短脈衝光纖雷射器

光纖雷射器主要採用摻稀土元素的光纖作為增益介質 ,比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有 Er3+、 Yb3+、 Nd3+、 Pr3+、 Tm3+、 Ho3+。光纖雷射器由泵浦源、增益介質、腔鏡組成。其中, LD發出的泵浦光經光纖耦合器進入光纖,使光纖中摻雜元素原子激發。

基本介紹

• 中文名：短脈衝光纖雷射器
• 外文名：ultrafastpulse fiber laser

1背景介紹

自從 1965年人們首次利用被動鎖模技術在紅寶石雷射器上直接產生皮秒級超短雷射脈衝以來 ,超短脈衝技術的發展異常迅速。摻稀土元素光纖雷射器也在 60年代出現 ,但由於早期光纖材料的損耗很大 ,因此 , 80年代以前其進展緩慢。進入 80年代以後 ,由於光纖通訊技術的發展及光纖材料特別是摻稀土元素光纖材料和新的雷射泵浦技術的發展 ,光纖雷射技術研究受到世界各國的普遍重視 ,目前已成為雷射技術領域一個十分活躍的前沿研究方向。

90年代初 ,光纖超短脈衝光源在光纖通訊系統中的套用得到了進一步的發展 ,特別是在1. 55μm視窗 ,摻 Er3+ 光纖超短光脈衝雷射器伴隨著摻Er3+ 光纖放大技術的成熟得到了很大的發展。以光纖作基質的光纖雷射器閾值低、波長可調諧 ,是目前光通信領域的新興技術 ,它支持更高的傳輸速度 ,是未來高碼率密集波分復用系統和相干光通信的基礎。其他稀土摻雜元素的光纖超短脈衝雷射器在光纖通信、醫療和生物學等領域也具有誘人的套用前景。

2超短脈衝光纖雷射器原理及特點

光纖雷射器主要採用摻稀土元素的光纖作為增益介質 ,比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有 Er、 Yb、 Nd、 Pr、 Tm、 Ho。光纖雷射器由泵浦源、增益介質、腔鏡組成。其中, LD發出的泵浦光經光纖耦合器進入光纖,使光纖中摻雜元素原子激發。腔鏡為二色鏡,反射輸出雷射,對泵浦光增透。與固體雷射器相同,光纖雷射器也是根據鎖模原理產生短脈衝雷射輸出的。光纖雷射器在增益頻寬內的大量縱模上運轉時,當各縱模相位同步,任意相鄰縱模相位差為常數時實現鎖模,諧振腔內循環的單個脈衝經過輸出耦合器輸出能量。根據鎖模方式不同,可分為主動鎖模光纖雷射器和被動鎖模光纖雷射器。由於主動鎖模調製能力有限,限制了鎖模脈衝的寬度,脈衝寬度通常為ps量級。被動鎖模或自鎖模光纖雷射器是利用光纖或其它元件中的非線性光學效應實現鎖模的 ,雷射器結構簡單 ,在一定條件下不需要插入任何調製元件就可以實現自啟動鎖模工作。通常自啟動被動鎖模光纖雷射器可以輸出 fs量級的超短脈衝由塊狀工作物質及各種光學元件組成的傳統固體雷射器存在體積大、質量大、結構松、可靠性差等缺點。而光纖雷射器有以下特點: ( 1) 增益介質長 ,能方便地延長增益長度使抽運光充分吸收 ,光 -光轉換效率超過 60% ; ( 2) 光纖雷射器表面積/體積比大 ,其工作物質的熱負荷相當小 ,光纖中的場主要約束在纖芯內 ,使纖芯中的場強很大 ,加之光纖的低損耗又使這種高光強可以保持很長距離,能產生甚高亮度和甚高峰值功率( 140 mW /cm2);( 3) 易實現單模、單頻運轉和超短脈衝 ( fs) ; ( 4)光纖雷射器體積小且結構簡單,工作物質為柔性介質 ,使用方便; ( 5) 雷射器可在很寬光譜範圍內( 455～ 3 500 nm)設計與運行 ,使光纖雷射器可調。由於光纖雷射器具有以上特點 ,因此採用光纖作為振盪器產生超短脈衝雷射比傳統固體雷射放大器更具優勢。2

3短脈衝光纖雷射器的套用

1飛秒雷射精細材料加工

飛秒雷射具有超短的脈衝寬度(10s),很高的峰值功率(可達10w)和功率密度(10w/cm),超微細加工是飛秒雷射技術的重要的套用領域。

這一套用經過發展,已有了不少重要的進展。飛秒雷射超微細加工與先進的製造技術緊密相關,對某些關鍵工業生產技術的發展可以起到更直接的推動作用。與傳統的加工用雷射器如二氧化碳雷射器、摻欽憶鋁石榴石等雷射器相比,由於飛秒雷射加工產生的熱影響區域非常小,能夠得到更高的加工精度。通常,按雷射脈衝標準來說,持續時間大於皮秒(相當於熱傳導時間)的雷射脈衝屬於長脈衝,用它來加工材料,由於熱效應使周圍材料發生變化,從而影響加工精度。而脈衝寬度在皮秒以下的飛秒雷射脈衝則擁有獨特的材料加工特性,脈衝時間遠小於材料中受激電子通過轉移、轉化等形式的能量釋放時間從根本上避免了熱擴散的存在和影響,沒有熱效應、加工孔徑的熔融區很小或者沒有;可以實現多種材料,如金屬、半導體、透明材料內部甚至生物組織等的微機械加工、雕刻;加工區域可以小於聚焦尺寸,突破衍射極限等等。飛秒雷射系統己用於大規模積體電路晶片的光刻工藝中;用飛秒雷射進行切割,幾乎沒有熱傳遞,這種雷射束能安全地切割高爆炸藥;飛秒雷射能用於切割易碎的聚合物,而不改變其重要的生物化學特性。此外,醫學領域己將它作為超精密外科手術刀,飛秒雷射的熱影響很小,用它做手術刀不會損傷周圍的其他組織,對於心肌梗塞、眼科手術、齒科治療,飛秒雷射也是理想的選擇。

2光學相干斷層掃描技術

光學相干斷層掃描技術(光學相干層析技術,Optical Coherence Tomography, OCT)是近十年迅速發展起來的一種成像技術,OCT最早是卡爾·蔡司於上世紀90年代發明的,到現在己有3-5代。它利用弱相干光干涉儀的基本原理,檢測生物組織或者患者病患部位不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號,通過掃描,可得到生物組織二維或三維結構圖像,圖像解析度最高可以達到到1u m,這一解析度比其他的成像技術,如核磁共振成像或超音波CT,都要高。根據成像原理,OCT對光源的要求有幾個基本要求:

1.近紅外,使光線在生物組織中具有合適的穿透力,由於藍光和紫外等短波長的光波在組織內會發生較較強烈的散射,只能穿透表皮附近的幾百微米的厚度,所以不適合用作OCT的光源;而光波長大於2500nln,水分子的共振吸收將同樣把成像深度限制在表皮下幾百微米的範圍內,所以最佳的探測波長在1200-1800nm範圍內;

2.短的相干長度,以實現高空間解析度,一般來說光譜越寬則可以獲得越高的空間解析度和圖像對比度;但寬光譜成像需要考慮修正常色散效應和色差的影響;3.高照度,由於生物組織的背向反射和散射信號比較微弱,因而對光源的強度有一定的要求,以提高圖像的信噪比。

使用的光源主要有ELED、SLD光源等。一般使用最廣的是紅外波段的SLD光源,但它的相干長度通常在ZOum左右,不足以達到某些高空間解析度的套用要求;ELED光源相干長度較短,但發射光功率較低;而飛秒雷射器非常適合用於作為OCT的光源,可以較好地符合上面提到的對光源的三個要求。已有關於欽藍寶石鎖模雷射器和鉻鎂橄欖石鎖模雷射器產生的飛秒雷射用於OCT的光源的研究,其具有的寬光譜可以實現高解析度,高脈衝功率使得快速掃描得以實現。然而欽藍寶石鎖模雷射器價格昂貴且體積大,便攜性很差,一般只能在固定場合使用。工作在1.5um波段的摻餌光纖飛秒雷射器具有和欽藍寶石飛秒雷射器同樣的光譜和時域特性,並且更加輕便緊湊,可以彌補欽藍寶石鎖模雷射器在便攜性方面的缺點,但國內外在這方面的套用研究的報導還較少。

3太赫茲波產生技術

太赫茲波(Terahertz從/aVe,THz),是指頻率在0.1-10THz範圍內的電磁波(1THz一10Hz),其波段位於毫米波和遠紅外光之間(30um-3mm),是光子學技術與電子學技術、巨觀與微觀的過渡區域。

由於物質在太赫茲波頻段的發射、反射和透射光譜中包含有豐富的物理和化學信息,並且太赫茲波輻射源與傳統光源相比,具有相干性、低能、高穿透性等獨特、優異的特性,與太赫茲輻射相關的太赫茲波技術逐漸成為國際研究的熱點。它在物理、化學、天文學、生命科學和醫藥科學等基礎研究領域,以及安全檢查、醫學成像、環境監測、食品檢驗、射電天文、衛星通信和武器制導等套用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的套用前景。太赫茲波頻段是一個非常具有科學研究價值但又尚未充分研究開發的電磁輻射區域,早在20世紀20年代太赫茲波就引起了人們的興趣。但一直缺少高能高效,且廉價實用的太赫茲波段的產

生技術和有效的檢測手段,成為限制現代太赫茲技術發展的最主要因素,使得人們對這個頻段的電磁波特性和套用知之甚少,形成了遠紅外線和毫米波之間的太赫茲空白。近年來,伴隨著雷射技術、量子技術和化合物半導體、超快技術等的迅猛發展,為實現穩定可靠的太赫茲波發射源提供了可能。根據太赫茲波產生的方式以及它所處電磁波譜中的位置,太赫茲波輻射可以利用光學技術和電子學技術兩種方法來產生。常見的電子技術產生太赫茲波的方法有加速電子產生法等。光學產生方法主要有太赫茲波氣體雷射器、光整流、光電導以及非線性光學差頻等方法,其中涉及到超短脈衝雷射的是光整流方法和光電導方法。

其中光整流方法(Optical Rectification)是完全利用光學手端的產生方法,它利用超短雷射脈衝,可以產生寬頻亞皮秒脈衝的太赫茲輻射。光整流效應是一種非線性效應,直接利用高峰值功率的飛秒雷射脈衝和非線性介質(如ZnTe、GaP、GaAs)相互作用,通過二階和高階非線性過程而產生低頻電極化場,此電極化場在非線性介質表面輻射出太赫茲輻射,太赫茲光束的能量完全來自雷射脈衝,轉換效率取決於雷射脈衝功率、非線性係數和相位匹配條件。

光電導是另一種綜合利用電學技術和超短雷射脈衝產生太赫茲輻射的方法。

光電導天線又稱光電導開關(Photoconductive Swatch),其基本原理是利用飛秒雷射脈衝觸發直流偏置下的光電半導體,當入射飛秒脈衝的光子能量大於半導體的禁頻寬度,光子能量被吸收,半導體表面瞬時產生大量自由電子一空穴對,泵浦飛秒雷射脈衝產生的載流子會在半導體表面產生瞬間變化的電流,從而產生向外輻射的太赫茲輻射飛秒脈衝。泵浦脈衝在整個過程中就像一個開關,負責打開電流,因而被稱為光電導開關。影響發射性能的因素主要有半導體基底的選擇、光電導天線的幾何結構以及泵浦雷射脈衝的參數。現用作雷射的飛秒光源有欽藍寶石鎖模雷射器、鎖模光纖雷射器。相比而言,鎖模光纖雷射器結構更為緊湊,體積相對較小,成本也較低。光電導產生的太赫茲輻射具有較高的增益。其能量主要來自天線上所加的偏置電場。通過調節外加電場,只需中等強度的雷射輸入便可獲得很強的太赫茲輸出。

超短脈衝雷射器最直接的套用就是作為超快光源 ,形成多種時間分辨光譜技術和泵浦 /探測技術 ,作為飛秒固體雷射放大器的種子光源 ,可用於光纖型光參量振盪器與放大器系統 ,並可使用周期性極化鈮酸鋰 ( PPLN)進行高效倍頻或頻率轉換。它的發展帶動了物理、化學、生物、材料與信息科學的研究進入微觀超快過程領域。 超短脈衝光纖雷射器在通信、軍事、工業加工、醫學、光信息處理、全色顯示和雷射印刷等領域具有廣闊的套用前景。

超短光脈衝發生技術是實現超高速 OTDM系統的必要條件之一。 傳送的信號光脈衝越窄 ,單位時間內傳送的脈衝就越多 ,傳輸的信息量就越大。 模同步摻鉺光纖環形雷射器溫度穩定 ,產生的脈衝幾乎沒有啁啾 ,在高頻條件下 ,不需要進行啁啾補償或脈衝壓縮就能產生 10 ps 以下的超短脈衝。