複合腔光纖雷射器

複合腔光纖雷射器是基於多臂振盪器和耦合/分束器（Beam splitter）之上的。

基本介紹

• 中文名：複合腔光纖雷射器
• 外文名：CompositeCavity laser

1光放大器

光放大器的結構及分類

光放大器可以想像成為一個具有低反饋機制的雷射器。它同樣也需要增益介質和外功率源（泵浦源）來提供放大所需的能量。與雷射器所不同的是，光放大器還需要信號源。我們可以用一個簡單的結構圖來表示光放大器的基本形式。

按照不同的分類方法，光放大器可以進行如下分類：

一、 按照增益介質的不同，可以分成半導體光放大器和摻稀土光纖放大器。 半導體光放大器是現代光放大器中最早出現的光放大器。它的工作原理是基於雷射半導體介質固有的受激輻射光放大機制。其優點是尺寸小、造價低、頻頻寬、增益高；但缺點是與光纖耦合時損耗太大、易受環境溫度的影響、工作穩定性差。由於半導體光放大器在實現光與電集成方面具有優勢，因此它更多的是被套用於高速通信網中光開關、光復用/解復用和波長變換器等光信號處理模組。

在各種摻稀土光纖放大器中，摻鉺光纖放大器（EDFA）優先得到發展。EDFA 工作在通信波段，輸出僅為 mW 量級的功率，不能滿足人們對高功率雷射的需求。在稀土元素中，由於 Yb3+離子具有簡單的能級結構（只包含兩個多重態展開的能級₂F_5/2和₂F_7/2）和大的能級間隔（約 10000cm-1）使摻 Yb3+光纖雷射器及放大器具有很高的轉換效率。因此，為獲得高功率的雷射輸出，摻 Yb3+光纖就成為了雷射放大器的首選增益介質。這也是本論文工作的出發點。

二、按照時間特性可以分為連續光放大器、脈衝放大器及超短脈衝放大器。 這種按時間特性分類是相對於雷射工作物質中因各種物理因素引起的馳豫過程及時間而言的。一方面，由於雷射工作物質的輻射躍遷使得粒子在能級上具有有限的壽命，因此導致了反轉粒子數的增長與衰減需要一定的馳豫時間，它被稱之為縱向馳豫時間，表示為 T1。另一方面，由於工作物質粒子間或粒子與管壁間的碰撞以及晶格振動的作用，對電磁場引起的巨觀感應電極化具有消相過程，在消相過程和外加電磁場共同作用下，工作物質中部分原子的電偶極矩逐漸有序化，因而產生巨觀感應電極化強度。但是當電磁場停止作用後，由於消相作用，巨觀感應電極化逐漸消失，相對於電磁場有一個滯後時間，稱之為橫向馳豫時間，表示為 T2。 當放大器的輸入信號是連續波或非調 Q 雷射脈衝時，一般滿足條件光脈衝脈寬τ0>T1。此時由於光信號與工作物質相互作用時間足夠長，因受激輻射而消耗的反轉粒子數來得及由泵浦抽運所補充，因此反轉粒子數及腔內光子數密度可以到達穩態數值而不隨時間變化，可以用穩態方法研究放大過程。這類放大器稱為連續放大器。

當輸入信號脈寬滿足條件T2<<τ0<T1,因受激輻射而消耗的反轉粒子數來不及由泵浦抽運補充，反轉粒子數和光子數在很短的相互作用時間內達不到穩定狀態，這類光放大器必須用非穩態方法研究，稱之為脈衝放大器。

以上兩類放大器都滿足τ0>T2的條件，因此可以不考慮粒子與光波場相互作用的橫向馳豫時間 T2，在這種情況下，我們才能忽略粒子和光場相互作用的相位關係，速率方程才能適用。當輸入信號的脈寬τ0為 10~10s 的超短脈衝時，τ0和 T2可以比擬，稱為超短脈衝雷射放大器，速率方程理論不再適用，而需用半經典理論處理。

如果輸入光信號為高重複率脈衝序列，並且脈衝周期 T<<T1時，光放大器工作物質的反轉粒子數只在穩定值附近作微小波動，我們可以近似地採用穩態速率方程進行理論分析。

2相干合成技術簡介

光纖雷射器因其結構簡單、散熱效果好、轉換效率高、低閾值等優點而成為國內外光電子技術研究的熱點。特別是近年來人們希望能夠從單一光束獲得高功率的同時獲得良好的光束質量，因此相干合成光纖雷射器已被廣泛關注。美國、德國、法國等國家正在鼓勵和支持這類研究的開展。但到目前為止，還未取得實質性的進展和突破。在原理性實驗驗證方面，國內外已經提出了多種實現相干組束的方法和技術。若按控制相干合成條件（如：對偏振、相位的控制）的方法分類，目前所採用的雷射相干合成技術主要有兩種；一：主動控制方案。即對各路雷射的相位、偏振等嚴格控制。該技術環節多，系統複雜。最典型的方案是基於 MOPA 方式的相干組束技術；二：被動控制方案：採取合理措施，通過雷射器自身的組織調整達到相干輸出。該技術結構相對簡單，技術環節少，易獲得多路雷射的相干合成。如利用光纖耦合器的全光纖腔內自組織雷射器；多芯摻雜腔內自組織光纖雷射器；利用光柵共用外腔相干組束；自傅立葉變換外腔相干組束以及自成像外腔相干組束等。

以上各種相干合成方案相互補充，近幾年國內外通過各個方案取得的成果層出不窮。國內關於雷射束相干合成工作最早見於上世紀 90 年代末，研究的力量比較分散，也很少有後續的研究工作。最近的兩三年之內，以上海光機所、國防科技大學為代表的國內研究機構對雷射束相干合成工作開始了跟蹤和創新的研究，在這一領域中占有一席之地，產生了一批重要的研究成果。此外中科院物理所、清華大學、南開大學等單位也在積極開展這一領域的研究。

國防科技大學的研究小組採用主動控制並聯主振盪功率放大(MOPA)的方式實現相干合成，陸續進行了一系列相關研究。2005 年，他們採用 MOPA方式實現了兩路雷射束的相干合成。次年，他們又在國內首次成功實現三路光纖雷射的相干合成，獲得了三路連續波瓦級鎖相光纖雷射的相干輸出。2006 年，他們用爬山法和外差法實現對摻鐿光纖放大器的相位校正。2007 年，他們從部分相干光的高斯+謝爾模型出發，首次推導出了當單個雷射器的輸出光束是部分相干光時，雷射器陣列相干合成的遠場光強分布模型，並給出了數值模擬計算結果。

2006 年，上海光機所的研究小組採用有空間濾波器的自成像腔將兩個光纖 雷射器的位相鎖定，輸出功率 12W；隨後又將輸出功率提高到 60W，這是迄今為止在國際上用自成像方法實現光纖相干合成最高的輸出功率。

3複合腔光纖雷射器的發展

複合腔光纖雷射器是基於多臂振盪器和耦合/分束器（Beam splitter）之上的。典型的多臂振盪器有 Michelson(麥可孫)振盪器和 Mach-Zehnder（馬赫-曾德）振盪器。複合腔利用干涉儀的支臂單獨提供增益，在耦合/分束器處耦合相干，通過公共輸出鏡輸出。一般對於 Michelson 諧振複合腔有三個腔鏡， 對於 Mach-Zehnder 複合腔有兩個腔鏡。這種方法鎖相的原理是利用雷射器的自組織效應，即在干涉儀腔中最低損耗的模式激射。鑒於複合腔本身對相位控制的優勢，從 20 世紀末到現在複合腔光纖雷射器取得了長足的進展。

1999 年 Kozlov V A 等人利用單模光纖耦合器首先實現了全光纖 Michelson複合腔光纖雷射器 。泵浦輸入端的兩個高反布拉格光柵作為前腔鏡，通過 2×2 光纖錐型耦合器，耦合器從中間切成菲涅耳端面， 並作為耦合輸出鏡。實驗研究了兩個光柵中心波長的波長差對自組織相干合成的影響，並觀察到注入鎖定現象；為複合腔雷射器自組織相干合成提供了建設性成果。

此後 T P Simpson 等人在此基礎上作了大量的工作。分別從理論和實驗上研究了在複合腔里相干輸出端和非耦合模式輸出的泄漏端輸出特性。 2002 年，David Sabourdy 在 M-Z 干涉諧振腔實現了兩路光纖雷射器的自組織相干合成，緊接著將四路光纖雷射器合成。他們在 M-Z 干涉諧振腔里採用啁瞅光纖光柵（CFBG：諧振波長為 1550nm）和光纖端面作為複合腔雷射器的腔鏡，實現了在 60nm 頻寬範圍內可調。

2005年，南開大學的Sheng-Ping Chen等人在M-Z複合腔光纖雷射器里利用帶通可調諧濾波器作為選頻器件，實驗研究比較了帶通可調諧濾波器不同插入位置對雷射輸出的影響。該研究成果為複合腔支路選頻提供了實驗基礎。 2006年，南開大學的郭占城等人採用改進的麥可孫腔對兩個摻鐿雙包層光纖雷射器的自組織相干合成進行了初步探索，取得了一定的成果。複合腔雷射器的自組織優勢效應，很容易實現瓦級的相干輸出，同時保持著衍射極限的光束質量。這種雷射器作為高功率放大的種子源，具有廣闊的套用空間。

4研究複合腔半導體雷射器的意義

在實際的套用中,半導體雷射器激發出的雷射總有部分能量的光反射回雷射器的諧振腔內,形成反饋光,如:禍合光纖的兩端面產生反射而導致的反饋光,光纖的缺陷和結合處的反射也可導致光反饋,光學非線性的背向散射光等。利用光反饋與半導體雷射器一起構成複合腔半導體雷射器(CCSL),在這種情況下,光反饋影響輸出雷射的特性取決於很多因素,包括雷射器的反射端面到反射器的距離,雷射器輸出的功率大小和光反饋強度。總體上它們都會使雷射器的強度噪聲和相位噪聲增加,影響半導體雷射器正常性能的發揮。可以說人們不可避免的與複合腔半導體雷射器打交道,由於外光反饋的引入使得半導體雷射器呈現出一些新的物理現象,如線寬壓縮,相干塌陷,雙穩等,故二十多年來,對複合腔半導體雷射器的研究一直受到人們的關注。

另一方面,隨著光電子技術日新月異的發展,諧振型光學陀螺在慣性領域已成為極有潛力的器件,其的基本原理是Sagnac效應。如有代表性的諧振式光纖陀螺核心器件是光纖環形諧振腔,諧振式光纖陀螺的極限靈敏度由諧振腔的清晰度和光探測器的散粒噪聲決定,而諧振腔的清晰度和雷射器的線寬和輸出功率有著重大的關係。諧振型光纖陀螺的關鍵器件有環形諧振腔和窄線寬光源。考慮到今後整個諧振型光纖陀螺的集成和實現陀螺對諧振頻率的快速有效跟蹤,系統設計中,需要採用大功率、窄線寬、單縱模半導體雷射器作為工ORS的光源。設計和分析大功率、窄線寬、單縱模半導體雷射器的特性這將是本論文的主要研究內容和目的所在,而複合腔半導體雷射器正具有優良的窄線寬、單縱模、高功率的特性,恰滿足諧振型光纖陀螺光源所需標準。

5發展套用及研究現狀

80年代初,由於當時的半導體雷射器不能單頻工作,一些著名的大學及研究所如美國的麻省理工學院、華盛頓海軍實驗室、英國的國家電信研究所,日本的東京工業大學等採用外腔對多模半導體雷射器進行選模和壓窄線寬,同時通過複合腔對半導體雷射器內部工作機理和特性進行研究,國內清華大學等單位的複合腔工作也是從那時開始的。

到了80年代中後期,雖然分布反饋式動態單模半導體雷射器(DFB,DBR)逐漸走向實用,複合腔半導體雷射器的研究不僅沒有減弱,反而有更多的國家及單位加入這一行列。據粗略估計,這一時期至少有美國、英國、法國、德國、日本、俄羅斯、瑞士、丹麥等近20個國家,四、五十個單位從事用複合腔改善半導體雷射特性及其套用的研究,其中除少數大學外,多數是從事通信研究及半導體雷射器製作的大研究所,他們自己研究外腔半導體雷射器並用於自己的頻分復用(在一根光纖中同時傳輸多路不同波長的光信號,每兩路光波之間的頻率間隔約為10GHz)和相干光通信系統,以及相干計量檢測、光譜頻標等套用中。

90年代以來,研究熱點轉移到大範圍連續調諧、頻率穩定和擴展套用等方面。國內清華大學在這一領域的研究工作一直處於國際先進水平行列,自1989年以來己提供20餘只複合腔半導體雷射器及與之配套的溫度控制、光檢測、穩頻技術等,供國內頻分復用及相千光通信系統、光交換系統研製,光放大器、光調製器、光隔離器、光纖及光纖器件測試,高解析度光譜分析,大尺寸無導軌測距,飛行目標速度、位移監側,無損探傷,化學雷射器研製及基礎物理研究等領域使用,取得了滿意的效果,並已研製出程控連續調諧複合腔半導體雷射器。