．．1．．．．．．十i．．十．．．-．-．●．一～一～．：：+i：卞．．．：}．．．．．+i：{．：：}．；．+；：．I 西北大学硕士学位论文60％0．5880．8682．4584．0785．5886．54870％0．6380．9882．8684．7586．5387．65880％0．6080．9983．0785．1487．1388．39890％0．4980．9382．8084．7486．9387．848实验数据表明当输出端耦合比从10％依次增加到80％，输出功率也随之增大，但当输出耦合比增大到90％时，即表示90％的光信号经由耦合器输出，这时输出功率反而变小，这是因为这个耦合比太大时，得到的反馈反而会变小，这时腔内激光振荡强度会减弱。当泵浦功率一定时，如果激光器中的耦合器选择最佳耦合比时，得到的输出功率较高，观察不同耦合比时输出功率比较图3．12，变化趋势更是一目了然。^；S签弓|鳞图3．12不同耦合比时输出功率比较图由上面实验数据分析，我们得出结论输出耦合比存在一个最佳值，该最佳值在80％-90％之间，接下来用光谱仪分析耦合比为80％和90％时输出的激光波长，判断哪个耦合比对应输出波长值更优。数据如表3．6所示，比较发现90％的输出激光波长稳定性较差，而80％的输出激光波长较为稳定，故在激光器的后续实验研究中选择80％为最优耦合比。表3．680％和90％耦合比对应输出波长表输出波长入(rlm)泵浦电流(mA)耦合比9010015020025030080％1552．38001552．37861552．38461552．38301552．39271552．378051 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究l90％l1552．4111l1552．38111552．37121552．39531552．3692l1552．3940lIl·I·l图3．13为泵浦电流为250mA、耦合比为80％时的输出激光光谱图，用光谱仪分析可知输出激光的中心波长为1552．3927nm，功率较高为7．138row，带宽较窄3．00rib带宽为0．0505nm，带宽较窄，边模抑制比为47．89dBm。图3．13光纤激光器输出激光光谱图(250mA，80％)这一节内容对环型腔掺铒光纤激光器中的两个参数(铒纤长度和输出耦合比)进行了实验研究。证明掺铒光纤在掺杂浓度一定的情况下，掺铒光纤的不同长度以及耦合器的不同耦合比对激光器的输出功率、输出光波长稳定性有着不同的影响，实验研究最后得出结论最佳铒纤长度为9m，最佳耦合比为80％。3．4环型腔光纤激光器优化结构的研究上一节实验分析得出激光器的最佳铒纤长度为9m，最佳耦合比为80％，为了使激光输出功率提高，输出波长更加稳定，接下来实验分析对激光器的结构做进一步的优化设计。3．4．1结构设计方案I．后向加隔离器的结构设计52 西北大学硕士学位论文首先对光纤激光器的环型腔结构上做出在后向加隔离器的尝试，在前面的结构中都采用是前向加隔离器，仍采用980hm激光二极管作泵浦源，掺铒光纤长度取9m，滤波器仍用1552．5850nm的光纤光栅，采用2×2型耦合器，让耦合比从10％变化多J90％，用光功率计记录激光输出功率，并用光谱仪记录输出光谱图。实验装置如图3．14所示，测图3．14后向加隔离器的实验装置图当泵浦电流从90mA逐渐增加到300mA时，用功率计记录测量端的输出功率如表3．7所示，表3．7后向加隔离器时不同耦合比对应输出功率表输出功率(mw)泵浦电流(mA)耦合比9010015020025030010％0．0580．0880．3380．658O．8181．09820％0．0980．1080．598I．0581．198I．86830％0．1080．1981．0561．8882．1583．02840％0．138O．2101．4352．5783．5253．59050％0．130O．2181．6582．7783．8784．15860％0．1580．3182．0203．4184．8084．75070％0．1850．3282．2384．2184．8985．86880％0．2280．3982。5084．4186．2487．09590％0．2080．3682．3984．7485．3086．45853 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究至S签茁察图3．15不同耦合比的输出功率比较图由图3．15可看出与前面实验结论相同，不论耦合比为多少，输出功率都随泵浦电流变大而变大。当泵浦电流保持不变时，输出端耦合比越大时对应的激光输出功率越大，其中当耦合比为80％时的激光输出功率最大，当耦合比增大到90％时输出功率反而变小且输出波长不稳定。这个实验结果和上一节分析输出功率与耦合比关系的实验结果相一致，进一步证明了前面实验结果的正确性，即最佳耦合比为80％。图3．16后向加隔离器输出光谱图(250mh。80％)激光器的泵浦电流和输出耦合比均相同时，后向加隔离器的激光器结构较前向隔离器的环型腔基本结构(如图3．8)输出功率明显降低。图3．16为后向加隔离器输出光谱图，同样取泵浦电流为250mA，最优耦合比80％，与光谱图3．13比较说明：后向加隔 西北大学硕士学位论文离器时，激光输出功率为6．248mW，中心波长为1552．4520nm，3．00dB带宽为0．0597nm，边模抑制比为42．07dBm；前向加隔离器时，激光输出功率为7．138mW，中心波长为1552．3927nm，3．00dB带宽为0．0505nm，边模抑制比为47．89dBm。比较上面数据说明这种后向加隔离器的优化方法不恰当，不能达到提高输出激光特性参数的目的。2．加环行器的结构设计‘在环型腔内采用一个1x2型环形器。实验装置如图3．17，分别用红、白、蓝三种颜色代表它的三个端口，其中白端和红端之间光通过率仅为1％，就是说信号光这个方向基本上不能通过。而从红端到蓝端、从蓝端至白端的光通过率均为99％，相当于信号光从这个方向上几乎全部通过。加了这个环行器后，信号光能几乎全部从红端到达蓝端输出，通过率为99％，到达光纤光栅滤波器后，被它反射后再从蓝端到白端，回到环型腔中重复进行循环放大。。PumpLD980FBG图3．17加环行器的实验装置图环型腔内各元件的参数与前面实验一致，腔内先不加耦合器，先用功率计测量光纤光栅的透射光的输出功率，实验结果表明该结构不能达到提高输出激光特性参数的目的，明显小于反射光的输出功率。所以在环型腔内再加入耦合器测试反射光的输出功率，根据以上实验的结论，进一步设计一种新型的环型腔光纤激光器结构。3．4．2新型环型腔光纤激光器的实验分析实验装置如图3．18所示，55 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究PumpLD980图3．18新环型腔掺铒光纤激光器实验装置图环型腔内选用的各个实验元件与前面实验相同，特性参数如下，(1)掺铒光纤：光纤的编号是F-EDF-980C-H，其中铒离子浓度是1000ppm，截止波长是1200nm，在980hm处的峰值吸收系数是5—6dB／m，在1200nm处的本底损耗是7．2dB／km，数值孔径是0．2，根据前面实验证明掺铒光纤的最佳长度为9m；(2)泵浦源：980nm激光二极管，最大输出功率是140mW，中心波长是979．04nm，允许最大泵浦电流是300mA；(3)隔离器：中心波长是1550nm，波长范围在1530nm-1570nm，最大插入损耗是0．43dB，型号为PSSI一55一A一2一N—B—I型。(4)滤波器：采用布拉格光纤光栅，中心波长是1552．5850nm，3dB带宽0．157nm，反射率可以达到90％以上；(5)环形器：1×2型，中心波长是1550nm，工作波长范围在1520-1580nm，从红端到蓝端的插入损耗是0．62dB，从蓝端到白端的插入损耗是0．58dB；(6)耦合器：l×2型，实验选择的耦合比为20％、70％、80％、90％。在这个新设计的环型腔光纤激光器中，同样改变泵浦电流大小用光功率计测量激光输出功率，发现与前面结果相比都有较大提高，实验数据如表3．8所示。表3．8新设计结构激光器不同耦合比输出功率表输出功率(mW)泵浦电流(mA)耦合比9010015020025030020％I．2381．5581．8782．4983．2484．308 西北大学硕士学位论文70％2．8284．8585．8787．7388．79810．80880％3．4085．5586．6689．09810．81811．81890％3．3285．3285．9889．1089．52811．108把表3．8与表3．5的实验数据比较，新结构的光纤激光器与前面环型腔基本结构(图3．8)相比激光的输出功率有很大提高。例如当泵浦电流为250mA，铒纤长度都为9m，耦合比同为80％时，输出光功率从7．138mw提高到10．818row。再比较新旧两种结构的激光输出光谱图，如图3．19，线1代表新结构的激光输出光谱，中心波长为1552．6159nm，线2代表旧结构的激光输出光谱，中心波长为1552．3927nm。分析两条光谱线可得到，3．OOdB带宽从原来的0．0505nm减小到0．0482nm，边模抑制比从47．89dBm增加到52．68dBm，信噪比显著提高。图3．19新旧结构环型腔掺铒光纤激光器输出光谱比较图(250ⅢA，80％)通过上面一系列实验分析得到一个结构优化的全光纤系统的环型腔掺铒光纤激光器，在激光器中采用980hm泵浦源，80％的输出耦合比，9m的掺铒光纤，1×2型光纤环形器。实验证明，这个环型腔光纤激光器能有效的提高了信噪比，改善了输出激光的质量。57 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究3．5基于光纤光栅调谐的光纤激光器的研究3。5．1光纤光栅调谐的基本原理传统的激光器大都是基于固定波长的，由于掺铒光纤激光器的增益带宽很大，如果选择加入可调谐滤波元件，就能够实现输出波长的可调谐。目前使用的滤波器件有许多种，如F-P滤波器、马赫一曾德耳干涉仪、声光滤波器、分光镜等Ⅲ】。但这些调谐方法都存在一个问题，就是因为光纤与非光纤调谐元件间必然产生耦合，它会使腔内的插入损耗变大，使激光器的斜率效率变低、阈值变大。如果选用光纤光栅作为调谐装置就能克服其它调谐装置的插入损耗问题，因为光纤光栅是全光纤器件，体积小，可与其它光纤器件兼容成一体，，所以它被广泛应用于光纤激光器的调谐。光纤光栅的调谐作用分为温度调谐、应力(变)调谐、压力调谐、电磁调谐四种【55】【5们，下面做一简单介绍。1．应变(力)调谐原理光纤光栅只反射满足布拉格中心波长以的光，其它传播的波长经过光纤光栅后光信号保持不变，它的发射波长为，九B=2n呵A(3．19)式中，nd为光纤芯区的有效折射率，人为调制周期。当光纤光栅受到外力作用时，由于弹光效应的作用改变光栅周期A及有效折射率n。仃，从而达到改变波长九B目的。由于外力作用引起的光纤光栅反射波中一tl,波长如的偏移量为，△九B=2n。疗人+2ncff从(3．20)此时假定温度场及均匀压力场都保持不变，此时光纤光栅仅受轴向应力作用。在轴向应力作用下，光纤光栅反射波的中心波长相对偏移量与轴向应变之间的关系为，竽：(1一Pe)B(3．21)几B式中，s为光纤光栅的轴向应变，Pc为光纤的有效弹光系数，石英光纤Po=o．216。中心波长的相对偏移量从B与应力九B满足关系为， 西北大学硕士学位论文等：掣。(3．22)九BEf式中，盯为轴向应力，E厂为光纤光栅的弹性模量。由式(3．22)可知，布拉格波长△厶的相对变化与拉力成线性关系，就是说可以在轴向上施加不同的拉力，进行线性调谐。2．压力调谐原理压力调谐原理与应变调谐类似，假定温度场不变，光纤光栅处于一个均匀的压力场中。此时的压力场可看作三个方向的应力，其中由轴向应力引起的轴向应变为：s：=-p(1—20)／E(3．23)由此可得光栅的栅距变化为：△八=A·g：=一Ap(1—2u)／E(3．24)故压力P所引起的光纤光栅波长变化可表示为：△九=一(1-pP)(1-2v)p)／,口／E(3．25)或写成：△九／2B=一(1一P。)(1-2v)p／E(3．26)可见，布拉格波长的相对变化与压力成线性关系，可以进行压力的线性调谐。3．温度调谐原理引起九漂移的因素有很多种，若只考虑温度T的影响，贝,lJn够、2,B、人只是T的函数。当温度变化时，由于热膨胀效应和热光效应，进而改变光纤光栅周期人及有效折射率嚣万，从而改变布拉格波长九以达调谐目的·假定轴向应力场和均匀压力场恒定。由热膨胀引起的光栅周期变化为：AA=口AAT(3．27)式中口为光纤的热膨胀系数，△r为温度的变化。由热光效应引起的n万的变化可表示为：知疗穆够△丁(3．28)式中毛为光纤的热光系数。将(3．27)、(3．28)式代入(3．20)式可得：厶九B。2A毛n霄Ⅺ．}2n蹬伐八△，l：九Bt毛+伐)龃吣．29)或可表示为：△九B／九B=代+a)AT(3．30)在一定温度范围内，毛、口为常数，故△以／以与△丁呈现一定的线性关系，即在59 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究一定的温度范围内可实现线性调谐。4．电磁调谐原理由于法拉第效应，光纤光栅在轴向磁场的作用下，光纤光栅中传播的光场的双折射效应，致使光纤纤芯折射率对不同旋转方向的光具有不同的折射率，即可通过改变磁场大小，从而改变纤芯折射率，以达到改变布拉格波长的目的。假设光纤光栅只受轴向磁场胃，的作用，光纤纤芯对左、右旋光的折射率变化分别为：以；=以万+百VH：3,(3．31)胛；：，z甜一—1／7-／—'：A,(3．32)胛，2刀万一瓦■(3·其中，力；、力；分别为光纤纤芯对左、右旋光的折射率。V为维尔德常数。由公式(3．19)式得：砖=2以，4-人(3．33)而=2以；+A(3．34)将(3．31)、(3．32)代入(3．33)、(3．34)再相减可得：悔一面I=2人圜：A／n"(3．35)由此可见，两种旋光的布拉格波长差与轴向磁场成正比，两个布拉格波长与无磁场作用的布拉格波长相比，它们分别向两边漂移。由于此种方法调谐范围十分有限，所以它很难应用在实际中。3．5．2压力调谐实验采用实验室制作的两种不同封装形式的压力栅，仍采用前面新设计的环型腔掺铒光纤激光器结构(如图3．18)，腔内各个元件的特性参数均与前面相同，由于光纤光栅对压力敏感，把这两种压力栅分别放入加压装置中进行加压操作，然后分析输出激光波长的变化情况。1．第一种压力栅的调谐实验首先对于第一种封装的压力栅，变化压力范围为0-6Mp，记录数据如表3．9。在0-6Mp60 西北大学硕士学位论文的压力调谐范围内，激光的中心波长从1526．6390n_m增长到1528．0080nm。表3．9第一种封装压力栅调谐数据表压力(邯)波长(rim)压力(Mp)波长(rim)01526．639041527．4460l1526．850051527．699021527．085061528．008031527．3200Ol23456压力(Mp)图3．20第一种封装压力栅压力与波长关系曲线根据实验数据做出表征#l-力n压力和输出波长变化关系的曲线，由图3．20可得曲线的拟合直线方程为y=O．2213x+1526．4，所以压力灵敏度为0．2213nm／Mp，线性拟合度为R2=99．22％，可以看出该曲线的线性度很好。615857565．2．2．2．857565212l2125l1一量一半鲻 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究图3．2l第一种封装压力栅波长调谐效果图波长调谐效果如图3。2l所示，分别为OMp和6Mp时的输出激光光谱图，未加压时激光的中心波长为1526．6390nm，随着压力的不断增大，中心波长向长波方向逐渐移动，当外加压力加大到6Mp时，激光的中心波长增大到1528．0080nm，因此激光器的波长调谐量为1．369nm。2．第二种封装压力栅的调谐实验按照相同的实验方法，使用另外一种封装形式的压力栅，记录数据如表3．10所示。压力变化范围仍是0-6Mp，记录数据如表3．9，激光的中心波长从1557．6410nm增长到1560．6140nm。表3．10第二种封装压力栅调谐数据表压力Mp波长(13m)压力洳波长(咖)O1557．641041559．715011558．197051560．266021558．777061560．614031559．2430Ol23456压力(Mp)图3．22第二种压力栅压力与波长关系曲线根据数据表格做出波长和压力关系的拟合曲线图3．22，由图可计算出拟合直线方程为y=O．4998x+1557．2，所以压力灵敏度是0．4998nm／Mp，线性拟合度R2=99．67％，可以看出与前面数据相比，线性度更好。6215059585756．6．55059585756516151515l5l51l1l舍c一半鲻 西北大学硕士学位论文图3．23第二种封装压力栅波长调谐效果图这种封装压力栅调谐效果如图3．23，分别为OMp和6Mp时输出激光光谱图。在未加压时激光的中心波长是1557．6410nm，与上一个调谐实验类似，随着压力的不断增大，中心波长向长波方向逐渐移动，压力增大到6Mp时，激光的中心波长变为1560．6140nm。在相同的压力调谐范围内，这次激光器的调谐量是2．973nm，高于第一种压力栅的调谐量1．369nm，且拟合曲线的线性度和压力灵敏度也都高于第一种压力栅。实验结果说明增敏形式的变化，对波长的可调谐范围有较大的影响。3．5．3温度调谐实验温度调谐是利用光纤光栅对温度敏感的特性，采用在光纤光栅外层镀膜、在光纤上涂覆温度敏感材料等方法，改变膜或涂层的温度实现调谐作用。温度调谐是使光纤光栅所处环境的温度变化，从而改变布拉格波长。仍采用前面研究的环型腔掺铒光纤激光器结构进行温度调谐实验，特性参数也与前面相同，实验装置如前图3．18。1．裸栅的温度调谐实验实验中要用到一种温控箱，它的温控范围从一40。C到200。C，精度是±I。C。先把裸栅放入温控箱加热，实验发现，随着温度升高，中心波长逐渐向长波方向移动，反过来当温度降低时中心波长逐渐向短波方向移动。调节裸栅的环境温度从32。C变化到102。C时，用光谱仪观察激光器输出激光光谱的变化情况。记录数据如表3．11所示，中心波63 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究长从1538．2270nm变化到1538．8790nm，可以看出激光的中心波长随着温度的升高而增表3．11裸栅温度调谐数据表温度。C波长(nln)温度。C波长(nln)321538．2270721538．5630421538．3780821538．7200521538．4090921538．7810621538．48801021538．879015391538．91538．81538．7它1538．6受1538．5鲻1538．41538．31538．21538．1153832425262728292102温度图3．24裸栅温度与波长的关系曲线根据实验数据画出温度和波长的拟合曲线图，由图3．24可得曲线的拟合直线方程为y=O．0909x+1538．1，所以温度灵敏度为0．0909nm／。C，线性拟合度R2=98．44％，线性度较好。 西北大学硕士学位论文图3．25裸栅温度调谐效果图裸光纤光栅调谐效果如图3．25所示，分别为32。C和102。C时激光输出的光谱图。在32。C时输出激光的中心波长为1538．2270nm，温度从32。C连续加大到102。C，达到102。C时，输出激光的中心波长变为1538．8790nm。在整个70。C的温度调谐范围内，调谐量为0．6520nm。2．封装温度栅的调谐实验光纤光栅的增敏方式不同时，对应的波长调谐量也不同，有的光栅是通过聚合物封装，有的光栅利用掺铒光纤与LPFG双光栅混合封装，还有重叠结构的光栅。实验中采用了一种封装的温度栅进行温度调谐实验，调节温度变化范围仍是从32。C到102。C，但实验发现波长调谐范围大幅增加，数据如表3．12所示，中心波长从1546．6200nm变化到1549．5400nm。表3．12封装温度栅温度调谐数据表温度oC波长(nIll)温度oc波长(rim)321546．6200721548．51i0421547．1120821548．8780521547．6010921549．2190621548．08801021549．540065 第三章环型腔掺铒光纤激光器的实验研究温度图3．26封装温度栅关系曲线图仍然根据实验数据画出温度和波长的拟合曲线图3．26，由图可算出拟合直线方程为y=O．4194x+1546．3，温度灵敏度为0．4194m／。C，高于裸栅的灵敏度，线性拟合度为99．37％，也高于比裸栅的线性度。这种封装的温度栅调谐效果如图3．27，分别为32。C和102。C时激光输出的光谱图。在32。C的中心波长为1546．6200hm，达到102。C时，激光的中心波长变为1549．5400hm。，温度调谐范围为70。C，在这个范围内激光器的波长调谐量为2．9200nm，明显高于裸栅的调谐量，且温度灵敏度和线性度都高于裸栅的。说明增敏形式的改变，对输出波长的可调谐范围会产生较大的影响。d自／D只￡B：IU．ZI倒lm6EN5：．i．．．．．．．．ji．．．．．．．．ji．．一[重：团m，o匮函团m图3，28封装栅温度调谐效果图0595857565．4595857565l414l4l414151l1一星一半鲻 西北大学硕士学位论文这一节内容是在前面一系列实验研究的基础上，利用光纤光栅的调谐原理，采用新设计的环型腔掺铒光纤激光器，应用不同形式的压力栅和温度栅进行调谐实验。在压力调谐实验中，用到两种不同封装形式的压力栅，第一种压力栅的波长调谐范围为1．369nm，灵敏度为0．2213nm／Mp，第二种压力栅的波长调谐范围是2．973nm，灵敏度为0．4998nm／Mp，可知不同的封装结构可得到不同的波长调谐范围。在温度调谐实验中，用到一个裸栅和一个封装温度栅，裸栅的波长调谐范围为0．6520nm，灵敏度为0．0909nm／。C，封装温度栅的波长调谐范围为2．9200hm，灵敏度为0．4194nm／。C。两组实验结果都说明增敏技术的提高有利于较大幅度的提高波长调谐范围。67 结论自日F匕：本文主要利用光纤实验室的现有条件，对环型腔掺铒光纤激光器进行了一些实验研究，主要完成了以下一些工作：1．理论分析掺铒光纤激光器的原理，包括光纤激光器的元器件介绍、基本结构、种类，掺铒光纤的基本结构、主要参数、发光机理，以及它的熔接问题，然后研究了泵浦源的选择标准、结构及主要特性，叙述了驱动电路的设计，包括APC电路、ATC电路等，最后介绍波分复用器的基本原理。2．理论分析掺铒光纤超荧光光源的基本结构，并进行基础实验分析；理论分析当掺铒光纤的掺杂浓度保持一定时，如果改变铒纤长度或耦合比时，光纤激光器的输出功率、输出波长的稳定性也会随之改变。所以为了提高激光的输出功率，接下来对掺铒光纤激光器的几个特性参数进行测试，结果得出铒纤的最佳长度为9m，最佳耦合比为80％。在这样的最优参数条件下，又对环型腔掺铒光纤激光器的基本结构进行了性能测试。．3、在前面实验研究基础上，设计出一种结构优化的全光纤系统的环型腔掺铒光纤激光器，其中主要元件为980LD泵浦源，80％耦合比的耦合器，9m的掺铒光纤，1×2型光纤环形器，对该激光器进行实验测试，结果证明该激光器的输出功率较高。如在250mA时可达10．818mW，带宽较窄为0．0482nm，边模抑制比为52．68dBm，且信噪比显著提高，能有效改善了输出激光的质量，这对于实现远距离的光纤传感传输技术有较大的作用。4、利用新的环型腔掺铒光纤激光器，进行了基于光纤光栅的波长可调谐实验，分别进行压力调谐和温度调谐实验。压力调谐实验中，采用了两种不同形式封装的压力栅，第一种压力栅的波长调谐范围为1．3690nm，灵敏度为0．2213nm／Mp，第二种压力栅的波长调谐范围为2．9730nm，灵敏度为0．4998nm／Mp。温度调谐实验中，采用了一个裸栅和一个封装温度栅，裸栅的波长调谐范围为0．6520nm，灵敏度为0．0909nm／。C，而封装温度栅的波长调谐范围为2．9200hm，灵敏度为0．4194nm／。C，两组基于光纤光栅调谐的实验都证明了增敏技术的增进，激光器的波长调谐范围也能够有较大幅度的提高。由于实验条件所限，研究过程也有许多不足之处，例如掺铒光纤的掺杂浓度也会影响激光器输出功率的大小，但没有针对掺杂浓度的影响进行实验分析， 西北大学硕士学位论文也应存在一个最佳掺杂浓度。此外，实验中只是研究了泵浦源对光纤激光器输出功率的稳定性的影响，未讨论其它影响输出功率的因素。综上所述，本文对环型腔掺铒光纤激光器的原理结构设计、实验装置的研制、输出特性参数的测定与分析等方面进行了研究。在以后的研发中，应进一步改造结构、实现模块化、完善仪器功能、实现智能化。随着信息社会的到来，光纤激光器技术正在迅速发展，所涉及的科学研究和产品应用领域十分广泛，具有巨大的潜在应用价值和广阔的市场前景。随着各种类型光纤激光器技术的逐步成熟和商业化应用，将对相关领域的发展产生巨大的推动作用，同时也将引起相关技术领域的深刻变革。69 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