超短脈衝光纖雷射器

超短脈衝光纖雷射器是一種主要通過鎖模技術實現光纖雷射器的超短脈衝雷射輸出的光纖雷射器，在精密加工、醫學、軍事等領域具有廣闊的套用前景。

超短脈衝光纖雷射的產生

時域上, 超短脈衝雷射產生是開展時-頻域精密控制的前提和基礎. 至今,小於 5 fs 的鎖模鈦寶石雷射器已有報導,經過腔內色散啁啾補償,脈衝寬度達到光周期量級. 這樣的超短脈衝,可以廣泛套用於研究高功率脈衝情況下的各種非線性現象.然而, 由於受本身結構和成本的制約,超短脈衝固體雷射器大多用於科學研究. 自 1960 年 實現將鉺,釹,銩等稀土離子摻進玻璃中後,光纖雷射器的研製就成為了可能.不久 以後,釹離子成功的被摻雜到了光纖波導的芯徑中.由於釹離子作為雷射增益介質具 有很高的效率,所以,早期的光纖雷射器都是以釹離子為基礎,工作波長為 1064 nm. 直到 1980 年,鉺離子摻雜技術的成熟,基於摻鉺離子的光纖雷射器越來越受到人們的 關注.最主要的原因就是摻鉺光纖雷射的工作波長在 1550 nm 附近,正好對應於單模 光纖的最小損耗波段,非常適用於光纖通信系統.之後,其它波段的摻稀土離子,例 如摻鈥,摻銩,摻鐿,摻鐠的光纖同樣研製成功,將光纖雷射器的輸出波長擴展到其 它波段.近幾年來,得益於半導體泵浦雷射器和光纖高摻雜技術的發展,基於摻稀土 離子的超短脈衝光纖雷射器越來越受到人們的重視.光纖雷射器由於其在結構,成本 上的優勢,已經在科學研究和工業生產中得到了廣泛的套用.目前為止,報導的最窄 的光纖雷射器的脈衝寬度為 28 fs. 　相對於傳統的固體雷射器,光纖雷射器具有不可比擬的優勢.光纖雷射器摻雜技 術簡單,雷射傳輸損耗低,與泵浦光耦合效率高.光纖雷射器採用光纖作為傳輸介質, 可以與其它光纖器件兼容,減少了雷射器所占的空間.而且光器件之間採取直接熔接 的方式,相對於固體雷射器而言無需複雜的光路調整系統.由於光通信器件的成熟, 雷射器成本也可以大大降低.一般單模光纖的芯徑為 8 μm, 所以光在芯徑內傳播時的 功率密度通常很高,非線性作用很強,非常適合用於產生鎖模振盪器.

超短脈衝光纖雷射器的原理

目前開發的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。 　基本結構如圖(所示）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+ ,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/,量級的超短脈衝。

超短脈衝光纖雷射器的特點

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 (140nw/cm2) 　3 易實現單模、單頻運轉和超短脈衝 　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（455~3500nm）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。

超短脈衝光纖雷射器的套用

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。

超短脈衝光纖雷射器的發展趨勢

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n 單位時間內傳送的脈衝就越多n 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n 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10ps%以下的超短脈衝。 　若將光纖雷射器的輸出功率提高到千瓦數量級，並開發高亮度， 光照面積小的系統就可以作為雷射防禦武器替代目前看好的化學雷射器。 雷射波長在1080nm附近的摻鐿光纖雷射器的效率和功率密度在材料加工方面可與傳統的yag雷射器相媲美。 功率超過幾瓦的光纖雷射器在顯微外科手術中能為外科手術提供較大的高能輻射源。 　新型的光纖結構， 高儲能的光纖材料和性能更好的光纖飛秒光脈衝展寬器， 壓縮器使超短脈衝光纖雷射器向著脈寬更窄， 功率更高的方向發展。特別是以光纖光柵， 濾波器， 光子晶體光纖等為基礎的新型光纖器件的出現，為光纖雷射器的設計提供了新的對策和思路。覆層泵浦技術， 摻鐿石英光纖的套用為實現高功率超短脈衝光纖雷射器帶來了希望。目前光纖雷射器的研發正向著多功能化， 實用化， 小型化方向發展。