1 引言
光纖激光器于1963年發(fā)明，到20世紀(jì)80年代末第一批商用光纖激光器面市，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展歷程。光纖激光器被人們視為一種超高速光通信用放大器。光纖激光器技術(shù)在高速率大容量波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)、高精度光纖傳感技術(shù)和大功率激光等方面呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的技術(shù)優(yōu)勢。光纖激光器有很多獨特優(yōu)點，比如：激光閾值低、高增益、良好的散熱、可調(diào)諧參數(shù)多、寬的吸收和輻射以及與其他光纖設(shè)備兼容、體積小等。近年來光纖激光器的輸出功率得到迅速提高。已達(dá)到10—100 kW。作為工業(yè)用激光器,現(xiàn)已成為輸出功率最高的激光器。光纖激光器的技術(shù)研究受到世界各國的普遍重視，已成為國際學(xué)術(shù)界的熱門前沿研究課題。其應(yīng)用領(lǐng)域也已從目前最為成熟的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)方面迅速地向其他更為廣闊的激光應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。本文簡要介紹了光纖激光器的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類、特點及其研究進(jìn)展，最后對光纖激光器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
2 光纖激光器的結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1光纖激光器的結(jié)構(gòu)
和傳統(tǒng)的固體、氣體激光器一樣。光纖激光器基本也是由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔三個基本的要素組成。泵浦源一般采用高功率半導(dǎo)體激光器(LD)，增益介質(zhì)為稀土摻雜光纖或普通非線性光纖，諧振腔可以由光纖光柵等光學(xué)反饋元件構(gòu)成各種直線型諧振腔，也可以用耦合器構(gòu)成各種環(huán)形諧振腔泵浦光經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)耦合進(jìn)入增益光纖，增益光纖在吸收泵浦光后形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)或非線性增益并產(chǎn)生自發(fā)輻射所產(chǎn)生的自發(fā)輻射光經(jīng)受激放大和諧振腔的選模作用后．最終形成穩(wěn)定激光輸出。圖1為典型的光纖激光器的基本構(gòu)型。 增益介質(zhì)為摻稀土離子的光纖芯，摻雜光纖夾在2個仔細(xì)選擇的反射鏡之間．從而構(gòu)成F—P諧振器。泵浦光束從第1個反射鏡入射到稀土摻雜光纖中．激射輸出光從第2個反射鏡輸出來。
2.2 光纖激光器的工作原理
摻稀土元素的光纖放大器促進(jìn)了光纖激光器的發(fā)展，因為光纖放大器可以通過適當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)理形成光纖激光器。當(dāng)泵浦光通過光纖中的稀土離子時．就會被稀土離子所吸收。這時吸收光子能量的稀土原子電子就會激勵到較高激射能級，從而實現(xiàn)離子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的離子數(shù)就會以輻射形式從高能級轉(zhuǎn)移到基態(tài)，并且釋放出能量，完成受激輻射。從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的輻射方式有2種：自發(fā)輻射和受激輻射。其中，受激輻射是一種同頻率、同相位的輻射，可以形成相干性很好的激光。激光發(fā)射是受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自發(fā)輻射的物理過程，為了使這種過程持續(xù)發(fā)生，必須形成離子數(shù)反轉(zhuǎn)．因此要求參與過程的能級應(yīng)超過2個，同時還要有泵浦源提供能量。光纖激光器實際上也可以稱為波長轉(zhuǎn)換器．通過它可以將泵浦波長光轉(zhuǎn)換為所需的激射波長光。例如，摻鉺光纖激光器將980nm的泵浦光進(jìn)行泵浦，輸出1550nm的激光。激光的輸出可以是連續(xù)的，也可以是脈沖形式的。激光輸出是連續(xù)的還是脈沖輸出形式主要依賴于激光工作介質(zhì)．如果是連續(xù)形式輸出，激光上能級的自發(fā)發(fā)射壽命必須高于激光下能級以獲得較高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果是脈沖形式輸出．激光下能級的壽命就會超過上能級，此時就會以脈沖的形式輸出光纖激光器有2種激射狀態(tài)：三能級和四能級激射。
3 光纖激光器的分類
(1)按增益介質(zhì)分類 :稀土離子摻雜光纖激光器(Nd3+、Er3+．yb3+、Tm3+等，基質(zhì)可以是石英玻璃、氟化鋯玻璃、單晶)。非線性效應(yīng)光纖激光器(利用光纖中的SRS、SBS非線性效應(yīng)產(chǎn)生波長可調(diào)諧的激光)。在光纖中摻人不同的稀土離子，并采用適當(dāng)?shù)谋闷旨夹g(shù)，即可獲得不同波段的激光輸出。(2)按諧振腔結(jié)構(gòu)分類:F—P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及”8”字形腔、DBR光纖激光器、DFB光纖激光器(3)按光纖結(jié)構(gòu)分類: 單和雙包層光纖激光器、光子晶體光纖激光器、特種光纖激光器。(4)按輸出激光類型分類: 連續(xù)光纖激光器．超短脈沖光纖激光器、大功率光纖激光器。(5)按輸出波長分類:S一波段(1460～1530 nm)、C一波段(1530～1565 nm)、L一波段(1565～ 1610 nm)。
4 光纖激光器的特點
在激光振蕩中．將能量集中于諧振腔所選的駐波以產(chǎn)生相干光。在光技術(shù)中，只有光纖和波導(dǎo)能對光軸方向和橫模方向進(jìn)行三維模控制。在以單模光纖作增益介質(zhì)的光纖激光器中無競爭橫模，因此可進(jìn)行穩(wěn)定的激光振蕩。在由激光引起的熱損傷、受激喇曼散射和受激布里淵散射發(fā)生之前，如果沒有模的競爭，那么只要注入泵浦光，就能增大激光輸出功率。激光的增益和損耗比限制存儲于激光介質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)換效率。因光纖本身的損耗低，與其他激光器相比，具有超長(5—10 m以上)特征的光纖激光器的增益和損耗比大100倍一1000倍。因此，即使進(jìn)行模控制,也可將存儲能量幾乎無損耗地轉(zhuǎn)換成激光(光能)。實際上，光纖激光器的輸出功率與泵浦光成正比地線性增大，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85％。在950 nm波段激勵,在1080 nm波段振蕩的鐿量子效率為88％。由此可知，激光功率幾乎無損耗。例如，芯徑為40 m，長度為10 m，輸出功率為1.36 kW 的單模光纖激光器，其實際激光介質(zhì)的體積只不過為9 mm。這表明，尺寸為2 mmx2 mm~2．5 mm的微芯片激光器能產(chǎn)生1.36 kW的輸出功率。
