掺铥光纤激光器结构与特性研究

张宁

[摘要]随着光纤通信技术的不断发展，光纤激光器已经成为通信技术中的一个研究热点。光纤激光器是第三代激光技术发展的成果，并且在全光纤通信中起着核心的作用。对掺铥光纤激光器的结构与特性进行了研究，探讨了掺杂稀土离子铥的光纤的增益性质，分析了铥离子的能级结构与辐射特性，建立了粒子速率方程，讨论了掺杂铥离子的浓度对光纤长度的影响，进行了仿真实验。探讨了光纤光栅的特点，分析了Bragg 光栅构造光学谐振腔的功能，光纤Bragg 光栅是制造全光纤激光器的关键元件。最后论述了掺铥光纤激光器在不同领域的应用。

[关键词]掺铥光纤；激光器；结构；性质

[中图分类号]TN 248[文献标志码]A[文章编号]10050310（2018）02005506

Abstract： With the development of fiber communication technology， optical fiber laser has become a research hot spot in communication technology. Fiber laser is the result of the development of the third generation laser technology， and plays a central role in the all fiber optical communication. The structure and characteristics of thulium doped fiber laser are studied. The gain properties of the fiber doped rare earth ions are discussed. The energy level structure and radiation properties of thulium ions are analyzed， and the particle velocity equation is set up. The effect of thulium ion doped concentration on fiber length is discussed. The simulation experiment has been carried out. The characteristics of fiber grating are discussed. The function of optical cavity made of Bragg grating has been analyzed. The fiber Bragg grating is a key component in the manufacture of all fiber lasers. Finally， the application of thulium doped fiber laser in different fields is discussed.

Keywords： Thulium doped fiber； Laser； Structure； Characteristics

随着光纤通信技术的快速发展，各种不同的通信技术不断涌现，层出不穷。在光纤通信中，采用的光源是激光，而光纤激光器作为第三代激光技术，在通信领域已经展现出强大的生命力和广阔的应用前景，是未来实现全光纤通信的关键技术之一[13]。所谓的光纤激光器，是指用掺杂了一些特殊离子的光纤作为增益介质的激光器，如镱（Ytterbium， Yb）、铒（Erbium， Er）、铥（Thulium， Tm）、钬（Holmium， Ho）等离子元素[46]。这种掺杂了不同离子的光纤，根据离子不同的能级跃迁，以及不同的辐射波长，在一定条件下可以输出不同波长的激光。正因为有这些优势，光纤激光器已经被用在各种光通信技术之中了[78]。光纤激光器采用的材料为光纤，原材料来源非常丰富。一方面，随着技术的不断发展与进步，制造光纤的成本越来越低，光纤材料比较容易获得，并且光纤还具有体积小、重量轻、易于集成以及损耗低等特点；另一方面，采用光纤作为增益介质的激光器，具有激光阈值较小的优点，较容易产生激光[910]。因此，大量的光纤激光器被不断制造出来，在这些种类繁多的光纤激光器中，掺铥光纤激光器较为引人注目[1112]。在掺铥光纤激光器中，掺铥基质为石英光纤，根据铥离子的能级结构与辐射性质，掺铥光纤激光器的光光转换效率较高，实验表明可达 70%以上。此外，掺铥光纤激光器的输出激光波长范围较宽，

为1 600～2 200 nm，这个波段包括了2 um的重要波长，这个波长对于人眼是较为安全的，因此，掺铥光纤激光器不仅能在光纤通信中发挥作用，也有望在生物医学技术方面发挥重要的作用。目前，国际国内都在对掺铥光纤激光器的研究方面投入大量的人力物力进行积极探索，掺铥光纤激光器已经成为光纤激光技术中的研究热点之一。

1掺铥光纤激光器结构

从激光产生的机制来看，一个激光器应该具备三大要素：第一是增益介质，其作用是产生激光辐射；第二是要有一个谐振腔，用来维持光振荡状态；第三是要有一个泵浦光源，作为产生激光的能量来源提供者。典型的激光器工作原理如图1所示，激光器内部结构如图2所示。谐振腔是构造一个激光器的重要元件，常见的激光腔有FabryPerot腔和環形腔。对于采用FabryPerot谐振腔的结构来说，两个端面上的腔镜是平行放置的，其中一个腔镜是全反射型，另一个腔镜是部分反射型。

对于光纤激光器来说，增益介质为掺杂了稀土元素离子的光纤，再加上2个腔镜构成谐振腔，由泵浦光源提供能量产生激光。掺铥光纤激光器结构如图3所示。增益介质为掺杂了铥离子的光纤，泵浦光源通常选择大功率半导体激光器LD光源。

2摻铥光纤的发光机制

21原子的能级

从微观角度来看，原子内部存在着不同的能级结构，这些能级在发生从高能级到低能级的跃迁时，就能对外辐射出光来，如图4所示。

铥的辐射结构如图5所示。铥在自然界中存量非常少，可以说是自然界中最稀少的稀土元素之一，因此，铥的价格十分昂贵，这直接导致了掺杂铥的光纤价格高、成本大，并限制了掺铥光纤的应用。但由于铥的原子能级结构非常丰富，能提供多个不同的波长，从发光角度来看，调谐频率较宽，因此，掺铥光纤仍然得到了高度重视，并广泛应用于光纤激光器的设计和制造中。

23铥的速率方程

由于铥的能级结构非常丰富，所以在选择泵浦光时有较多的选择。不过，为了实现产生2 μm激光的目标，较多选用的泵浦光方式是铥的一种四能级结构，如图6所示。泵浦光采用的是790 nm的波长，从基态激发到高能级上面去，然后回落向下跃迁，产生出2 μm的激光。

3掺铥光纤激光器中掺杂量与光纤长度的关系

掺铥光纤作为一种优良的增益介质，其品质的好坏会严重影响到产生激光的效果。现有的各种研究结果表明，稀土离子的掺杂浓度对于光纤长度具有相当大的作用。不同的掺杂浓度，对应不一样的光纤长度。为此，对掺杂浓度与光纤长度的关系进行了仿真实验。掺杂浓度N分别为8×1024/m3、10×1024/m3， 得到如图7所示。

结果说明，不同的掺杂浓度，对于光纤增益介质来说有一个最优化的光纤长度。并非光纤长度越长越好，因为如果光纤较长，就会损耗掉更多的泵浦光能量，进而影响了增益介质对泵浦光能量的吸收，因此，一定会存在一个最优化的光纤长度。

4光纤光栅谐振腔

不论是固体宝石类激光器，还是光纤激光器，其结构中都有一个光学谐振腔。在固体宝石类激光器结构中，光学谐振腔通常是用2个高反镜作为腔的端面，如FP光学谐振腔。但对于光纤激光器来说，由于光纤本身的直径就非常细小，在这种情况下，再沿用传统的光学镜作为FP光学谐振腔的两个端面，显然是比较困难的，不论在技术上还是操作效果上都不太适宜了。随着光纤技术的不断发展与进步，人们发明了一种光纤光栅，用这种光栅就可以在光纤激光器中实现FP光学谐振腔的两个端面镜功能了。

41光栅的基本性质

光栅，实际上就是一种由等宽、等间距的平行狭缝（或反射面）构成的一种光学元件，如图8所示。

42光纤光栅特点

所谓的光纤光栅，实际上就是在一根光纤中，用某种方法制造一种密集﹑等间距、能使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制，从而形成的衍射光栅。

光纤光栅在制造技术上，利用了光纤材料的光敏特性，用光刻的方法，通过紫外光曝光，将入射光相干场图样写入光纤的纤芯，在纤芯内就会产生一种固化不退的沿纤芯轴向的折射率周期性变化的光纤，其功能相当于反射镜。在光纤光栅中，当有一束多波长的复合光束经过这种光纤光栅时，所有满足光纤光栅的Bragg条件的波长，都将被反射，这叫作Bragg反射条件，而其他不满足Bragg反射条件的波长，则会透过光纤光栅，继续向远处传输。

43光栅谐振腔

光纤激光器同样需要有一个谐振腔，而光纤光栅在功能上相当于反射镜，这就使得光纤光栅在构造光学谐振腔方面能发挥重要的作用。现在常常把满足Bragg反射条件的光栅作为腔镜使用，光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）对腔内激光相当于高反射镜，而对泵浦光则是完全透明的，所以光纤Bragg光栅可取代FabryPerot腔两端的高反射镜，构成全光纤激光器。用光纤Bragg光栅构造光学谐振腔的结构如图12所示。

5掺铥光纤激光器的应用

掺铥光纤激光器由于是以光纤为材料，具有体积小、重量轻、易于操作及性能稳定的优点，因此有着广泛的应用价值。

首先，在生物医学方面，掺铥光纤激光器能产生2 μm的激光，而这个波长正好对应于水分子的吸收峰，能大量被水吸收，这一特点可以用于医学手术。例如对于人的眼晴进行角膜手术治疗时，由于人眼中有大量液体水，则2 μm的激光射进后，首先会被水体大量吸收，这样就不会灼伤眼里深层的物质了，使用起来比较安全。

其次，2 μm光纤激光器在军事上也极为重要。在探测方面，2 μm光纤激光器可以作为激光雷达的重要工具。对于地面车辆来说，大功率的2 μm光纤激光器可以作为一种武器来使用，用来进行导弹防御。在海上可用来对付反舰导弹，攻击有人机、无人机和小型舰艇等军事目标。

6结束语

光纤激光器是第三代激光技术，也是光纤通信系统中的重要器件，并对全光纤通信技术的发展起着至关重要的作用。掺铥光纤激光器是当前激光技术领域研究的一大热点。本文探讨了掺铥光纤激光器的各项特点，分析了激光器的结构组成；根据铥离子的能级结构，分析了其吸收与辐射的性质，在此基础上建立了速率方程；分析了不同离子掺杂浓度与增益光纤长度之间的关联；对光纤光栅进行了研究，分析了光栅的基本性质，探讨了用光纤Bragg 光栅构造光学谐振腔问题。掺铥光纤激光器能发出2 μm的激光，在生物医学与军事技术领域都有着非常光明的应用前景。

[参考文献]

[1]Sotor J， Boguslawski J， Martynkien T. Allpolarizationmaintaining， stretchedpulse Tmdoped fiber laser， modelocked by a graphene saturable absorber[J]. Optics Letters， 2017， 42（8）： 1592-1595.

[2]Berenice P R， Manuel D S， Ricardo I A， et al. Study of a HiBi FOLM for tunable and dualwavelength operation of a thuliumdoped fiber laser[J]. Optics Express， 2017， 25（3）：2560-2568.

[3]Pang M， He W， Russell P. Gigahertzrepetitionrate Tmdoped fiber laser passively modelocked by optoacoustic effects in nanobore photonic crystal fiber[J]. Optics Letters， 2016，41（19）：4601-4604.

[4]Sobon G，Sotor J， Przewolka A， et al. Amplification of noiselike pulses generated from a graphenebased Tmdoped allfiber laser[J]. Optics Express， 2016， 24（18）：20359-20364.

[5]Sun B， Luo J， Ng B P， et al. Dispersioncompensationfree femtosecond Tmdoped allfiber laser with a 248 MHz repetition rate[J]. Optics Letters， 2016， 41（17）： 4052-4055.

[6]Qiao T， Chen W， Lin W， et al. Generation of Qswitched mode locking controlled rectangular noiselike soliton bunching in a Tmdoped fiber laser[J]. Optics Express， 2016， 24（16）：18755-18763.

[7]Huang Y， Jivraj J， Zhou J， et al. Pulsed and CW adjustable 1942 nm singlemode allfiber Tmdoped fiber laser system for surgical laser soft tissue ablation applications[J]. Optics Express， 2016， 24（15）：16674-16686.

[8]Kuan P W， Li K， Zhang L， et al. 05GHz repetition rate fundamentally Tmdoped modelocked fiber laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2016， 28（14）：1525-1528.

[9]Jeong H， Choi S Y， Kim M H， et al. Allfiber Tmdoped soliton laser oscillator with 6 nJ pulse energy based on evanescent field interaction with monoloayer graphene saturable absorber[J]. Optics Express， 2016， 24（13）：14152-14158.

[10]Wang X， Jin X， Zhou P， et al. Allfiber highaverage power nanosecondpulsed masteroscillator power amplifier at 2 μm with mJlevel pulse energy[J]. Applied Optics， 2016， 55（8）：1941-1945.

[11]Smith A V， Smith J J. Mode instability thresholds for Tmdoped fiber amplifiers pumped at 790 nm[J]. Optics Express， 2016， 24（2）：975-992.

[12]Stachowiak D， Kaczmarek P， Abramski K M. Highpower pump combiners for Tmdoped fibre lasers[J]. OptoElectronics Review， 2015， 23（4）：259-264.

（責任编辑白丽媛）