光纖激光器綜述摘要：

光纖激光器作為光源在光通信領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，而隨著大功率雙保層光纖激光器的出現(xiàn)，其應(yīng)用正向著激光加工(laser oem)、激光測距、激光雷達、激光藝術(shù)成像、激光防偽和生物醫(yī)療等更廣闊的領(lǐng)域迅速擴展。本文以下內(nèi)容概述了光纖激光器的原理、特點、應(yīng)用及其發(fā)展前景。

一．光纖激光器的簡述

光纖激光器和放大器的研究與應(yīng)用引起了廣泛的重視和興趣，已能制備以硅和氟化鉛為基質(zhì)的摻雜稀土金屬元素的光纖。用這些光纖制作成光源或光放大器在降低光通信系統(tǒng)的成本方面具有巨大的潛力。接鉸和餌離子的光纖激光器已有多種波長的輸出，包括900nm，1060nm和1550nm等。用輸出波長為800nm的I‘D作為泵浦源也可以獲得光通信重要窗口波長(1550nm)的輸出。

激光輸出諾可以通過改變稀土離子所處的玻璃基質(zhì)進行改變。由摻雜稀土元素離子的氟化錯光纖可以在紅外區(qū)產(chǎn)生波長為1050nm，1350nm，l 380nm和l 550nm的激光輸出，其中1350nm波長非常有價值，因為利用以硅為基質(zhì)的光纖要想得到這個波長的輸出非常困難。此外，這種光纖能在2．08ftm，2．3f4m和2．7Pm的中紅外波長區(qū)產(chǎn)生激光輸出也具有十分重要的價值。這種光源可能在通信，醫(yī)學(xué)，大氣通信和光譜學(xué)方面得到應(yīng)用。

光纖激光器的輸出方式可以是連續(xù)的，也可以是脈沖的。光纖激光器的調(diào)Q和鎖模以及亞納秒脈沖業(yè)已獲得。光纖激光器可以在其整個熒光譜范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)輸出。最重要的是可以獲得窄帶寬，單縱模的輸出。因此也可用于相干通信以及其他單色性要求較高的應(yīng)用場合。光纖放大器的優(yōu)越性能以及用LD作為泵浦源實現(xiàn)了放大，使其在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。

在過去的幾年中，光纖激光器和放大器得到了飛速的發(fā)展，世界上許多實驗室都卷入了這方面的研究工作。這些研究工作涉及下述所提到的所有方面。以后將會利用可見和紅外波長區(qū)的稀土元素躍遷，發(fā)現(xiàn)更多的譜線以滿足各種不同的需要。光纖中的光學(xué)過程的理論和基礎(chǔ)研究也將進一步發(fā)展以優(yōu)化其性能。

實驗研究還需要進一步器件化以及滿足實際需要。對新型光纖和諧振腔的研究還將繼續(xù)。高功率的窄脈沖以及偏振控制，可調(diào)諧線寬輸出都是應(yīng)用所需要的。與光纖兼容的調(diào)制器和隔離器也是目前所急需的。光纖激光器的研究無疑將刺激光纖器件的發(fā)展。光纖放大器在局域的和廣域的光通信系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊，這些都需要進一步的研究。

目前有關(guān)光纖激光器和放大器的研究大部分來自與光通信有關(guān)的實驗室和研究機構(gòu)，因為他們在光纖制備方面得天獨厚，但實際上在其它領(lǐng)域光纖激光器和放大器的應(yīng)用也初見端倪，例如光譜學(xué)，非線性光學(xué)，計量學(xué)，全息學(xué)，傳感器和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，甚至在印刷和滑雪過程中。我們將會看到，在整個國際科技界中涉及光纖激光器的技術(shù)領(lǐng)域?qū)絹碓蕉唷?/p>

二．光纖激光器原理　

　　利用摻雜稀土元素的研制成的放大器給光波技術(shù)領(lǐng)域帶來了革命性的變化。由于任何光放大器都可通過恰當(dāng)?shù)姆答仚C制形成器，因此光纖激光器可在放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)。目前開發(fā)研制的光纖激光器主要采用摻稀土元素的作為增益介質(zhì)。由于光纖激光器中纖芯很細，在泵浦光的作用下內(nèi)極易 形成高功率密度，造成工作物質(zhì)的能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。因此，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成振蕩。另外由于基質(zhì)具有很寬的熒 光譜，因此，光纖激光器一般都可做成可調(diào)諧的，非常適合于WDM系統(tǒng)應(yīng)用。

　　和半導(dǎo)體器相比，光纖激光器的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：光纖激光器是波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，可容強泵浦，具有高增益、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低、輸出光束質(zhì)量好、線寬窄、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特性，易于實現(xiàn)和的耦合。

　　我們可以從不同的角度對光纖激光器進行分類，如根據(jù)光纖激光器的諧振腔采用的結(jié)構(gòu)可以將其分為Fabry-Perot腔和環(huán)行腔兩大類。也可根據(jù)輸出 波長數(shù)目將其分為單波長和多波長等。對于不同類型光纖激光器的特性主要應(yīng)考慮以下幾點：（1）閾值應(yīng)越低越好；（2）輸出功率與抽運光功率的線性要好； （3）輸出偏振態(tài)；（4）模式結(jié)構(gòu)；（5）能量轉(zhuǎn)換效率；（6）器工作波長等。

     三、包層泵浦器技術(shù)

　　雙包層的出現(xiàn)無疑是領(lǐng)域的一大突破，它使得高功率的光纖激光器和高功率的光放大器的制作成為現(xiàn)實。自1988年E Snitzer首次描述包層泵浦器以來，包層泵浦技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到器和放大器等領(lǐng)域，成為制作高功率光纖激光器首選途徑。圖1 (a)示出一種雙包層的截面結(jié)構(gòu)。不難看出，包層泵浦的技術(shù)基礎(chǔ)是利用具有兩個同心纖芯的特種摻雜。一個纖芯和傳統(tǒng)的單模纖芯相似，專用于傳 輸信號光，并實現(xiàn)對信號光的單模放大。而大的纖芯則用于傳輸不同模式的多模泵浦光(如圖1(b)所示)。這樣，使用多個多模二極管同時耦合至包層 上，當(dāng)泵浦光每次橫穿過單模纖芯時，就會將纖芯中稀土元素的原子泵浦到上能級，然后通過躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射光，通過在內(nèi)設(shè)置的光柵的選頻作用， 特定波長的自發(fā)輻射光可被振蕩放大而最后產(chǎn)生輸出。目前，該技術(shù)被稱為多模并行包層泵浦技術(shù)(Cladding pumped technology)，法國Keopsys公司在該技術(shù)上形成了一專利，稱為“V-Groove Technologe”。

多模并行包層泵浦技術(shù)特性決定了該類光纖激光器有以下幾方面的突出性能。

1、高功率

　　一個多模泵浦二極管模塊組可輻射出100瓦的光功率，多個多模泵浦二極管并行設(shè)置，即可允許設(shè)計出很高功率輸出的光纖激光器。

2、無需熱電冷卻器

　　這種大功率的寬面多模二極管可在很高的溫度下工作，只須簡單的風(fēng)冷，成本低。

3、很寬的泵浦波長范圍

　　高功率的光纖激光器內(nèi)的活性包層摻雜了鉺/鐿稀土元素，有一個寬且又平坦的光波吸收區(qū)(930-970nm),因此，泵浦二極管不需任何類型的波長穩(wěn)定裝置

4、效率高

　　泵浦光多次橫穿過單模纖芯，因此其利用率高。

5、高可靠性

　　多模泵浦二極管比起單模泵浦二極管來其穩(wěn)定性要高出很多。其幾何上的寬面就使得光纖激光器的斷面上的光功率密度很低且通過活性面的電流密度亦很低。這樣一 來，泵浦二極管其可靠運轉(zhuǎn)壽命超過100萬小時。 目前實現(xiàn)包層泵浦器的技術(shù)概括起來可分為線形腔單端泵浦、線形腔雙端泵浦、全環(huán)形腔雙包層器三大類，不同特色的雙包層器可由 該三種基本類型拓展得到。 　　OFC’2002的一篇文獻采用如圖2所示腔體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輸出功率為3.8W、閾值為1.7W，傾斜效率高達85%的新型包層泵浦器 [1]。在產(chǎn)品技術(shù)方面，美國IPG公司異軍突起，已開發(fā)出700W的摻鐿雙包層光纖激光器，并宣稱將推出2000W的光纖激光器。

     四、拉曼光纖激光器技術(shù)

　　拉曼光放大技術(shù)為長距離傳輸提供了一種新的獲取功率預(yù)算的手段，成為關(guān)注焦點。對于拉曼放大泵源，方法之一是采用多只14XXnm泵浦器通過偏振 復(fù)用獲得拉曼泵源，但其成本相對較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方法二是采用拉曼器(RFL)來產(chǎn)生特定波長的大功率，目前該技術(shù)已得到相當(dāng)程度的發(fā)展并形 成了商用產(chǎn)品(如美國IPG、法國Keosys等公司均可提供5W的拉曼放大泵浦模塊)，并被認為是用于拉曼放大和遠泵EDFA放大應(yīng)用的合理光源。

4.1 線形腔拉曼光纖激光器

　　若從線形腔拉曼器的輸出波長來劃分，可以分為單波長和多波長拉曼器兩大類。不同線形拉曼器的結(jié)構(gòu)基本相似，都采用布拉格光柵 作為其諧振腔的反射鏡。就RFL所采用的有源增益介質(zhì)來看，通常采用摻GeO2的摻雜作為增益介質(zhì)，最近的報道是采用摻P2O5的摻雜作為增益介質(zhì)，兩者的區(qū)別在于所取得的Stock偏移不同，一般，摻GeO2的摻雜為440cm-1，而摻P2O5的摻雜為1330cm-1，因此采用 P2O5摻雜所需要的拉曼頻率變換的次數(shù)要少，可以提高效率并降低RFL的復(fù)雜度。N.Kurukithoson等在ECOC’2001會議中報道了 一個采用二級拉曼變換獲得1480nm輸出的RFL實驗，其泵浦光波長為1061nm[2]，和采用摻GeO2的摻雜的RFL相比，減少了一級拉 曼上變換。ECOC’2001的另一篇論文中報道了采用摻P制作的1480nm單波長拉曼器實現(xiàn)+28dBm輸出的EDFA[3]。 OFC’2001會議中有一篇論文報道了以二級Stocks輸出的Raman光纖激光器作為泵浦源激勵單模產(chǎn)生超連續(xù)譜的實驗[4]。它由拉曼激光器和超連續(xù)(SC)腔體兩部分構(gòu)成，其中Raman光纖激光器器工作原理圖見圖3。在摻鐿激光器的泵浦下，以摻鐠為工作物質(zhì)輸出。泵浦光為 1064nm，輸出脈沖為1483.4nm的（二級Stocks），輸出功率為2.22W。

　　近期浮現(xiàn)出的另一種稱為多波長拉曼光纖激光器 (MWRFL)引起了廣泛的注意，其中雙波長拉曼光纖激光器(2lRFL)和三波長拉曼光纖激光器(3lRFL)已成功演示，IPG等已開始形成產(chǎn)品。

　　阿爾卡特公司在OFC’2002會議上報道的一種可重構(gòu)三波長拉曼器(3lRFL)圖4所示[5]，得到了輸出波長分別為1427nm、 1455nm和1480nm的輸出，可用于C+L波段的拉曼放大器中。另外通過調(diào)整輸出耦合器，每個波長的輸出功率可在50mW—400mW范圍內(nèi)可 調(diào)。整個3lRFL的主體部分由11只光柵(FBG)和300米的摻P組成，并以輸出波長為1117nm的Yb3+包層泵浦器作為泵浦 源。其內(nèi)部的Stocks功率遷移如圖5所示。其基本的原理分為以下三步：首先，在1117nm泵浦光的作用下，利用P2O5產(chǎn)生頻移，得到1312nm 的一級Stocks分量；然后在一級Stocks的作用下，利用石英的頻移，得到1375nm的二級Stocks分量；最后，通過再次利用石英的 頻移，同時得到1427.0nm、1455.0nm和1480.0nm的輸出。應(yīng)當(dāng)指出，由于各拉曼峰值相距較遠，因此，不同Stocks之間的交互 作用是不可忽視的。如圖3虛線所示，1427.0nm的Stocks分量泵浦1455.0nm和1480.0nm并使之獲得增益，同理，1312nm的 Stocks分量可使1375nm、1427nm、1455nm和1480nm獲得額外的拉曼增益。

　　OFC’2002的另外兩篇論文報道了在泵浦光的作用下產(chǎn)生四級Stocks分量的可重構(gòu)Raman光纖激光器，其輸出波長均為 1428nm、1445nm和1466nm[6][7]。OFC’2001的一篇論文報道了一個3lRFL，其輸出譜線分別為：1427nm的譜線譜寬為 0.8nm，1455nm和1480nm的譜線譜寬為0.4nm[8]。

4.2 環(huán)行腔拉曼光纖激光器

　　環(huán)行腔結(jié)構(gòu)在技術(shù)中具有重要的地位和作用，也是構(gòu)建拉曼器的另一種 重要方式。OFC’2001中的一篇論文報道了一種雙波長的環(huán)行拉曼光纖激光器(2lRFL)[9]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，除光柵1480A的反 射率為90%外，其他的光柵的反射率均大于99%，拉曼A和B是長度分別為120米和220米的色散補償(DCF)。在工作波長為 1313nm的Nd:YLF光纖激光器作為泵浦源作用下，該器的二級Stocks波長為1480nm和1500nm。報道的數(shù)據(jù)表明，該光纖激光器在 3.2W的泵浦下，可以獲得大于400mW的輸出。另外通過調(diào)整光柵1480B的反射率，可以對輸出波長的功率進行控制和調(diào)整，該特性使得該類光 纖器可較好地用到增益平坦的拉曼放大中。

五、新型的光纖激光器技術(shù)

　　早期對光纖激光器的研制主要集中在研究短脈沖的輸出和可調(diào)諧波長范圍的擴展方面。今天，密集波分復(fù)用(DWDM)和光時分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展及日益進步加 速和刺激著多波長器技術(shù)、超連續(xù)器等的進步。同時，多波長光纖激光器和超連續(xù)光纖激光器的出現(xiàn)，則為低成本地實現(xiàn)Tb/s的DWDM或 OTDM傳輸提供理想的解決方案。就其實現(xiàn)的技術(shù)途徑來看，采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)均見報道。

5.1 多波長光纖激光器

　　文獻[10]提出的一種基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的多波長光纖激光器如圖7所 示。圖中SOA1長度是500mm，在1522nm處提供的小信號增益為23dB，SOA2的長度是250mm，在1530nm處可提供10.5dB的小 信號增益，兩只SOA均為InGaAsP/InP屋脊波導(dǎo)型。F-P腔的自由譜線范圍(FSR)為47.75GHz，精細度為8.1，損耗為 12dB。偏振控制器PC1和PC2分別用于補償SOA1和SOA2對TE軸、TM軸的偏振相關(guān)增益誤差。該結(jié)構(gòu)在1554nm—1574nm范圍內(nèi)，實 現(xiàn)了波長間隔為50GHz、50通道的多波長DWDM光源，在50通道之間最大光功率差異小于1.6dB，消光比大于15dB，器的線寬小于 5GHz。

　　為獲得平坦的功率輸出譜，文獻[11]提出了一種改正型的方案如圖8所示。圖中FRM為法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，VOA為可調(diào)光衰減器。由于光反饋臂的引入，一 個直觀的特性是可對其輸出的進行反饋監(jiān)視，另外該改正型結(jié)構(gòu)還可對的輸出光性能提供較大程度的改善。據(jù)報道該結(jié)構(gòu)在1554.7— 1574.7nm的波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)了通道間隔為50GHz、52通道的多波長DWDM光源，且通道之間的最大光功率差異小于0.3dB，消光比達到 32dB，器輸出的線寬為500MHz。

　　經(jīng)典 的Sagnac干涉裝置在信息科學(xué)領(lǐng)域的超快速響應(yīng)技術(shù)中有多種應(yīng)用，其中包括：超快速光調(diào)制器的全光開關(guān)、全光解復(fù)用、信號再生、邏輯運算、信號格式變 換以及全光波長變換等。最近，OFC’2002的一篇文獻將Sagnac干涉裝置拓寬到器的應(yīng)用[12]。該文獻報道的基于NOLM的多波長拉曼光源，在四階斯托克斯波內(nèi)，可以實現(xiàn)20個波長通道輸出。在OFC’2002的另一篇論文中，報道了一種采用偏振復(fù)用拉曼泵源、F-P可調(diào)濾波器和色散補 償組成的去偏振多波長環(huán)行腔體拉曼光纖激光器。在由1428.2、1445.8、1463.4nm泵浦波長的拉曼泵源作用下，3dB帶寬范圍內(nèi)的輸出 波長可達到58個，通道間隔為50GHz。

　　目前相關(guān)的會議報道已指出用AWG目前最多可輸出400個信道，每個信道間隔25GHz（波長間隔0.4nm），輸出波長能覆蓋整個C波段和L波段。 然而這些信道的波長間隔都是固定的，是無法改變的。目前研制的器輸出的多波長信號，其信道間隔也是一定的。OFC2001會議上報道了一個可調(diào)諧波長 間隔的多波長輸出的光纖激光器。其原理圖見圖9。法拉弟旋轉(zhuǎn)鏡（FRM）用于補償FRM與偏振分束器（PBS）之間的PMD，并且能穩(wěn)定前后傳輸方向的正 交偏振態(tài)。利用在保偏中偏振模的耦合作為可調(diào)波長間隔濾波器。光纖激光器腔內(nèi)的偏振分束器和偏振保持及其相關(guān)器件組成波長濾波器。當(dāng)不對PMF施 加壓力時，沿偏振快軸的光分量能通過濾波器，傳輸與波長無關(guān)；當(dāng)對PMF施加壓力時，在施加壓力處，偏振模產(chǎn)生耦合，波長間隔就由施加壓力的位置不同而不 同。施加壓力的方式是用夾子夾住PMF的不同位置。例如在PMF的4m處施加壓力，則可得到9個信道輸出，波長調(diào)諧范圍為1548.2nm- 1559.9nm，波長間隔為1.46nm。峰值功率漂移在6dB內(nèi)。當(dāng)施加壓力的位置在8m處，光纖激光器輸出14個信道波長，波長間隔為0.73nm。

　　文獻[15]提出了另一種可調(diào)諧的器方案如圖10(a)所示，其主要的特色是波長間隔可調(diào)。圖中具有不同波長峰值的n個光柵(FBG)采 用圖10（b）結(jié)構(gòu)被安裝成FBG陣列，并級聯(lián)起來以形成多波長激射。波長的調(diào)諧通過改變光柵的周期來實現(xiàn)。采用四個FBG制成的FBG陣列，在初始 工作波長在1547.64、1549.21、1551.36、1554.1nm的情況下，可調(diào)諧得到波長間隔不同的四個波長，分別為1547.64、 1551.64、1556.60、1561.24nm。

5.2 基于的超連續(xù)光纖激光器

　 　具有超連續(xù)譜的超短光脈沖在TDM/WDM系統(tǒng)中有著重要的意義。超短光脈沖不但能提高TMD系統(tǒng)中的單信道碼率，同時其寬大的連續(xù)譜也能為WDM系統(tǒng) 提供眾多的波長信道。大部分超連續(xù)譜的產(chǎn)生主要有以下兩種方法：壓縮超短光脈沖所得到的寬頻譜和利用器件的非線性展寬脈沖的頻譜。

　　現(xiàn)在最流行的也報道得最多的是利用或光放大器的非線性產(chǎn)生超連續(xù)譜。其中利用產(chǎn)生寬連續(xù)譜最為經(jīng)濟實用。據(jù)報道，所采用的 類型不同，產(chǎn)生連續(xù)譜帶寬也不同。比如在兩頭粗中間拉細的特種中（見圖11）[16]，產(chǎn)生的連續(xù)譜就很寬，可調(diào)諧波長范圍為500nm-- 1600nm。泵浦源端的長為3cm，拉細長度為15cm，尾纖輸出端為15cm。該連續(xù)譜在后段標(biāo)準電信中輸出Raman脈沖，可調(diào)諧波長 幅度達200nm，Raman脈沖波長調(diào)諧范圍為1400nm--1600nm。脈沖頻譜帶寬為20nm，相當(dāng)于脈寬130fs的邊帶極限脈沖。當(dāng)改變輸 入入射功率，則Raman孤子波長也發(fā)生改變。這種器就是以改變泵浦功率來改變波長。

5.3 鎖模器

　 　連續(xù)調(diào)諧多波長鎖模器一直是技術(shù)很活躍的研究領(lǐng)域。OFC’2001和OFC’2002中多篇論文報道了該類器技術(shù)[17][18]。 LI等報道了利用色散補償（DCF）增加腔內(nèi)色散，在主動鎖模環(huán)形器中實現(xiàn)了3個波長的輸出，并通過調(diào)節(jié)調(diào)制頻率，實現(xiàn)了單波長和雙波長 的連續(xù)調(diào)諧?，F(xiàn)已研制成功線寬窄到2kHz的器、調(diào)諧范圍達到75nm的寬調(diào)諧器以及重復(fù)頻率達到21GHz的高重復(fù)頻率器。

　　平常常見的基于NOLM器只由NOLM環(huán)組成，沒有圖12的 3dB耦合器上的兩個支路，主要是用來產(chǎn)生壓縮后的超短脈沖，不具有鎖模功能。圖12所示的是改進的NOLM器，能進行亮暗脈沖轉(zhuǎn)換，能選擇 脈沖波長，產(chǎn)生高重復(fù)率的信號。調(diào)節(jié)PC1使B端輸出最大功率時，在A端可得到亮脈沖；調(diào)節(jié)PC1使環(huán)內(nèi)形成反射模時在A端就形成暗脈沖。在耦合器2支路 上可以通過濾波器選擇輸出波長，并通過EDFA對選定波長進行放大。當(dāng)控制脈沖與主環(huán)頻率失諧時，當(dāng)產(chǎn)生控制脈沖的DFB器的驅(qū)動頻率是主環(huán)的頻 率f的n分之一時，可得到是控制脈沖n倍重復(fù)率的輸出脈沖。例如主環(huán)頻率f為19.4kHz時，控制脈沖調(diào)制頻率為1145MHz，DFB器驅(qū)動頻率 失諧在1/4f，則可得到4.58GHz重復(fù)率的輸出脈沖。

5.4 頻率上變換器

　 　P.Xie和T.R.Gosnell用鈦寶石器的860nm泵浦幾十厘米長的，通過更換不同的輸出鏡獲得了紅、橙、綠、藍4種顏色的，功率 分別為300mW、44mW、20mW和3mW，斜效率分別為52％、11.5％、12.4％和3％。包層泵浦上轉(zhuǎn)換器的研究工作是國際上的最新 研究熱點，它在常規(guī)器研究工作的基礎(chǔ)上，利用頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)大大擴展了器的頻率范圍，可獲得近紅外光、可見光乃至更短波長的輸出。

六．光纖形式激光器的優(yōu)點

    1．波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)

光纖激光器具有波導(dǎo)式的結(jié)構(gòu)，可以在光纖纖芯中產(chǎn)生較高的功率密度。它所基于的硅光纖的工藝現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，因此可以制作出高精度，低損耗的光纖。如果光纖的選擇使泵浦和信號波長均運行于單模工作狀態(tài)，則泵浦和信號光場之間的重合性非常好。由于光纖的幾何特點，使得這種結(jié)構(gòu)具有較高的面積一體積比，因而其散熱效果很好。

以上這些特點就決定了硅為基質(zhì)的光纖激光器可以在較低的功率泵浦下工作在連續(xù)的輸出狀態(tài)，而其它塊狀玻璃介質(zhì)的激光器一般僅能工作在脈沖狀態(tài)，常需要相當(dāng)高的泵浦能量以獲得激光輸出。

   光纖的圓柱形結(jié)構(gòu)還具有下列兩個優(yōu)點，便于在光通倍和醫(yī)學(xué)中應(yīng)用。

(1)．由于光纖激光器本質(zhì)上是一種光纖結(jié)構(gòu)，因此它可以以較高的鍋臺效率與目前的光纖傳輸系統(tǒng)連接。

(2)．由于光纖結(jié)構(gòu)小巧便于操作，在醫(yī)學(xué)的某些應(yīng)用中是理想的，例如深入到人的胃中。

   事實上，基于光纖結(jié)構(gòu)的激光器使得某些器件成為可能。我們可以利用定向鍋臺器的優(yōu)點得到光纖形式的分束器。這一點對避免光纖系統(tǒng)連接時的衍射損耗非常有利。這樣就可以不離開光纖形式完成光波的分束，利用這一特點就可以形成全光纖反射器，干涉儀和諧振腔。這種光纖激光器的設(shè)計使得低閉值操作，波長調(diào)諧和窄譜線輸出都成為可能。

   摻稀土元素離子激光器的一個重要性質(zhì)在于其輸出光譜特性受到摻雜離子周圍分子環(huán)境的顯著影響。這種性質(zhì)引起兩個可利用的特性。其一是可以通過改變基質(zhì)玻璃的組份來調(diào)節(jié)指出波長。其二是當(dāng)基質(zhì)是玻璃時，可以觀察到較寬的熒光。通過對圖1—1所示的腔結(jié)構(gòu)進行改進，例如加上一個波長選擇反射器，就可以得到50nm或更寬范圍內(nèi)的可調(diào)諧激光輸出。

光纖激光器可以提供許多輸出波長，其中某些波長對于光通信是非常重要的。輸出光波長由摻雜到纖芯中的稀土元素離子所決定。在光譜段上1．33f4m和1．55flm波長的輸出是最重要的，因為它們對應(yīng)于光通信的兩個低損耗窗口。1．55捍m的輸出操作可以利用半導(dǎo)體器件作為泵浦源，因此意味著用較低的成本即可實現(xiàn)有價值的激光輸出。目前，利用光纖激光器得到了2—3捍m范圍內(nèi)的激光譜線輸出，這個波段的輸出在更低損耗的中紅外通信中有著潛在的應(yīng)用價值。

七．光纖激光器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

國內(nèi)現(xiàn)狀

　　我國商用光纖激光器目前全部依賴進口，原因是我們還沒有實現(xiàn)光纖激光器的商品化和產(chǎn)業(yè)化。

　　我國光纖激光器的研制其實并不落后，已經(jīng)有好幾個單位實現(xiàn)了連續(xù)200W以上的輸出功率，但我國光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化工作明顯滯后。下面分析一下我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展滯后的原因。

　　前文已經(jīng)提到，發(fā)展全光纖激光器需要5大關(guān)鍵技術(shù)，不難看出，這5大關(guān)鍵技術(shù)除半導(dǎo)體泵浦激光器外，其他4大關(guān)鍵技術(shù)全部與光纖技術(shù)密切相關(guān)，準確的說，是與能量光纖技術(shù)密切相關(guān)。能量光纖技術(shù)是以信號光纖技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，而信號光纖技術(shù)主要是為光纖通信服務(wù)的，因此，能量激光和光通信這兩個技術(shù)領(lǐng)域通過光纖這種特殊的媒質(zhì)聯(lián)系起來，使從事光纖和光纖器件研制和生產(chǎn)的單位能夠深入地介入這兩個技術(shù)領(lǐng)域并成為其核心力量。在光通信走入低谷的時候，適逢光纖激光器取得歷史性突破之時，國外許多從事光通信光纖器件研制生產(chǎn)的單位開始轉(zhuǎn)向能量光纖器件的研制和開發(fā)，以尋求新的發(fā)展機遇、拓展生存空間。這些投入能量光纖激光器開發(fā)的單位目前已經(jīng)成為光纖激光器發(fā)展的重要力量，為發(fā)展新型全光纖激光器作出了巨大貢獻。

　  我國進行光纖器件生產(chǎn)和開發(fā)的單位雖然非常多，但總體技術(shù)水平較弱，在光通信走入低谷的時候，相關(guān)單位基本上只能選擇在本行業(yè)苦苦支撐或關(guān)閉生產(chǎn)線兩種方式，無力投入巨大資源進行能量光纖器件的研制和開發(fā)，所以，當(dāng)全光纖激光器飛速發(fā)展對能量光纖器件提出迫切需求的時候，我國在這方面基本上還是一片空白。對于我國最早從事光纖激光器研制的單位來說，面對國內(nèi)的這種局面，發(fā)展全光纖激光器基本上沒有基礎(chǔ)可言，因此，透鏡整形聚焦端面泵浦外腔結(jié)構(gòu)的方案成為現(xiàn)實選擇。這種結(jié)構(gòu)很接近傳統(tǒng)的全固態(tài)激光器，對光纖技術(shù)的依賴程度很低，采用非光纖技術(shù)即可制作。但是，實踐證明，光纖激光器只有采用全光纖結(jié)構(gòu)才能充分體現(xiàn)整體的一致性、完整性、和諧性和匹配性，采用充分展現(xiàn)光纖激光器的優(yōu)勢，因此，全光纖結(jié)構(gòu)方案更加符合光纖激光器發(fā)展的本質(zhì)規(guī)律，所以，在世界范圍內(nèi)，全光纖激光器成為主流方案有其必然性。

　　全光纖激光器需要能量激光器技術(shù)與光纖技術(shù)有機結(jié)合起來，從某種程度上來說，光纖技術(shù)在光纖激光器的發(fā)展中所占的比重很大，因此，能量激光技術(shù)和能量光纖技術(shù)是光纖激光器發(fā)展不可或缺的兩條腿。目前，我國從事光纖器件研制和生產(chǎn)的單位仍然主要集中在光纖通信的產(chǎn)業(yè)鏈條之中，涉足能量激光技術(shù)的很少，這是我國光纖激光器發(fā)展面臨的巨大問題。本文希望我國從事光纖器件研制和生產(chǎn)的單位突破行業(yè)界限，關(guān)注光纖激光器的發(fā)展，積極參與新型能量光纖器件的研制開發(fā)，為我國光纖激光器國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化作出貢獻。應(yīng)該看到，新型大功率全光纖激光器具有廣闊的市場，發(fā)展能量型光纖器件，對于光纖器件研制生產(chǎn)單位是大有作為的。還應(yīng)該看到，國外光纖激光器取得突飛猛進的發(fā)展也是最近幾年的事情，盡管我國目前與國外的水平差距很大，但是落后的時間并不長，只要我國光纖器件的研制生產(chǎn)單位積極開展相關(guān)產(chǎn)品的研制開發(fā)工作，我們是能夠在光纖激光器的研制生產(chǎn)方面站在國際前列的

2002年南開大學(xué)報道了在摻Y(jié)b3 + 雙包層光纖器中得到了脈寬4. 8ns 的自調(diào)Q 脈沖輸出和混合調(diào)Q 雙包層光纖激光中得到峰值功率大于8kW ,脈寬小于2ns 的脈沖輸出。

　　2003年南開大學(xué)報道了利用脈沖泵浦獲得100kW 峰值功率的調(diào)Q 脈沖,以及得到的60nm 可調(diào)諧的調(diào)Q 脈沖。

　　2003年11月20日報道，上?？茖W(xué)家在激光領(lǐng)域取得新成果，成功開發(fā)出輸出功率高達107W的光纖激光器。此激光器的全稱為“高功率摻鐿雙包層光纖激光器”，與目前已有的激光器相比它的維護費用和功率消耗都要低得多，壽命是普通激光器的幾十倍。該課題組的負責(zé)人之一樓祺洪研究員告訴記者，激光打印有著廣泛的應(yīng)用前景，與市民生活直接相關(guān)的如食品的生產(chǎn)日期、防偽標(biāo)志等，若以激光打印代替現(xiàn)在的油墨打印清晰度高、永不褪色、難以仿冒、利于環(huán)保，具有國際流行的新趨勢。上?？茖W(xué)家研制的光纖激光器使光纖激光輸出功率又上升了一個新臺階，最大輸出功率達107W，已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于全國同行。

　　2004年，南開大學(xué)又報道了連續(xù)泵浦206kW峰值功率的調(diào)Q 脈沖。

　　2004年12月3日，烽火通信報道，繼推出激光輸出功率達100W以上的雙包層摻鐿光纖后，經(jīng)過艱苦的攻關(guān)再創(chuàng)佳績，將該類新型光纖的輸出功率成功提高至440W，達到國際領(lǐng)先水平。

這是烽火通信在特種光纖領(lǐng)域邁出的重要一步，同時也是我國在高功率激光器用光纖領(lǐng)域的重大突破。摻鐿雙包層光纖激光器是國際上新近發(fā)展的一種新型高功率激光器件，由于其具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱和易于實現(xiàn)高功率等特點，近年來發(fā)展迅速，并已成為高精度激光加工(laser oem)、激光雷達系統(tǒng)、光通信及目標(biāo)指示等領(lǐng)域中相干光源的重要候選者。雙包層摻鐿激光器的主要激光增益介質(zhì)是雙包層摻鐿光纖，因此雙包層摻鐿光纖的性能直接決定了該類激光器的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。烽火通信作為國內(nèi)唯一一家進行雙包層摻鐿光纖研究的單位，在成功推出輸出功率達100W以上的完全可商用的雙包層摻鐿光纖產(chǎn)品后，又加大的研發(fā)力度，使得其輸出功率實現(xiàn)440W以上，達到國際領(lǐng)先水平。

國外發(fā)展及現(xiàn)狀

光纖激光器并不是什么新的器件，盡管到目前才引起廣泛研究和重視?？梢院敛豢鋸埖卣f光纖激光器的歷史和激光器本身的歷史幾乎一樣長。第一個光纖激光器的榮譽應(yīng)歸于Sn5t2er和Koester，他們在l 963年和1964年分別發(fā)表了多組份玻璃光纖中的光放大結(jié)果Lt．23，當(dāng)時他們正為美國光學(xué)公司(Amer5can 0pticaI勘rpoNt50n)工作。不久以后，光纖激光器被用于光學(xué)信息處理方面的工作c31。在光纖放大器方面的早期工作還有前蘇聯(lián)的Letokhov和PavliLL4J。令人感興趣的一篇非常重要的文章是屑于高銀和Hockham的c53，他們在1966年首先討論了利用光纖作為通信介質(zhì)的可能性。在光纖激光器發(fā)展的最初階段就考慮了用半導(dǎo)體光源進行泵浦的可能性r61。在70年代，Bell實驗室(現(xiàn)在的AT8LT)的一個小組也開展了這方面的研究工作。

在1975—1985這十年中有關(guān)這個領(lǐng)域的文章較少，不過在這十年中許多發(fā)展光纖激光器所必須的工藝技術(shù)趨于成熟。低損耗的硅單模光纖和半導(dǎo)體激光器都已商品化并得到了廣泛的應(yīng)用，而且還進行了氟化鎊光纖的制作和完善了基于硅光纖的定向耦合器的制作。這些都為光纖激光器的研制鋪平了道路。半導(dǎo)體激光器，尤其是高功率輸出的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源在光纖激光器中極為重要。而熔硅型定向鍋臺器則對全光纖的激光器的設(shè)計起著舉足輕重的作用。

    在80年代中后期的幾年中，英國南安普敦大學(xué)的電子工程系和物理系也卷入了這個領(lǐng)域的研究?8Ih，他們在其中扮演了非常重要的角色，是他們演示了用MCVD方法制作的單模光纖所構(gòu)成的激光器的運行，從而再度喚起人們對這個研究領(lǐng)域的興趣。此后該校的這兩個研究小組先后報導(dǎo)了光纖激光器的調(diào)Q，鎖模，單縱模輸出以及光纖放大器方面的研究工作。英國通信研究實驗室(BTRL)于1987年首次報導(dǎo)了其研究結(jié)果LJlotlll。BTRL的研究人員展示了用各種定向鍋合器制作的精巧的光纖激光器裝置，他們在增益和激發(fā)態(tài)吸收等研究領(lǐng)域中也作了大量的基礎(chǔ)工作，在用氟化桔光纖激光器獲得各種波長的激光輸出譜線方面做了開拓性的工作，最重要的是制成了利用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的光纖激光器和放大器。其它在這個領(lǐng)域內(nèi)發(fā)表過研究成果的研究機構(gòu)還有德國漢堡的技術(shù)大學(xué)E1zi，NTTL““，HoyaLIdi，日本的三菱L151，美國的P01aroid Co叩oration(’氏，斯坦福大學(xué)[”和GTEL’：；等。當(dāng)然世界上還有許多研究機構(gòu)活躍于這個研究領(lǐng)域。

八．結(jié)語

　隨著光通信網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，器技術(shù)正在不斷向廣度和深度方面推進；技術(shù)的進 步，特別是以光柵、濾波器、技術(shù)等為基礎(chǔ)的新型器件等的陸續(xù)面市，將為器的設(shè)計提供新的對策和思路。包層泵浦器和單波長、 2lRFL和3lRFL的面市，無疑體現(xiàn)出器的巨大潛力。盡管目前多數(shù)類型的器仍處于實驗室研制階段，但已經(jīng)在實驗室中充分顯示其優(yōu)越 性。目前器的開發(fā)研制正向多功能化、實用化方向發(fā)展。其中比較突出的器類型有：能根據(jù)客戶需要波長而輸出特定波長的Raman 器，針對WDM系統(tǒng)而開發(fā)的基于超連續(xù)譜的多波長器，能改變波長間隔的多波長器?？梢灶A(yù)見，器將成為LD的有力競爭對手，必將在 未來光通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)療、光信息處理、全色顯示和印刷等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。