什么是光纤激光器?
发布:博科斯光电  时间:2024-07-20  浏览:46
定义:使用掺杂光纤作为增益介质的激光器,或其激光谐振腔主要由光纤组成的激光器。
光纤激光器通常是指使用光纤作为增益介质的激光器,尽管一些使用半导体增益介质(半导体光放大器)和光纤谐振器的激光器也可以称为光纤激光器(或半导体光激光器)。此外,一些其他类型的激光器(例如,光纤耦合半导体二极管)和光纤放大器也被称为光纤激光器(或光纤激光系统)。
在大多数情况下,增益介质是稀土离子掺杂光纤,如铒(Er3+)、镱(Yb3+)、钍(Tm3+)或镨(Pr3+),并且需要一个或多个光纤耦合激光二极管进行泵浦。虽然光纤激光器的增益介质与固态体激光器相似,但波导效应和小有效模面积导致激光器具有不同的特性.例如,它们通常具有高激光增益和高谐振腔损耗。请参阅条目光纤激光器和体激光器。

光纤激光谐振腔
为了使用光纤获得激光谐振腔,可以使用多个反射器来形成线性谐振腔,或创建光纤环形激光器。不同类型的反射器可用于线性光学激光谐振腔:

1.在实验室设置中,可以在垂直劈裂光纤的末端使用普通二向色镜,如图1所示。然而,这种解决方案不能用于大规模生产,也不耐用。
2.裸光纤末端的菲涅耳反射足以用作光纤激光器的输出耦合器。图2显示了一个示例。
3.电介质涂层也可以直接沉积在光纤端部,通常是通过蒸发。这种涂层可以在宽范围内实现高反射率。
4.在商业产品中,通常使用光纤布拉格光栅,它可以直接由掺杂光纤或通过将未掺杂光纤拼接到有源光纤上制备。图3显示了一个分布式布拉格反射激光器(DBR激光器),其中包含两个光纤光栅。还有一种分布式反馈激光器,在掺杂光纤中有一个光栅,其间有一个相移。
5.如果光纤发出的光被透镜准直并被二向色镜反射回来,可以实现更好的功率处理。由于光束面积较大,镜子接收到的光的强度将大大降低。然而,轻微的错位会导致显著的反射损失,光纤端面的额外菲涅耳反射会产生滤波效果。后者可以通过使用成角度的劈裂光纤端来抑制,但这会引入波长相关的损耗。
6.还可以使用光纤耦合器和无源光纤形成光环路反射器。
大多数光学激光器由一个或多个光纤耦合半导体激光器泵浦。泵浦光直接耦合到光纤纤芯或以高功率耦合到泵浦包层(见双包层光纤),这将在下面详细讨论。
光纤激光器有很多种,下面将介绍其中几种。
高功率光纤激光器
最初,光纤激光器只能达到几毫瓦的输出功率。如今,高功率光纤激光器可以实现几百瓦的输出功率,有时甚至可以从单模光纤实现几千瓦的输出。这是通过增加纵横比和波导效应来实现的,从而避免了热光效应。
有关更多详细信息,请参阅条目“高功率光纤激光器和放大器”。
上变频光纤激光器
光纤激光器特别适合实现上转换激光器,上转换激光器通常在相对不频繁的激光跃迁上工作,并且需要非常高的泵浦强度。在光纤激光器中,可以长距离保持高泵浦强度,因此对于增益非常低的跃迁,可以很容易地实现增益效率。
在大多数情况下,二氧化硅光纤不适合上转换光纤激光器,因为上转换机制需要电子能级中较长的中间态寿命,而由于高声子能量,二氧化硅光纤中的这一寿命通常很小(见多光子跃迁)。因此,通常使用一些重金属氟化物纤维,如具有低声子能量的ZBLAN(一种氟锆酸盐)。
最常用的上转换光纤激光器是用于蓝光的掺钍光纤,用于红光、橙光、绿光或蓝光的掺镨激光器(有时含镱),以及用于三极管的掺铒激光器。
窄线宽光纤激光器
光纤激光器可能仅在几千赫兹甚至小于1kHz的非常窄的线宽下以单纵模(见单频激光器,单模操作)运行。对于长期稳定的单频操作,并且在考虑温度稳定性后没有额外要求,激光腔应该很短(例如5cm),尽管原则上腔越长,相位噪声越低,线宽越窄。光纤端部包含一个窄带光纤布拉格光栅(参见分布式布拉格反射器激光器,DBR光纤激光器),用于选择腔模。输出功率通常在几毫瓦到几十毫瓦的范围内,输出功率高达1W的单频光纤激光器也是可用的。
一种极端形式是分布式反馈激光器(DFB激光器),其中整个激光腔包含在光纤布拉格光栅内,两者之间存在相移。这里的腔体相对较短,牺牲了输出功率和线宽,但单频运行非常稳定。
光纤放大器也可用于进一步放大到更高的功率。
调Q光纤激光器
光纤激光器可以使用各种有源或无源Q开关产生长度从几十纳秒到几百纳秒的脉冲。大模面积光纤可以实现几毫焦耳的脉冲能量,在极端情况下,由于饱和能量(即使是大模面积纤维)和损伤阈值(对于较短的脉冲更为明显)的限制,可以达到几十毫焦耳。所有光纤器件(自由空间光学器件除外)的脉冲能量都有限,因为它们通常无法实现大模面积光纤和有效的Q开关。
由于激光增益很高,光纤激光器中的Q开关在性质上与体激光器非常不同,而且更复杂。时域中通常有多个尖峰,也可以产生长度小于谐振器往返时间的调Q脉冲。
锁模光纤激光器使用更复杂的谐振器(超短光纤激光器)来产生皮秒或飞秒脉冲。这里,激光谐振腔包含有源调制器或一些饱和吸收体。饱和吸收体可以通过非线性偏振旋转效应或使用非线性光纤环路镜来实现。例如,非线性环路镜可用于图8中的“八字激光器”,其中左侧包含一个主谐振腔和一个非线性光纤环,用于放大、整形和稳定往返超短脉冲。特别是在谐波锁模中,需要额外的设备,例如用作光学滤波器的子腔。
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