摻鉺光纖激光器

上世紀 50 年代，被譽為人類歷史上重大科學技術成果之一的激光器誕生了。1958 年，Schawlow 和 Townes 發表了關於激光方面的創新論文。1960 年，紅寶石激光器和氦氖激光器先後研製成功。於此同時，人們開始了光纖激光器的研製工作。

1963 和 1964 年，美國光學公司的 E.Snitzer 等人發表了在多組分玻璃光纖中實現光放大的實驗結果，他們還提出了光纖放大器和光纖激光器的想法。雖然他們在光纖激光器領域的研究是開創性的，但受制於光纖通信存在較大損耗等等實際困難，研究沒有取得進一步的突破。到了 1966 年，高錕發表了一篇具有里程碑式意義的文章，開創性的提出如果處理好玻璃純度和成分等問題，就能把用玻璃製成的光導纖維應用於通信的理論觀點。高錕也因此獲得 2009 年諾貝爾物理學獎，並被人們譽為“光纖之父”。在隨後的 10 年間，人們才真正開始了光纖通信的研發歷程。 ^[1] 

在 1975 年之前，許多用於製造光纖激光器的必備工藝尚不完善，光纖通信一直未能進入實用化階段。直至 1975 年開始至 1985 年，這些技術難題逐步得到了解決，光纖激光器領域的研究也取得了一系列的突破性成果：低損耗單模光纖從實驗室走向了市場；基於光纖的定向耦合器的工藝不斷完善；相位掩膜法寫入光纖光柵技術得到成功應用等等。這些研究成果為光纖激光器的發展奠定了堅實的基礎，使人們對光纖激光器的研究進入了新階段。 ^[1] 

到了 20 世紀 80 年代中後期，低損耗摻鉺光纖被英國的南安普頓大學的研究者研製出來，真正意義上的光纖激光器由此誕生了。在這之後，這些研究人員又開展了單縱模輸出、調 Q 和鎖模等諸多方面的研究工作。於此同時，英國通信研究實驗室也開展了大量的基礎研究，這些研究包括激發態吸收、激發態增 益、輸出激光譜線等領域。他們還通過各種定向耦合器製成了精巧的光纖激光器。此外，世界上很多其他國家的科研單位或公司如日本的 NTT、俄羅斯的 IREPolus公司、美國的斯坦福大學、貝爾實驗室、德國的漢堡技術大學等都投入了大量的人力、物力和財力研究光纖激光器。 ^[1] 

國內在光纖激光器領域的研究起步較晚，從上世紀 90 年代才開始涉足。像清華大學、浙江大學、吉林大學、中國科大、南開大學、國防科大、華中科技大學等科研單位在光纖激光器及光器件的研究研製上有不少成果和報道。但是由於發展較晚，工藝和加工技術等條件相對落後，國內在光纖激光器領域的研究與國外有着明顯的差距。

摻鉺光纖作為一種活性介質而非傳輸介質，其製作方法與常規光纖相同，只是纖芯摻有很多鉺離子，因為光放大是由鉺離子完成，所以使硅光纖中的鉺離子的濃度儘可能高是必要的為了增加鉺離子的濃度，即增加單位硅光纖體積中的鉺離子的數目，製作時儘可能減少摻鉺硅光纖的纖芯直徑，就是減少了其模場直徑。摻鉺光纖的模場直徑範圍大約為 3~6μm 左右。 為了更有效地利用摻鉺光纖，不僅製作時減小纖芯直徑，而且將大多數的鉺離子集中在小纖芯的中心區域，在中心區域的鉺離子的濃度變化範圍從百萬分之 100 到 2000。摻鉺光纖的包層和塗覆層的尺寸是很重要的。這些尺寸相對於多模和單模傳輸光纖是標準的，不同之處在於纖芯尺寸，對於多模光纖是 62.5μm 和 50μm，對於單模光纖是 8.3μm，摻鉺光纖是 2.8~5.2μm。 ^[1] 

截止波長確定了光纖在單模時能夠支持的最小波長。小於 950nm是比較典型的數值，但同時也能找到截止波長達到 1450nm的摻鉺光纖。峯值吸收波長是指產生最大吸收的波長，輻射或吸收的橫截面是指一個光子通量有關的橫截面區域，對摻在硅光纖中的鉺離子的典型值範圍大約是 0.1×10m到 4.5×10m，橫截面的重要性是由於增益係數等於橫截面乘粒子數反轉密度。同時橫截面可以將其看成對鉺離子將發射或吸收一個光子的概率的測量，一個鉺離子躍遷所吸收或發射的光能的數量等於入射光的強度乘以相應的橫截面。 ^[1] 

激光器通常由三部分組成：激光工作物質、泵浦源和諧振腔。這三部分也被稱為激光器的三要素，缺一不可。只有這三要素分工協作，協調配合才能保證激光器輸出激光，其工作原理如下所述：

首先，激光器必須要有能形成粒子數反轉的激活粒子才能形成穩定的激光。所謂粒子數反轉就是處於上能級的粒子數大於下能級的粒子數。除了激活粒子，還需要某種材料的基質來存儲這些粒子，基質和激活粒子構成了激光器的一個要素即激光工作物質。

激光工作物質自身不能形成粒子數反轉，這個過程需要泵浦源的激勵作用。處在低能級的粒子受泵浦光的激勵躍遷到高能級，致使高能級粒子數逐漸增多，最終多於低能級的粒子數，達到粒子數反轉狀態。泵浦方式主要有電泵浦、光泵浦、氣動泵浦和化學泵浦四種。前兩種使用最廣泛，其中，氣體激光器常用電泵浦，而幾乎所有的液體和固體激光器用光泵浦。 ^[2] 

即使激光器達到了粒子數反轉，還無法輸出激光，必須要有一個積累的過程，從量變達到質變。這個過程由諧振腔來完成。在諧振腔的反饋作用下，激光工作物質中的光子數得以往返於諧振腔內並不斷被放大，最終在腔內形成傳播方向一致、頻率和相位相同的強光束，這就是激光。

光纖激光器採用的激光工作物質一般是一段摻雜了稀土元素的光纖。它作為典型的固體激光器，普遍採用光泵浦，即用一束光強很強的光照射激光工作物質，使原子激勵到較高能級。光纖激光器的光學諧振腔一般用光纖光柵、光纖端面或者光纖環形鏡等作為反射鏡構成。當泵浦光耦合進光纖中，纖細的光纖內很容易 形成高功率密度，進而形成粒子數反轉，再配合光學諧振腔，最終產生激光振盪。 ^[2] 

摻鉺光纖激光器採用的激光工作物質就是摻雜 Er3+的摻鉺光纖。因為摻鉺光纖在 1550nm 波長（低損耗第三通信窗口）具有很高的增益，所以它具有巨大的應用價值。應用摻鉺光纖研製成的光纖激光器因此得到了迅猛的發展。鉺離子的能級結構和特性，進而瞭解鉺離子的吸收和熒光特性。此處説的吸收過程就是電子從下能級躍遷到上能級的過程，熒光過程即電子由上能級躍遷到下能級的過程。 ^[2] 

稀土元素在元素週期表中又稱鑭系元素，鉺元素是 15 種鑭系元素中的一種，原子序數 68，正三價金屬元素，其基本組態為4f5s5ps。由於第二、三層電子層比較穩定，鉺原子只有第一、第四層電子層會各失去一個和兩個電子，形成正三價的鉺離子。鉺離子較好的穩定性正是得益於其內層電子層的穩定。

吸收過程有：從基態I_15/2 到I_9/2，I_11/2和I_13/2三個能級，是因電子吸收泵浦光光子之後躍遷的過程；熒光過程有：從激發態I_13/2到I_15/2，這是由於電子處於上能級不穩定，自發躍遷到基態能級，這個過程會發射光子，故稱為熒光過程。這裏要指出，I_11/2的離子壽命（微秒量級）相對於I_13/2能級上的離子壽命（毫秒量級）要短的多。因此，I1_5/2 、I_13/2和I_11/2這三個能級構成了鉺離子的三能級系統。 ^[2] 

鉺離子從I_15/2激發到I_11/2，對應980mn 的泵浦波長。在980nm泵浦源的作用下，粒子從I_15/2激發到I_11/2能級上，將無輻射弛豫到I_13/2這個亞穩態能級。

由於亞穩態能級壽命比泵浦能級壽命（4I15/2）長，所以在亞穩態能級上很容易積累粒子數，最終在I_15/2能級（鉺離子的基態能級）和I_13/2能級（激光上能級）間形成粒子數反轉。之後，在信號光的激發下，高能級離子以受激輻射的方式產生傳播方向、頻率和相位相同的光子，再在諧振腔的正反饋作用下重複這樣的過程，大量狀態相同的光子聚集在一起，最終產生激光。從下到上3個能級的粒子數密度分別為：N₁ 、N₂ 、N₃ ，N1+N2+N3=N_T,N_T 是工作物質的總粒子數密度，這裏設B_ij=B_ij為受激吸收躍遷的愛因斯坦係數。 ^[2] 

在摻鉺光纖光源中，僅僅激光器組件部分是需要電轉換，其餘部分全部為光路連接。控制電路中主要包括 LD 驅動電路和保證 LD 安全工作的控制電路，當激光器組件處於工作狀態時，一方面超過一定的温度，激光器將會受到損傷，而且隨着温度的變化，單模 LD 的激射波長會出現不連續的模式跳動，這是由於温度變化時，激光器材料的帶隙能量變化，引起增益峯的漂移，每當增益峯追上激光二極管的縱模時就發生這種模式跳躍現象，通常是一次一次出現，對應用來説，模跳是我們所不希望的，因為當增益峯漂移時，相應的強度噪聲會增加。通過消除光學反饋和仔細調節激光器驅動電流及温度，就可以有效地控制模跳，整個組件則能夠提供更穩定的抽運光輸出。 ^[1] 

激光二極管是一種高功率密度並具有極高量子效率的器件，微小的電流和温度變化將導致光功率輸出的極大變化和器件參數(如激射波長、噪聲性能、模式跳 動)的變化，温度對 LD 發射波長的響應。這些變化直接危及器件的安全工作和應用的要求，因而限流工作方法和温度控制是廣為使用的方法。就大多數應用而言，多數的 LD 供電尚不能提供所要求的分辨、穩定性或噪聲性能，且大多數電流源缺乏對造成嚴重損傷激光二極管的啓動瞬態保護。作為應用而言，要求 LD 應具有最低的電噪聲和最高的穩定性，因為驅動電流的波動不僅會造成LD 的激光強度噪聲，還會造成輸出波長光譜線寬的展寬。又由於電流噪聲電平比例於驅動器的最大功率容量，所以電流源的選擇應與所使用的激光器相匹配。此外，還得考慮 LD 電流源的温度係數，因為環境温度的波動能引起供給電流的波動。 對驅動電流源進行好的防護也是必需的，往往由於沒有對電流源進行防護或者防護不當，仍會引起 LD 的性能變差，甚至損壞器件，在應用中需要防護的有電學瞬態過程、方式突變、軟接觸開路和靜電放電等。大的電學瞬變過程或具有納秒脈寬的電流形成，可能引起 LD 反射鏡的過熱，導致永久性損傷。電學瞬變過程可能起源於各種電源啓動的瞬變過程、電源的電泳、AC 電路的輻射、使用者本人產生的靜電放電和非接觸的烙鐵等。為了抑制來自外部信號源的瞬變過程，LD 的電源應加入 AC 線路濾波器和屏蔽的隔離變壓器。濾波器可以阻攔由於閃光或工業負載開關引起的線路電湧，隔離變壓器可以抑制高壓線路瞬變過程。為了防止儀表啓動的瞬變過程，應使用慢的啓動電路，啓動時間大於 100ms。 ^[1] 

在正常條件下使用的半導體激光器有很長的工作壽命，然而，在不適當的工作或存放條件下，會造成性能的急劇惡化乃至失效。而半導體激光器突然失效，大多是由於浪湧擊穿。浪湧是一種突發性的瞬態電脈衝，使半導體激光器瞬時承受過電壓而使PN結擊穿。在瞬態過電壓下的正向過電流所產生的光功率可以使解理面損傷。即使在數納秒的時間內超過半導體激光器最大允許電流也會使其破壞或受損。產生浪湧的原因是多方面的，根據浪湧的強度和持續時間上的差異，其對半導體激光器產生的影響和表現形式也不盡相同。所以在設計電路時要採取防止浪湧的措施。 ^[1] 

半導體激光器驅動電源在沒有慢啓動措施的情況下接通或斷開電路時，會在電路中形成一個過渡過程，即在開啓時，驅動電流出現幅度很大的過沖，隨後經過過渡過程才趨於穩定。這種驅動電流的過沖易使 PN 結遭電擊穿，解理面遭光損傷或破壞。即使浪湧的強度或持續時間不致於在第一次開啓電源時使激光器產生完全的失效，但在多次浪湧的衝擊下也會加速半導體激光器性能的退化和最後失效。因此半導體激光器的驅動電源應採取慢啓動措施。 ^[1]