摻銩光纖雷射器

用摻稀土元素的光纖來充當增益介質是光纖雷射器的基本結構,主要是由泵浦源,耦合器,摻稀土元素的光纖,諧振腔等器件來構成的。

基本介紹

• 中文名：摻銩光纖雷射器
• 外文名：Tm-doped saber laser

1 背景介紹

從20世紀60年代開始,Snitzer等人就已經提出了光纖在雷射器方面套用的構想,並且在之後不久就用摻雜Nd的玻璃纖維研製出了第一台光纖雷射器,這標誌著雷射器的研究 始進入了一個新的發展時期。而後在80年代中期,英國南安普頓大學Poole等人釆用化學氣象沉積法製作出了第一根低損耗的摻銀的單模光纖,並且利用它完成了光纖雷射器的製作,就此開啟了光纖雷射器的實用化階段。與其他固體光波導材料相比,光學玻璃纖維作為光波導器件具有最大的表面積與體積比、很好的柔郁性以及良好的光束傳輸質量。

光纖雷射器是以光纖作為基質的,它具有效率高、緊湊小巧、線寬窄、閾值低、穩定性好、性價比高並且可調諧等一系列的優勢,是光通信領域技術發展的新方向。光纖雷射器已經在材料處理、目標指示、醫療、雷射測距等很多領域獲得了很重要的套用。其中摻銩光纖雷射器在人眼的安全波長範圍內輻射吸引了多方面學者的興趣,它具有的可調諧波長為1.6um-2um,是一個較寬的範圍。並且在該波段還包含了 1940mn附近的水吸收峰,所以對組織的穿透深度比較淺,創面小,同時止血性能好,同時兼容了其他雷射器的優點,從而摻銩光纖雷射器可成為一些手術或者醫療過程的完美工具。於此同時這個波段在光譜分析、雷射雷達、雷射測距、雷射遙感、空間光通信和軍事方面都有相關的優勢和套用,除此之外,在連續或者是脈衝模式下的摻銩光纖雷射器還可以作為3um-至5um的中紅外光的一個高效的種子光源。而窄線寬的摻銩光纖雷射器是其中重要的一個分支,它具有增益高、良好的方向性、良好的散熱性和相干特性等一系列的優點。

2 摻Tm光纖雷射器的特點

用摻稀土元素的光纖來充當增益介質是光纖雷射器的基本結構,主要是由泵浦源,耦合器,摻稀土元素的光纖,諧振腔等器件來構成的。泵浦源一般是由一個或者幾個大功率的雷射二極體組合而成,由泵浦源發出的光經過一定的泵浦結構進入摻稀土元素的光纖中,摻雜光纖吸收光子後發生了粒子數的反轉,受激發射出來後的光波經過震蕩然後形成雷射發射出來。

光纖雷射器通常將Tm、Er、Yb、Nd等不同的稀土離子摻雜進光纖內,通過不同稀土離子的特性不同來獲得所對應波段的雷射輸出。與傳統的光纖雷射器相比,單模光纖的纖芯不是很大,所以泵浦光不容易有效稱合到光纖的纖芯里,同時它要求進入到纖芯的泵浦光同樣是單模的,這樣就阻礙了泵浦光稱合效率的提高,同時斜率效率和輸出功率也都變小了。隨著光纖技術的迅猛發展,大功率的雷射器出現以及後來市場上的快速推廣,人們對處於人眼安全波長領域的光纖雷射器和光纖放大器的需求量都在快速的增長,但是利用傳統的光學技術是很難製作出人眼安全波長範圍內的雷射器,而光纖雷射器正好可以做到這一點,所以正好能夠迎合這個需求巨大的市場。

光纖雷射器以後發展的主要方向就是面向人眼安全的醫療、雷射武器、先進制造技術、光通信和遙感等領域,這對於摻銩光纖雷射器來說是一個很好的機會。而與以前的雷射器相進行對比,摻銩光纖雷射器具有其明顯的一些優勢:

1.免維護,功能穩定,使用時間長由於光纖和光纖元件之問的連線結構和連線參數在長時間內都可以保持穩定,所以摻銩雷射器不用經常維護,以輸出功率為標準,它比固體雷射器有更小的體積和重量,它重量更輕,而且壽命也更長。

2.波長範圍寬易調諧由於稀土離子的能級結構很豐富,所以能級躍遷範圍從紫外波段到紅外波段,能夠實現的能級躍遷方式也很多。所以雷射器的的雷射輸出可以通過利用不同的摻雜離子來得到。稀土離子能級較寬,並且玻璃光纖焚光譜比較寬,因此可以通過插入適當的波長選擇器來實現調諧範圍較寬的的雷射器。

3.轉換效率高

光纖雷射器的泵浦光稱合效率很高,是因為它有具有波導式 光纖結構,而且纖芯直徑小造成較大的功率密度,同時纖芯的表面積與體積比也很高。由於光纖雷射器對溫度的穩定性與散熱性能較好,功率非常高時也不會使增益介質收到熱損害,所以轉換的效率較高。轉換效率高在很大程度降低了雷射器運行成本。

4.抗干擾性能強

摻銩光纖雷射器具有優異的熱性能,其全封閉的光路可以使光纖雷射器在複雜的環境下穩定工作,它的電光效率高,對於高強度的震動和衝擊的複雜環境中都能夠正常使用。

5.光束質量好

光纖雷射器輸出的雷射光束質量是由光纖內部波導結構決定的,不會隨溫度變化而變化,能夠得到單縱模的雷射輸出,同時擁有單色性、穩定性和方向性。由於摻銀光纖雷射器一般是使用半導體雷射器作為泵浦源,摻銩光纖作為增益介質與波導介質,並且利用了光纖光柵,稱合器等元器件,所以摻銩光纖雷射器的機械光路不需要調整,整個系統的結構緊湊,集成簡單。而摻銩光纖雷射器具有很強的抗電磁干擾能力,這是因為器件的全光纖結構決定的,溫度膨脹係數較小, 在時域上通過配合雷射鎖摸就可以獲得基本沒有啁啾的皮秒級變換光脈衝,而在頻域上套用光纖感測技術以及WDM則可實現可調諧多波長的輸出。

3 摻Tm光纖雷射器研究的意義

人們對通信容量的需求與日倶增,而高速的光通信系統不僅需要充分利用C波段(1525nm-1565nm)的有限的波長資源,更要擴展到L波段(G575nm-1615nm). S波段(1420nm-1520mn)以及更寬更髙的波段範圍。與此同時,人眼安全波長範圍內的雷射器使用傳統光學技術已經很難製作出來,所以人們對人眼安全波長領域波段的光纖雷射器的需求也在逐漸的增大。

提高摻銩光纖雷射器的功率是光纖雷射器發展的一個重要方向,它輸出的雷射波長位於2pm波長左右,水分子有很強的中紅外吸收峰在該波長的範圍附近,因此它被認為是套用於醫學、眼睛安全、超快光學、近距離遙感、生物學的比較理想的光源,具有很好的發展前景。同時在醫學的領域方面,摻銩光纖雷射器也有很多方面的套用,包括加速汽化、超精細的切割工藝、以及在醫學中的凝結止血。除此之外,大功率的摻鉉光纖雷射器除了可以用於人眼的安全波長和雷射雷達光源以外,還能夠當做固態晶體雷射器的泵浦源來使用,進一步來實現波長更長紅外雷射器的輸出。

而窄線寬光纖雷射器在光纖雷射器中有著自己的一席之地。窄線寬光纖雷射器除了有光纖雷射器所具有的增益高、良好的方向性、良好的散熱性和抗干擾能力強等特性外,最大的優點就在於具有很好的相干特性。與傳統的半導體雷射器相比,窄線寬光纖雷射器有調製幅度不隨調製頻率的改變而改變的特點,並且功率的穩定性很出色。也正是由於這些窄線寬光纖雷射器的特點,使它在很多的套用方面都得到了迅猛的發展,下面是其中主要的一些領域:

1.光載無線通信系統

現在隨著在社會中的信息化程度的飛速發展,人們對於高速的大容量無線通信的需求同時在快速的增長,光載無線通信技術是將光纖通信和無線通信一起利用的一門新興技術。它是利用光纖並以光波作為載體來進行無線射頻信號傳輸的,然後將基站的無線發射和利用光纖進行的有線傳輸共同使用,整個工作的流程:中心站首先通過調製器來把微波信號調製進入發射的雷射中,在經過複雜的光路後把攜有調製信號的雷射傳送到基站後,再使用光電的轉換模組把微波信號給解調出來,然後利用天線把它發射出去。而實現光載無線通信的重要環節就是是不是能夠輸出穩定的窄線寬雷射。

2.光譜分析中的套用

雷射的光譜分析就是利用被測的物體吸收或者發射的特殊光譜來對它的組成部分進行定量和定性的相關分析,同時在分析的過程中對所測的物體不構成任何影響,被測物體的譜線強度與其內部的各種元素的含量是有關的,並且含量越高,譜線的強度就會越大。所以通過測量譜線的強度和寬度,就能夠實現對被測物體中元素Z沒量定量的測定。使用雷射的光源的線寬越窄,最後光譜分析中所得到的光譜分析的精細度就會越高。

3.遠距離光纖感測系統

現在隨著光纖的感測技術的發展以及市場需求的不斷變化,以前的基於光纖光柵和光時域反射的分散式感測技術不再能夠滿足現在市場變化的需求。所以,現在光纖感測已經慢慢向高靈敏度、超遠距離、高精確度等領域方向發展,而窄線寬的光纖雷射器正好符合這些要求。

4.相干光通信

近些年來,通信業務正在快速的發展,而光通信方向已經 始向高效率、高靈敏度的方向發展。所以具有高效率高靈敏度優點的相干光通信系統開始進入了快速發展的時期,並且逐步開始實用化。

外差檢測和相干調製這兩項技術是相干光通信中主要使用的。相干調製就是在傳送端把需要進行傳輸的信號調製到傳輸的光載波上,對光載波進行相應的頻率、相位和振幅的調節。在位於接收端的外差檢測就是指利用一束本振的雷射與輸入的信號光利用光混頻器進行混頻,最後得到的載入信號與信號光的頻率、相位和振幅擁有一樣的變化規律。

4 國內外的發展現狀

利用摻雜光纖來充當增益介質的光纖雷射器的研究開始於20世紀60年代初,1963年Elias Snitzer在摻銩(Nd3+)的玻璃基質中成功研製成了光纖雷射器。20世紀70年代,光纖的製作技術和泉浦技術都有了很大的發展,所以人們對於光纖雷射器的研發和最佳化升級都進入了一個快速發展的時期。其中在20世紀80年代,英國的南安普頓大學對摻(Er)光纖的研究有了一些明顯的進展,使得光纖雷射器具有了一些更加實用的價值。而後到了80年代的後期,憑藉頻寬寬、效率高、可調諧和增益高等一系列的優點引起了相關學者的高度關注。

而對於銩離子(Tm)在品體和玻璃中的光譜特性在19世紀60年代初期研究人員就開始有了一定的認識,並逐步進行了深入的研究,而在近幾年,除了光纖通信、光纖感測和雷射加工領域以外,雷射醫療、雷射雷達、空間光通信和空間遙感等領域都需要2pm波段輸出的窄線寬或超窄線寬雷射光源。特別是隨著雷射雷達和空間光通信的迅速_起,輸出波長位於2^1111大氣低損耗視窗的摻銩窄線寬光纖雷射器引起了各國軍方和科研人員的興趣。

在國外,摻銩光纖雷射器的發展經歷了一個很長的時期。1995年,R. Michael Percival等人使用泵浦氟化物摻銩光纖雷射器,得到最大斜率效率約為84%。同年,L. E. Nelson等人通過研究得到了附加脈衝鎖摸的摻銩光纖雷射器,由於此階段的研究人員所採用的一般為小功率YAG雷射器和雷射二極體及染料雷射器作為泵浦,光纖大多採用氟化物和娃為基質的單模光纖,所以研製的光纖雷射器輸出功率有限。1999年,S.D.Jackson等人建立了石英基摻銩光纖的數學模型,基於速率方程分析了在三種不同菜浦抽運方式下摻銩光纖雷射器的最大斜率效率值,討論了不同摻雜光纖長度、不同摻雜濃度等對摻銩光纖雷射器輸出功率的影響,為石英基摻銩光纖雷射器的實驗工作提供了理論依據。在實驗論證方面,科研人員的研究重點主要集中在如何提高摻Tm3+光纖雷射器的輸出功率。