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MOPA结构脉冲光纤激光器输出特性的实验研究陈圳;任海兰【摘要】A two-stage optical amplification system is constructed by using double-clad Yb-doped fiber as the gain medium and multi-mode continuous pumped laser diode as the pump source.The circuit-direct modulated semiconductor laser is used as seed source to develop Master-Oscillator Power-Amplified (MOPA)fiberized pulsed fiber lasers.The output power character-istics of the fiber laser and gain characteristics of the secondary amplifier under different pulse width and repetition frequency are studied experimentally.A pulsed laser output with central wavelength of 1.06μm,peak power of 10.4 kW and maximum average power of 21 .3 W is obtained by adj usting the seed source under the condition that the primary pumped power is 2 W and secondary pumped power is 31 W.The maximum gain can reach 16.7 dB at 900 kHz repetition frequency.The experimen-tal results show that the pulse width and repetition frequency are positively correlated with the laser output power.At high rep-etition frequency,the gain characteristics of optical amplifier are positively correlated with the pulse width.%采用双包层掺镱光纤作为增益介质,多模连续泵浦激光二极管作为泵浦源,构造了两级光放大系统;采用电路直接调制的半导体激光器作为种子源,研制了主振荡功率放大结构全光纤化脉冲光纤激光器.对不同脉冲宽度、重复频率下的激光器输出功率特性和二级放大器的增益特性进行了实验研究.在一级泵浦光功率为2 W、二级泵浦光功率为31 W的条件下,通过对种子源直接调制,得到了中心波长为1.06μm、峰值功率为10.4 kW、最大平均功率为21.3 W的脉冲激光输出.在900 kHz重复频率下具有最高增益16.7 dB.实验结果表明,脉冲宽度和重复频率与激光输出功率呈正相关;在高重复频率下,光放大器增益特性与脉冲宽度呈负相关.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】4页(P52-54,72)【关键词】光纤激光器;主振荡功率放大;脉冲激光;级联放大器【作者】陈圳;任海兰【作者单位】武汉邮电科学研究院,武汉 430074;武汉邮电科学研究院,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN2560 引言光纤激光器因具有光束质量高、成本低、转换效率高、稳定性好、体积小、兼容性强、寿命长和散热快等优点而备受关注。
什么是光纤激光器——激光英才网光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。
光纤激光器的类型按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：1．晶体光纤激光器。
工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG单晶光纤激光器等。
2．非线性光学型光纤激光器。
主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。
3．稀土类掺杂光纤激光器。
光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。
4．塑料光纤激光器。
向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。
光纤激光器的优势光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有以下优势：（1）玻璃光纤制造成本低、技术成熟及其光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势。
（2）玻璃光纤对入射泵浦光不需要像晶体那样的严格的相位匹配，这是由于玻璃基质Stark 分裂引起的非均匀展宽造成吸收带较宽的缘故。
（3）玻璃材料具有极低的体积面积比，散热快、损耗低，所以上转换效率较高，激光阈值低。
（4）输出激光波长多：这是因为稀土离子能级非常丰富及其稀土离子种类之多。
（5）可调谐性：由于稀土离子能级宽和玻璃光纤的荧光谱较宽。
（6）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点，这是传统激光器无法比拟的。
（7）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用，使机械系统的设计变得非常简单。
（8）胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度。
（9）不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷。
（10）高的电光效率：综合电光效率高达20%以上，大幅度节约工作时的耗电，节约运行成本。
（11）高功率,目前商用化的光纤激光器是六千瓦。
绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术研究摘要：近年来，随着我国经济的高速发展和科技的进步，光电器件与材料相关领域的研发不断取得新进展，性能得到明显强化，在各大领域得到广泛应用。
为进一步提高半导体激光功率，可以采用激光器单管合束及光纤耦合技术。
基于此，分析研究绿光半导体激光器单管合束及光纤耦合技术，对提高仪器总功率以及将其应用于更多领域有重要的现实意义。
关键词：绿光半导体激光器；单管合束；光纤耦合前言：利用合束技术可以使多个半导体激光器在光纤中进行耦合，由此形成半导体激光器的光学器件，保证激光的输出功率，提高激光束的质量。
目前，国内外已广泛使用多种红外波段的半导体激光器，广泛用于彩色显示、激光印刷、高密度光盘存储等领域，但目前对于可见光波段激光耦合模块尤其是绿光波段的研究还很少，因此，对绿光高功率半导体激光器光纤耦合模块进行深入研究，是当前光电器件与材料相关领域研发重点之一。
1半导体激光器光纤耦合模块研究半导体激光器技术已经相对成熟，由于其具有光束不均匀性、单元功率低等特点，在一定程度上限制其应用领域。
为保证半导体激光器的功率输出，需要对激光器进行多层叠加，这会一定程度上限制光束质量。
随着半导体耦合技术的不断发展和进步，通过使用半导体激光器进行合束，可以有效提升光束的质量，实现激光远距离柔性传输。
最早的光纤是20世纪50年代研制出来的，后来被人们逐渐推广使用。
在20世纪70年代，就有国外公司利用化学气相沉积法得到了损耗较低的光纤，随着半导体激光器的迅速发展和光纤耦合技术的发展，人们对不同类型的半导体激光器进行了大量的研究，并取得了大量的成果。
2半导体激光器非相干合束技术目前，半导体激光器的合束技术方法有两种：相干合束和非相干合束。
半导体激光器利用光束准直技术和聚焦耦合技术，使多个光束单元的耦合成为可能。
在相干合束技术的应用中，采用了相位控制方法，使激光阵列各发光元件产生同一波长的光束，从而达到相干合束。
半导体激光器件中的慢光效应与光纤传输性能研究引言：半导体激光器件在光通信和光电子技术等领域具有广泛的应用。
在半导体激光器件的研究中，慢光效应和光纤传输性能是两个重要的研究方向。
本文将重点探讨半导体激光器件中的慢光效应以及其对光纤传输性能的影响。
一、慢光效应的基本概念与原理慢光效应是指当光在介质中传播时速度显著减慢的现象。
慢光效应的产生与介质中的折射率与频率有关。
在半导体材料中，电子与光场相互作用会导致折射率发生变化，从而引起慢光效应。
慢光效应的原理可以通过介质中的色散与传播模式之间的相互作用来解释。
色散是指折射率随频率的变化。
在介质中，光的传播速度与折射率有关，而折射率又与频率有关。
当折射率随频率变化较大时，光的速度会显著减慢，从而产生慢光效应。
二、慢光效应在半导体激光器件中的应用慢光效应在半导体激光器件中具有重要的应用意义。
首先，慢光效应可以增加相干相位噪声对激光器的抑制能力。
激光器产生的相位噪声会对光信号的传输性能产生不利影响。
通过慢光效应，可以增加相干相位噪声与信号传输之间的差距，从而提高激光器的抑制能力。
其次，慢光效应还可以用于增强器件的非线性效应。
在半导体激光器件中，非线性效应可以通过改变慢光效应的强度来实现。
通过调节激光器件中的慢光效应，可以更好地控制非线性效应，从而优化器件的性能。
此外，慢光效应还可以用于改善光纤通信系统的性能。
慢光效应可以延长光信号在光纤中的传播时间，减小信号传输过程中的损耗和失真。
因此，在光纤通信系统中引入慢光效应可以提高光信号的传输质量和传输距离。
三、光纤传输性能中的慢光效应分析1. 信号传输质量的改善慢光效应的引入可以降低光信号的带宽需求，从而提高信号传输质量。
慢光效应将导致信号的传播速度减慢，使得信号在传输过程中更加稳定。
这种稳定性可以减小信号的失真，提高系统的误码率性能。
2. 传输距离的延长慢光效应可以延长光信号在光纤中的传播时间，从而增加传输距离。
在传统的光纤通信系统中，信号传输距离受到光纤损耗和色散的影响。
激光定向能量沉积技术的研究现状与应用进展目录一、内容综述 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状概述 (4)二、激光定向能量沉积技术基本原理 (5)2.1 激光器工作原理 (6)2.2 沉积材料特性 (7)2.3 激光与材料的相互作用机制 (9)三、激光定向能量沉积技术的工艺特点与优化 (10)3.1 工艺特点 (12)3.2 关键参数及其影响 (13)3.3 技术优化方法与进展 (14)四、激光定向能量沉积技术的应用领域 (15)4.1 航空航天领域 (16)4.2 生物医学领域 (17)4.3 建筑材料领域 (18)4.4 其他领域的应用与探索 (20)五、激光定向能量沉积技术的发展趋势与挑战 (21)5.1 发展趋势 (23)5.2 面临的挑战 (24)5.3 未来发展方向与创新重点 (26)六、案例分析 (27)6.1 激光定向能量沉积技术在某型号飞机发动机叶片制造中的应用28 6.2 在生物组织工程中的临床应用案例 (29)6.3 在建筑结构加固中的实际应用案例 (30)七、结论与展望 (32)7.1 研究成果总结 (34)7.2 对未来发展的展望 (35)一、内容综述激光定向能量沉积技术（Laserbased Directed Energy Deposition, LDED）是近年来快速成型和增材制造领域的重要研究方向之一。
该技术利用高能激光束将材料（如金属粉末、聚合物等）局部熔化并逐层堆积，以构建出三维实体零件或结构。
激光定向能量沉积技术凭借其独特的工艺优势，在航空航天、汽车制造、生物医疗等领域得到了广泛的应用关注。
激光定向能量沉积技术的研究现状呈现出蓬勃发展的态势，随着激光技术的不断进步，激光器的功率和光束质量得到了显著提升，使得对材料的处理能力增强，沉积效率显著提高。
与计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）系统的紧密结合，使得复杂结构的构建变得更加精确和便捷。
超快光谱技术的研究进展及应用超快光谱技术是利用超快激光脉冲进行实验研究，探测原子、分子、晶体等物质中的电子、键、振动等激发态瞬态过程的一种技术。
这种技术具有时间分辨率高、空间分辨率高、能量分辨率高的特点，因此在物理、化学、生物、材料科学等领域中有广泛应用。
本文主要介绍超快光谱技术的研究进展及应用。
1. 超快激光脉冲的产生超快激光脉冲是超快光谱技术的基础，它的产生需要一定的条件。
目前，实验室中产生超快激光脉冲的主要方式有两种：一种是非线性光学晶体的利用，通过经典的非线性光学效应，将连续波激光转换为超快脉冲激光；另一种是利用飞秒级别的光纤激光器，实现直接产生超快脉冲激光。
2. 超快光谱技术的应用2.1 化学反应研究超快光谱技术在化学反应的研究方面应用广泛，可以探测反应的瞬态过程，包括反应初态、中间态和过渡态等，研究反应的能量转换和动力学过程，从而揭示反应的机理。
例如，利用超快光谱技术可以研究化学反应中的光诱导过程，例如光反应、光解离等，可以探测光诱导过程中化学键的断裂、化学键形成等原子和分子的瞬态状态。
2.2 生物分子研究超快光谱技术在生物分子的研究中也具有很大的应用潜力。
生物分子的结构和功能都与分子内的振动、转动、弛豫过程密切相关，超快光谱技术可以探测生物分子中的振动、电荷转移、电子自旋共振等瞬态过程，从而研究生物分子的结构和功能。
2.3 材料科学研究超快光谱技术在材料科学研究中也有广泛应用。
例如，利用超快光谱技术可以探测材料中的激子、激发态、载流子等瞬态过程，从而研究材料的电学性质、光学性质等，可以为材料的设计和开发提供指导。
总之，随着超快光谱技术的不断发展，它在物理、化学、生物、材料科学等领域中的应用将不断拓展和深化。
超快光谱技术的研究进展及应用将不断推动科技的进步和发展。
２００６年第８期中文核心期刊光纤激光器技术及其研究进展
武建芬，陈根祥（北京交通大学光波所，北京１０００４４）
摘要：
简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特
点，并对几种具有良好应用前景的热门光纤激光器的结构、原理和工作特性进行了较详细介绍，最后对未来光纤激光器技术的发展和应用前景作了展望。关键词：
双包层光纤激光器；多波长光纤激光器；锁模
光纤激光器中图分类号：ＴＮ２４８文献标志码：Ａ
１引言由于光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势，近年来受到了来自电子信息、工业加工和国防科技等研究开发领域的高度关注。符合光纤激光器发展需要的各种光纤结构、光纤材料特别是各种稀土掺杂光纤材料和新的激光泵浦技术均得到了快速的发展，极大地推动了光纤激光器技术的进步［１］。特别是２０世纪９０年代后期，随着半导体激光器及掺杂光纤制作技术的日益成熟，光纤激光器的研究取得了重大进展。输出功率、波长调谐范围等性能得到了显著提高。由于具有与光纤系统完全匹配的独特优点，光纤激光器可以方便地应用于各种光纤通信和光纤传感系统，尤其是可实现稳定多波长激光输出的光纤激光器非常适合应用于密集波分复用（ＤＷＤＭ）光纤系统。目前国内外对于光纤激光器的研究方向和热点主要集中在高功率光纤激光器、高功率光子晶体光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器、超短脉冲光纤激光器、拉曼光纤激光器等几个方面。本文简要介绍了光纤激光器的基本原理、分类及特点，并就几种主要的光纤激光器技术较详细地介绍了其工作原理及国内外近几年的新发展，最后对未来光纤激光器的发展和应用前景进行了分析与展望。２光纤激光器的基本原理、分类及特点２．１光纤激光器的基本原理和传统的固体、气体激光器一样，光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器（ＬＤ），增益介质为稀土掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。泵浦光经适当的光学系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射。
所产生的自发辐射光经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。
２．２光纤激光器的分类光纤激光器种类很多，根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可以有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况，其分类方
式和相应的激光器类型主要有以下几种：
（１）按增益介质分类稀土离子掺杂光纤激光器
（Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｙｂ３＋、Ｔｍ３＋等，基质可以是石英玻璃、氟化锆
玻璃、单晶），非线性效应光纤激光器（利用光纤中的
ＳＲＳ、ＳＢＳ非线性效应产生波长可调谐的激光）。
在光纤
中掺入不同的稀土离子，并采用适当的泵浦技术，即可获得不同波段的激光输出。
（２）按谐振腔结构分类Ｆ－Ｐ腔、环形腔、环路反
射器光纤谐振腔以及＂８＂字形腔、ＤＢＲ光纤激光器
、
ＤＦＢ光纤激光器。
（３）按光纤结构分类单和双包层光纤激光器
、
光子晶体光纤激光器、特种光纤激光器。
（４）按输出激光类型分类连续光纤激光器，超
短脉冲光纤激光器、大功率光纤激光器。
（５）按输出波长分类Ｓ－波段（１４６０￣１５３０ｎｍ）、Ｃ－
波段（１５３０￣１５６５ｎｍ）、Ｌ－波段（１５６５￣１６１０ｎｍ），可调谐单波长激光器，可调谐多波长激光器。
２．３光纤激光器的显著特点由于光纤激光器在增益介质和器件结构等方面的特点，与传统的激光技术相比，光纤激光器在很多
方面显示出独特的优点。这些优点可以归纳为以下几个主要的方面［２，３］
：
收稿日期：２００６－０５－１１。
基金项目：北京交通大学科技基金（２００５ＳＺ００４）项目资助；国家自然科学基金（６０５７７０２１；６０４３７０１０）项目资助。
作者简介：武建芬（１９７５－），男，研究生，主要研究方向为光电子器件、光纤传感和光纤激光器。
光器件!"#光通信技术２００６年第８期
（１）较高的泵浦效率。通过对掺杂光纤的结构、掺杂浓度和泵浦光强度和泵浦方式的适当设计，可以使激光器的泵浦效率得到显著提高。例如采用双包层光纤结构，使用低亮度、廉价的多模ＬＤ泵浦光源即可实
现超过６０％的光光转换效率
。
（２）易于获得高光束质量的千瓦甚至兆瓦级超大功率激光输出。光纤激光器表面积／体积比大，其工作物质的热负荷小，易于散热和冷却。
（３）易实现单模、单频运转和超短脉冲（ｆｓ级）。（４）工作物质为柔性介质，使得激光器的腔结构设计、整机封装和使用均十分方便。
（５）激光器可在很宽光谱范围内（４５５～３５００ｎｍ）设计与运行，应用范围广泛。
（６）与现有通信光纤匹配，易于耦合，可方便地应用于光纤通信和传感系统。
上述特点使得光纤激光器在很多应用领域与传统的固体或气体激光器相比显示出明显的独特优势。
３光纤激光器技术的重要进展３．１大功率双包层光纤激光器大功率光纤激光器在空间激光通信、工业加工、
医疗、国防上有广泛而重要的应用价值。为了提高光纤激光器的输出功率，就要想办法提高泵浦抽运光的
吸收效率，双包层掺杂光纤就是出于这样目的而设计的。双包层光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层四个层次组成。内包层的作用：一是包绕纤芯，将激光辐射
限制在纤芯内；二是将泵浦光耦合到内包层，使之在内包层和外包层之间来回反射，多次穿过单模纤芯而被其吸收；为了使泵浦抽运光多次穿过纤芯以便使其被充分吸收，人们在纤芯内包层的结构上进行了研究，发展了多种增加泵浦抽运光吸收率的内包层纤芯
结构形式［２］
。
为了进一步有效地将泵浦光耦合进纤芯，出现了一些新的方法。最近韩国汉城大学的ＳｅｕｎｇｉｎＢａｅｋ等报道了采用长周期光纤光栅进行包层泵浦耦合吸收泵浦抽运光的实验［４］
，他们采用一根５ｃｍ长、
周期
１８０ｕｍ的长周期光纤光栅将从端面入射到内包层的泵浦光耦合到纤芯，使掺镱包层泵浦激光器的泵浦吸收率增加３５％，最大输出功率在同样的２０Ｗ泵浦源泵浦
情况下最大增加可达５５％，其实验装置如图１所示。
来自泵浦二极管堆（ｄｉｏｄｅｓｔａｃｋ）的泵浦光经准直透镜
（ｌｅｎｓ）和二项色性镜（ｄｉｃｈｒｏｉｃｓｍｉｒｒｏｒ）后进入ＳＭＦ（单模光纤），该单模光纤已经去掉了包层护膜，并在其中制
作了符合耦合要求的长周期光纤光栅（ＬＰＦＧ）
，
以使泵
浦光能进入包层并充分耦合进纤芯，从而使泵浦光的
吸收效率得到提高。
３．２超快锁模光纤激光器如果光纤激光器在增益带宽内存在大量纵模运转，当各纵模频率间隔相同且相邻纵模间相位差为常数时即可获得锁模激光脉冲输出。根据锁模方式不同，可分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光
器。由于主动锁模调制能力有限，限制了锁模脉冲的宽度，脉冲宽度通常为ｐｓ量级。被动锁模或自锁模光纤激光器是利用光纤或其它元件中的非线性光学效应实现锁模的，激光器结构简单，在一定条件下不需
要插入任何调制元件就可以实现自启动锁模工作［５］
。
最近Ａ．Ｐｏｌｙｎｋｉｎ和Ｐ．Ｐｏｌｙｎｋｉｎ，报道了一种新的被动锁模超短腔高平均功率ｐｓ级短脉冲光纤激光器［６］
，
图
２是其实验装置原理图。一根８ｃｍ长的重掺杂（铒，镱）磷酸盐玻璃光纤被用作增益介质，功率可调的９７５ｎｍ
激光二极管泵浦光源从端面给增益光纤提供泵浦光，
在普通单模光纤（ＳＭＦ２８）上写入的光纤布拉格光栅被用作光反馈和激光输出端口。其中，光栅反射谱的半最大值全宽（ＦＷＨＭ）为１．５ｎｍ，反射率１５％。半导体饱和吸收镜（ＳＥＳＡＭ）作为非线性光学元件实现光学被动
锁模。整个设备总长１８ｃｍ
。
试验获得了稳定的重复率
５５０ＭＨｚ．的脉冲激光输出（平均输出功率５００～７７５ｍＷ）。在最大平均输出功率情况下（７７５ｍＷ）测量得到的输出激光脉冲光谱的半最大值全宽（ＦＷＨＭ）为０．３７
ｎｍ，非线性自相关曲线的半最大值全宽为１７ｐｓ。
３．３拉曼光纤激光器
图１实验装置原理图（二项色性镜在泵浦波长上反射率高，在信号波长上透射率高）
图２短腔被动锁模光线激光器原理图
武建芬，等：光纤激光器技术及其研究进展
光器件
!"#光通信技术
