环形腔掺铒光纤激光器实验教学研究

许海峰，郝保明

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

1 引言

激光器的发明是二十世纪科学技术的一项重大成就，包括半导体激光器、固体激光器、气体激光器等，已成为科研工作者的研究重点.其中，光纤激光器作为第三代固体激光器的代表具有其他系列激光器无法比拟的优点，包括：光束质量好、转换效率高、波长可调谐、激光阈值低、谐振腔内无光学镜片以无须热电制冷和水冷等优点，在光纤通信、光纤传感、激光空间远距通信、工业制造、激光切割、军事国防、医疗器械等众多领域得到成熟应用[1].属于基础应用的光纤激光器，其基本原理、基本组成已成为大学生必须掌握的基本理论知识之一，光纤激光器的具体制作也是大学实验基础和学生必须掌握的基本技能.

为了让学生从理论到实验更加深刻地了解光纤激光器，本文先是从基本原理到基本组成详细介绍了光纤激光器的相关理论，从光纤激光器的搭建、测试、探索三个方面对其进行了实验研究，符合理论与实践相结合的教学理念.本文的基本路线如图1所示.

图1 基本路线图

2 光纤激光器基本原理

激光形成原理：根据量子理论，光与物质的相互作用可分为原子的自发辐射、受激吸收和受激辐射三种跃迁过程，是产生激光基本物理思想[2]，如图2所示.受激辐射产生的光子与引起辐射的光子处于同一光子态，具有很高的简并度，因此，在一定条件下，可以通过受激发射获得方向、单色性和相干性好而且简并度高的光，即激光[3].

图2 原子跃迁示意图

光纤激光器的基本结构与其他激光器相同，主要由增益介质、谐振腔、泵浦源三部分组成[4]，如图3所示.以掺杂光纤激光器为例，掺铒光纤作为增益介质，固定在两个反射镜M1与M2之间可构成谐振腔.泵浦源发射的泵浦光从M1耦合进光纤，掺铒光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子从低能级E1被激发跃迁到较高能级E2上，介质被激活，此时，高能级粒子数多于低能级粒子数实现粒子数反转.若此时有频率为的信号输入，E2能级上的粒子受激辐射产生同频光子，即频率为γ的信号在介质中不断放大，且在谐振腔内来回震荡，最终产生频率为的激光从M2输出[5].

图 3光纤激光器基本原理

2.1 光纤激光器基本组成

2.1.1 掺杂光纤

光纤激光器是以掺稀土元素光纤作为增益介质，均以三价离子作为激活介质，较常用的掺杂离子有 Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等.其中，掺 Er3+光纤激光器的输出波长对应光纤通信主要窗口1550nm，且性能稳定，是目前应用最广泛、技术最成熟的光纤激光器[6].本实验也因此采用该种增益介质.

2.1.2 光学谐振腔

光学谐振腔是光纤激光器的基本组成部分之一，用来增强输出激光的强度，调节和选定激光的波长和方向.光纤激光器谐振腔按构成主要有线形谐振和环形谐振腔两类，线性谐振腔主要包括F-P腔、光纤光栅谐振腔[7]，本实验采用了环形谐振腔.

2.1.3 泵浦源

泵浦是粒子从低能级到高能级跃迁的过程，即泵浦源的作用是使光子发生跃迁，是使激光增益粒子达到粒子数反转的激励源，常见的泵浦方式主要由电泵浦、化学泵浦、光泵浦、气动泵浦等四种.其中，用一束光照射工作物质并使其中粒子吸收光子能量而发生粒子数反转的光泵浦最被广泛应用，LD泵浦源具有效率高、噪音低、频率稳定、寿命长等优点[8]，故本实验采用LD泵浦源.

2.2 环形腔掺铒光纤激光器的实验研究

本文采用的增益介质为掺铒光纤（EDF），环形腔激光器的工作原理为：当980nm泵浦源发射的泵浦光通过EDF时，EDF中的铒离子吸收泵浦光，从基态跃迁到高能级，且无辐射跃迁到亚稳态能级，在亚稳态能级逐渐积累.泵浦光不断注入，使得上能级与下能级之间出现粒子数反转，高能级的自发辐射形成荧光光谱.经1550nm光纤滤波器选择的光在环形腔内循环振荡，当增益大于腔内损耗时，可形成稳定输出.

实验搭建可分为以下几个步骤：第一，准备所需器件和仪器设备，如掺铒光纤、光纤滤波器、光纤耦合器、光纤隔离器、波分复用器、单模跳线等器件，光功率计、光谱仪、泵浦激光器、光纤熔接机等仪器设备；第二，仔细阅读上述器件和仪器设备的使用说明书，减小实验中不必要的失误操作；第三，根据光路图用光纤熔接机依次熔接上述器件，按照熔接步骤认真操作，使熔接损耗小于0.05dB，并做实验记录；第四，在波分复用器的输入端和光纤耦合器的输出端分别接单模跳线1和2，便于与泵浦激光和功率计、光谱仪等仪器设备连接，跳线连接设备时提醒学生，一定要先用棉花蘸取无水酒精擦拭跳线头端面，后放空气中静置几秒或者轻轻甩干，待酒精挥发后方可与仪器设备连接，尤其在与泵浦源连接时，由于泵浦源出射大功率激光，光纤端面不清洁易烧坏跳线.

图4 实验光路图

实验装置如所图4示，环形腔掺铒光纤激光器由以下部分组成：

（1）掺铒光纤（EDF）：增益介质，铒离子浓度为8.50×1024m-3，其长度为 26m；

（2）光纤滤波器（Fiber Filter）：中心波长为1550nm，3dB带宽为1.2nm，用于选择激光器出光波长；

（3）光纤耦合器（Coupler）：耦合器比为20/80，80%端连接隔离器，20%端接跳线后连接功率计或光谱仪；

（4）光隔离器（ISO）：实现激光在环形腔中单向传播；

（5）980/1550nm波分复用器（WDM），将980nm的泵浦光耦合进环形腔内；

（6）功率计（PowerMeter）或光谱仪（OSA）：可用于实时监测激光的输出功率或观察其光谱特性.

耦合器、隔离器、波分复用器等光学器件本身存在不可忽略不计的损耗，器件之间光纤尾纤熔接损耗等构成上述光学谐振腔腔内损耗，所以只有当掺铒光纤的增益大于腔内损耗时才可形成激光，即泵浦激光器的驱动电流需达到某一值，这个电流为阈值电流，用Ith表示.当驱动电流小于阈值电流时，腔内可形成纳瓦量级的荧光，当驱动电流大于阈值电流时激光器可输出激光，且功率随电流增加，呈线性关系.为使激光器稳定输出，通常希望阈值电流越小越好.

图5 LD泵浦激光器输出功率与驱动电流关系

本实验所使用的LD泵浦激光器是通过电流来调节激光功率大小，所以在实验之前首先对980nm激光器的输出功率特性进行了标定测试，结果如图5所示.电流驱动阈值约为50mA，之后随着电流增大泵浦输出功率程线性增加，且具有良好的线性度.

图6 荧光光谱

图7 激光光谱图（泵浦功率为39mW）

实验过程：增加泵浦电流，通过光谱仪观察环形激光器的输出激光光谱特性，当泵浦电流较小时，可观察到图6所示的荧光光谱，此时泵浦功率为36mW.当泵浦电流增加到92mA时，对应泵浦功率37.88mW，输出图7所示的激光，其中心波长为1550.170nm，继续增加泵浦电流，激光功率随之线性增加，增加到一定程度时，激光功率为-0.13dB几乎保持不变，达到饱和状态，如图8所示.即此环形腔光纤激光器的泵浦阈值为37.88mW.

图8 激光功率与泵浦功率关系

实验中，可观察环形腔掺铒光纤激光器存在输出波长漂移、输出功率不稳定等问题.环形腔掺铒光纤激光器的腔长较长，易受环境扰动，所采取的解决办法是对激光器进行封装保护，根据小型化、实用化的要求设计合理的封装，是下一步实验的重要内容.光纤环形掺铒激光器的输出功率与掺铒光纤长度掺杂浓度、耦合器耦合比等参数有关，为激发学生的科研兴趣，可引导学生继续探索掺铒光纤参数、光纤耦合器耦合比等对激光器性能的影响.

3 结语

本文在详细介绍环形腔掺铒光纤激光器出光原理、基本组成后，搭建了光纤激光器系统，测量泵浦激光器的功率-电流关系，调节泵浦电流，通过光谱仪观察激光器的光谱输出，泵浦增大到激光器的出光阈值后即有激光输出.本文总结突出理论与实验重点，便于学生学习和提高课堂效率.另外，通过本实验学生养成了实验前仔细阅读仪器说明书的习惯和意识；在环形腔掺铒光纤激光器系统搭建过程中，学生对光纤熔接机的规规范化和熟练使用也尤为重要，要做到低损耗熔接；光纤跳线与仪器设备连接时需擦拭清洗端面.通过本实验也加深学生对光纤结构、光纤耦合器等光器件的了解和对光谱仪等仪器设备的熟练使用.实验过程中提出问题，引导学生思考和探索，培养学生科研能力.