5.掺铒光纤激光器的工作原理

1、收稿日期：2014-4-29；收到修改稿日期：2014-5-15基金项目：无作者简介：郭冰清（1993-），女，本科生，光电子技术科学2011级。E-mail:[e-mail]导师简介：胡明列（1978-），男，博士后，教授，目前研究方向为超短脉冲激光技术和光子晶体光纤技术。E-mail:[e-mail]*通信联系人。E-mail:[e-mail]1掺铒光纤激光器的工作原理郭冰清刘昭韩达明张红伟（天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072）摘要光纤激光器由于其特有的优点，近些年受到广泛关注和研究，而掺铒光纤激光器（EDFL）则是几种比较成熟的光纤激光器之一。本文主要介绍了掺铒光纤激光器的工作原理，包括掺铒光纤激光器铒离子能级结构、泵浦机制和增益谱线，以及五种常见的谐振腔型，并对可调谐掺铒光纤激光器和多波长掺铒光纤激光器的工作原理进行了简单介绍。之后简述掺铒光纤激光器的特点，比较了掺铒光纤激光器与其他激光器的优势所在，并在此基础上详述了掺铒光纤激光器在光纤通信及光纤传感方面的应用及问题。最后对掺铒光纤激光器的。

2、发展进行了展望。关键词激光器；工作原理和应用；掺铒光纤激光器；谐振腔中图分类号TN248文献标识码ATheWorkingPrincipleofDopedFiberLaserGUOBing-qing,LIUZhao,HANDa-ming,ZHANGHong-wei(CollegeofPrecisionInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072,China)AbstractInrecentyears,theopticfiberlasersarepaidmuchattentionandresearched,duetoitsspecialadvantages.Anderbium-dopedfiberlaserisoneoftheseveralmaturefiberlasers.Thispapermainlyintroducestheworkingprincipleoferbium-dopedfiberlaser,includingenergylevelstructureoferbiumion,。

3、pumpingmechanism,resonantcavity,gainspectrum,andfivecommonresonantcavity.Theprincipleoftunableerbium-dopedfiberlaserandmultiwavelengtherbium-dopedfiberlaserareintroduced.Afterthat,thepaperintroducesthecharacteristicoferbium-dopedfiberlaser,andtheadvantagescomparingwithotherlaser.Andonthisbasis,itsapplicationinfibercommunicationandfibersensingiselaborated.Finally,theprospectsforthefutureoferbium-dopedfiberlaserarepresented.Keywordslasers;workingprincipleandapplication;erbium-dopedfiberlasers;reso。

4、natorOCIScodes140.3500;140.3510;140.343021引言掺稀土元素光纤激光器是利用在光纤中掺杂稀土元素引起的增益机制，通过引入反馈，实现激光振荡的。掺杂光纤激光器具有结构紧凑、微型化、全固化以及与传输光纤的通融性等特点，其可调参数多，选择范围宽。另外，由于光纤很细，所以在光纤内可形成高功率密度。特别是掺铒光纤激光器作为一种高性能激光源，受到越来越多的关注。掺铒光纤具有80nm宽的增益谱轮廓，其工作波长恰好落在光纤通信的最佳波长区（1.31—1.55μm），增益比较高，而且需要的泵浦功率也比较低。由于掺铒光纤本身就是增益介质，所以与线路的耦合损耗很小，噪声低。因此掺铒光纤激光器广泛应用于大容量长距离光纤通信和DWDM系统以及光纤传感中。2掺铒光纤激光器的工作原理2.1掺铒光纤激光器的基本结构掺铒光纤激光器最本质的工作原理就是光的受激辐射放大。作为增益介质的掺铒光纤在泵浦源的作用下，Er3+受激跃迁到抽运高能级，然后迅速通过无辐射跃迁到达激光上能级，当泵浦功率足够大时，即可在激光上能级和激光下能级实现集居数反转。进一步引入各种形式的正反馈，使光在增益介质中往。

5、返通过，即可实现光的受激辐射放大。当光达到极高的强度，即可形成激光输出，从而构成掺铒光纤激光器。由此可见掺铒光纤激光器包含三个重要的部分：第一是使光受激辐射放大的增益介质；第二是激发增益介质的泵浦源；第三是使光子得到反馈并在增益介质中进行放大的谐振腔。下面我们将从这三个方面出发详述掺铒光纤激光器的工作原理。最后简单介绍两种常用掺铒光纤激光器。2.2铒离子的能级结构掺铒光纤激光器是利用掺入石英光纤或氟化物光纤中的铒离子作为增益介质。铒(Er)是一种稀土元素(属于镧系元素)，原子序数是68，原子量为167.3。铒离子的电子能级如图1所示，Er3+的吸收过程主要发生在以下能级之间：从基态34I15/2到4I9/2对应800nm波长，从4I15/2到4I11/2对应980nm波长，从4I15/2到4I13/2对应1480nm波长。Er3+的发射过程主要发生在从4I13/2到4I15/2能级，对应1530nm波长。图1铒离子的电子能级Fig.1Electronicenergylevelsoferbiumions2.3掺铒光纤激光器的泵浦机制和光谱性质在光纤中，石英的非晶特性使铒离子的能级展宽为带。

6、状。许多跃迁可用来泵浦铒离子，其中最有效的泵浦波长是980nm和1480nm。以980nm的半导体激光器做泵浦源时，处于基态4I15/2的Er3+吸收了泵浦光跃迁到4I11/2能级，然后又通过无辐射跃迁到达亚稳态4I13/2能级，在4I13/2和基态之间形成了集居数反转，可产生波长为（1530——1560nm）间的激光。上述过程对应于典型的三能级系统。铒离子的三能级结构如图2中的右图。当采用波长为1480nm的泵浦光时，基态（E1）Er3+被激励到4I13/2能带中的高能级（E3），然后通过无辐射跃迁到达4I13/2能带中的低能级（E2），在E2和E1能级间形成粒子数反转，E2和E1能级上的Er3+数分布服从玻尔兹曼分布。由于E2和E3能量差较小，E3能级上的粒子数不为零，这是和典型的三能级系统不同的，可称之为准三能级系统[1]。其他的能级对应着更为复杂的物理现象，例如激发态吸收（ESA），而对于980nm和1480nm泵浦带而言，不会发生ESA，因此我们在实验中广泛使用980nm和1489nm作为掺铒光纤的泵浦光源。ErbiumionenergyleveldiagramPumpsta。

7、teMetastableGroundstate4图2铒离子的泵浦机制Fig.2pumpmechanismofErbiumion图3为掺铒光纤的荧光光谱。由图我们可以看出，掺铒光纤拥有约80nm（1530nm—1610nm）的增益谱宽，这是实现可调谐掺铒光纤激光器和多波长掺铒光纤激光器的基础。目前，C波段（1530nm—1565nm）的EDFL已获广泛应用。为了充分利用光纤的带宽资源，人们又致力于发展L波段（1570nm—1610nm）的EDFL。但是由图可见掺铒光纤的增益是不平坦的，而L波段正处于掺铒光纤增益谱的尾部，因此L波段的EDFL必须采用更长的光纤和更高的泵浦功率，或采用高掺杂的光纤。图3掺铒光纤的荧光光谱Fig.3fluorescencespectrumofErbium-dopedfiberGroundstateMetastablePumpstateWavelength/nmGainfactor/dBm-152.4常见的掺铒光纤激光器的谐振腔按照谐振腔的结构，可将掺铒光纤激光器分为F-P型掺铒光纤激光器、光纤谐振腔掺铒光纤激光器、光纤光栅掺铒光纤激光器、环形腔掺铒光纤激光器。。

8、现分别对以上腔形介绍如下：2.4.1F-P形腔图4中为F-P型腔掺铒光纤激光器。其中二色反射镜使泵浦光完全透过，使腔内激光完全反射，输出端为部分反射镜。掺铒光纤作为增益介质，光纤在腔内受激辐射放大后形成激光输出[1]。该腔形要求光纤端面与镜面紧密相接，以减少反射损耗，然而，这种结构常出现以下问题：1）光纤端面与镜面存在间隙；2）光纤端面成劈形；3）光纤端面与镜面安装成倾角；4）光纤端面形成凹面[2]。所有这些情况将对激光输出产生不好的影响，并且镜面的膜层可能因为较高的泵浦功率而受到破坏。因此这种激光器很难得到实际应用。图4F-P型掺铒光纤激光器Fig.4F-P-typeerbium-dopedfiberlaser2.4.2光纤谐振腔掺铒光纤激光器图5为光纤谐振腔掺铒光纤激光器。掺铒光纤两端与两个Sagnac光纤环镜相接。Sagnac光纤环镜由一个光纤耦合器及光纤组成。左端光纤环镜的耦合器对波长为λ的腔内激光的耦合率是50%，腔内激光入射至耦合器时在光纤环内形成强度相等的顺时针和逆时针传播的光，当它们再次在输入端相遇时经历了相同的相移，干涉相长的结果使其完全反射回腔内。由于此光纤环镜的耦。

9、合器对波长PumpDichroicmirrorPartialmirrorEDFOutput6为λp的泵浦光的耦合率近似为零，因而使泵浦光完全透过，因此，左端光线环镜相当于二色反射镜。输出端（即右端）Sagnac光纤环镜耦合器的耦合率偏离50%，因此相当于部分反射镜[1]。图5光纤谐振腔掺铒光纤激光器Fig.5Fiberresonatorerbium-dopedfiberlaser2.4.3光纤光栅激光器自Kashyap首次将光纤光栅应用于光纤激光器以来,光纤光栅激光器愈受重视。光纤光栅激光器具有与光纤的兼容性好、结构简单、波长选择容易、窄线宽、抗电磁干扰能力强、稳定性高等优点[3]。图6为DBR掺铒光纤激光器。其特点是将光纤光栅直接刻写在掺铒光纤的两端，与增益区分开。光纤光栅对腔内激光全反射或部分反射，对泵浦光则高度透射。可见光纤光栅的作用类似一个具有波长选择作用的反射镜面，将位于光栅最大反射率附近的一定波长的纵模分离出来，所以我们可将DBR光纤激光器理解为反射率与频率有关的端面式F-P腔激光器[1,4]。图6DBR掺铒光纤激光器Fig.6DBRerbium-dopedfiberlas。

10、er图7为DFB掺铒光纤激光器。其特点是光纤光栅直接刻写在掺杂光纤上。衍射光栅使增益介质内的折射率或增益产生周期性变化，通过前向波与反向波的EDFPumpOutputFiberloopmirrorFiberloopmirrorCouplePumpFBGFBGEDFOutput7耦合，实现了分布式的光反馈。如果某一个模式的阈值增益明显小于其他模的阈值增益，就可以实现这一模式的动态单模工作。和DBR光纤激光器相比，DFB光纤激光器只用一个光栅来实现光反馈和波长选择,因而频率稳定性更好,还避免了分布布拉格反射激光器谐振腔中掺铒光纤与光栅的熔接损耗[1,4]。图7DFB掺铒光纤激光器Fig.7DFBerbium-dopedfiberlaser2.4.4环形腔掺铒光纤激光器图8为环形腔掺铒光纤激光器。泵浦光经过波分复用（WDM）耦合器注入腔内，隔离器保证环内激光单向运行。光在环形腔内循环运行经过受激辐射放大，最后形成激光输出。其优点是光不是在腔内形成驻波，而是光强沿轴向均匀分布，不存在空间烧孔现象，因而可以得到单纵模振荡。缺点是因为所用掺铒光纤较长，模式间隔小,常发生模式跳跃(较DBR、DFB光纤。