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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标题: ( 8 )掺Yb3+光纤激光器及放大器
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 10 13:54:11 2003) , 转信

掺Yb3+光纤激光器及放大器
刘东峰 　陈国夫　王贤华/阮　灵
摘　要　介绍掺Yb3+光纤激光器及放大器的原理、研究进展及发展潜力。并对掺Yb3
+光纤的超短脉冲激光及其放大技术做一介绍。文中还介绍了我们研制的掺Yb3+石英
单模光纤。
关键词　光纤激光器，光纤放大器，超短光脉冲，超快光学技术。
Yb3+-Doped Fiber Lasers and Amplifiers
Abstract　This paper presents the principle and progress and potentiality
of Ytterbium-doped fiber laser and amplifier. The ultrashort optical puls
es generation and its amplification based on Yb3+-doped fiber is presented
. The characteristics of
Yb3+-doped single mode silicate fiber made by ourself is presented in thi
s paper.
Keywords　fiber laser, fiber amplifier, ultrashort optical pulses, ultraf
ast optics.
1　引　言
　　Yb3+离子可掺入固体或石英光纤材料中，作为激光增益介质，或与其它稀土元
素共掺杂作为能量传递介质。长期以来Yb3+离子最重要的应用只是作为一种溟化离子(
也就是激光激活离子)与其它稀土元素离子共同掺杂，Yb3+离子吸收泵浦光子的能量
后，把能量传递给其它受主离子，如Er
3+、Ho3+等，Yb3+离子并不直接发生能级跃迁而产生激光，而仅仅只是作为一个能
量传递工具。
2　掺Yb3+光纤激光的特性和发展
　　从八十年代中后期开始，Yb3+离子掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光介
质开始受到人们的重视，并取得了很多进展。对Yb3+离子激光的兴趣主要是由于以下
几个方面的原因：(1)Yb3+离子的能级结构非常简单。图1是一个掺Yb3+光纤中Yb3+离
子的能级结构图。Yb3+离子在掺入石英
等基质
图1　Yb3+的能级结构图［7］
材料后，其能级发生变化，从而其吸收和发射光谱也要发生很大的变化。通常由于
基质材料中电场的非均匀分布的影响引起Yb3+能级的Stark分裂，消除了原来存在的能
级简并，从而相应的吸收和发射光谱将出现精细结构。另外一个因素就是Yb3+能级加
宽。第一种是声子加宽，当两个能级
间发生跃迁时将发生某种形式的能量交换，包括声子的产生和湮灭。在给定的温度下，
存在一个声子能量的分布，从而将引起吸收和发射的波长扩展；第二种加宽机
来源于基质电场对能级的微扰。掺Yb3+只包含有两个多重态，基态 2 F7/2(含有4个S
tark能级)和一个分离的激发多重态
2 F5/2(含有三个Stark能级，在基态以上10000/cm的位置)，因此在泵浦波长处和信
号波长处都不存在激发态吸收(由此引起泵浦效率降低)；大的能级间隔( 2 F5/2和 2
F7/2)也阻碍了多光子非辐射弛豫及浓度碎灭现象的发生。上面几种因素引起的泵浦
转换效率的降低也会引起激光介质热效应增加的问题(Yb3+∶YAG的热效应比Nb3+∶YA
后，把能量传递给其它受主离子，如Er
3+、Ho3+等，Yb3+离子并不直接发生能级跃迁而产生激光，而仅仅只是作为一个能
量传递工具。
2　掺Yb3+光纤激光的特性和发展
　　从八十年代中后期开始，Yb3+离子掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光介
质开始受到人们的重视，并取得了很多进展。对Yb3+离子激光的兴趣主要是由于以下
几个方面的原因：(1)Yb3+离子的能级结构非常简单。图1是一个掺Yb3+光纤中Yb3+离
子的能级结构图。Yb3+离子在掺入石英
等基质
图1　Yb3+的能级结构图［7］
材料后，其能级发生变化，从而其吸收和发射光谱也要发生很大的变化。通常由于
基质材料中电场的非均匀分布的影响引起Yb3+能级的Stark分裂，消除了原来存在的能
级简并，从而相应的吸收和发射光谱将出现精细结构。另外一个因素就是Yb3+能级加
宽。第一种是声子加宽，当两个能级
间发生跃迁时将发生某种形式的能量交换，包括声子的产生和湮灭。在给定的温度下，
存在一个声子能量的分布，从而将引起吸收和发射的波长扩展；第二种加宽机
来源于基质电场对能级的微扰。掺Yb3+只包含有两个多重态，基态 2 F7/2(含有4个S
tark能级)和一个分离的激发多重态
2 F5/2(含有三个Stark能级，在基态以上10000/cm的位置)，因此在泵浦波长处和信
号波长处都不存在激发态吸收(由此引起泵浦效率降低)；大的能级间隔( 2 F5/2和 2
F7/2)也阻碍了多光子非辐射弛豫及浓度碎灭现象的发生。上面几种因素引起的泵浦
转换效率的降低也会引起激光介质热效应增加的问题(Yb3+∶YAG的热效应比Nb3+∶YA
G小三倍)。(2)掺Yb3+石英光纤的吸收和发射谱带很宽。图2是一个掺Yb3+光纤中Yb3+
离子的吸收和发射截面图。在石英基
手校琘b3+离子有两个吸收峰910和940nm，具有潜在的从980～1160nm激光发射谱段
。对短波辐射跃迁，Yb3+能级系统是一个三能级系统；而对长波辐射跃迁，掺Yb3+系
统是一个四能级系统。掺Yb3+光纤系统中特别是在磷酸盐基质中，很宽的吸收谱带可
以使泵浦光源的选择具有更多的灵活性
；而宽的发射谱带使得可以通过腔镜的选择得到很宽调谐波长范围和超短光脉冲的
激光输出。
图2　掺Yb3+石英(掺锗)光纤的吸收和发射截面图［7］
　　对掺Yb3+光纤激光器，由于其具有很宽的吸收光谱带，可供选择的泵浦激光器
主要有AlGaAs、InGaAs半导体激光器、钛蓝宝石固体激光器、Nb3+∶YAG激光器和Nb
3+∶YLF激光器等。这些激光器随着工艺的成熟、价格降低而输出光功率又越来越高(
特别是半导体激光器)，这给掺Yb3+光
纤激光器和放大器的大功率化提供了先决条件，这也是引发人们对掺Yb3+光纤激光
重新发生兴趣的一个十分重要的原因。
　　随着高性能泵浦光源的完善和人们对掺Yb3+光纤潜在的优势的认识，对掺Yb3+
光纤的研究开展的也越来越多。1987年，D.C.Hanna等［1］在掺Yb3+光纤激光器中得
到从1.01到1.162nm的调谐激光输出，同时在1.12μm实现了激光输出。1994年H.M.Pas
k等首先在掺Yb3+石英光纤中实现覆层
泵浦，得到了80%的光转换效率，实验中得到了最大0.5W的1040nm激光输出。H.M.Pa
sk［2］等采取的掺Yb3+光纤结构与普通掺Yb3+光纤不同，在4.25μm掺Yb3+的纤芯外
又形成了一个直径为12.75μm外芯(也称为内Cladding)，这样内纤芯对信号光而言是
单模，而外芯对泵浦光而言是多模，这样大大增加了泵浦光的接受面积，使得更大功
率的泵浦光可以进入光纤内，从而得到更大功率的信号光。双覆层光纤结构的出现对
大功率光纤激光器和放大器来说是一个具有重大意义的技术突破，它对光纤激光摆脱
通常人们认为是小功率器件的印象是一个里程碑。1996年，在CLEO’96会议上美国
Polaroid公司报道了利用掺Yb3+的石英光纤在1.1μm波长得到高达35.5W功
率的连续激光输出［3］。其采用的泵浦激光功率为55.4W，光纤的纤芯直径为8μm，
数值孔径为0.1，纤芯覆层为一
图3　掺Yb3+覆泵浦结构光纤示意图
个矩形的170μm×330μm(也称为内覆层)，内覆层外是低折射率含氟聚合物构成的
外覆层，内覆层的数值孔径为0.45。图3是一个覆层泵浦掺Yb3+光纤结构示意图。
3　掺Yb3+光纤超快激光光源
　　随着人们对掺Yb3+光纤激光特性研究的深入，对掺Yb3+光纤在超短光脉冲产生
和高功率光纤放大方面的探索也在逐步开展。掺Yb3+光纤的饱和能流为Esat=0.3μJ/
μm2，对1.030μm波长，其上能级寿命870μs，损伤阈值为30J/cm2，在974nm处，其
发射截面为3.5pm2，而吸收截面为1.5p
m2，而在1.036μm处其发射截面为0.6pm2，而发射谱带宽在230nm以上，其带宽可支
持小于100fs以下的光脉冲宽度。1997年V.Caulaerts等［4］首次在掺Yb3+的石英光
纤中采用展宽脉冲锁模技术得到了脉宽为1.2ps而光谱带宽为32nm的激光振荡，经外光
纤压缩后得到了87fs的光脉冲输出。
采用腔内色散调谐技术也得到了从1.1～1.064μm稳定的5ps的输出［5］，图4是锁
模调谐皮秒掺Yb3+
图4　调谐PS掺Yb3+光纤激光器［5］
光纤的实验原理图。掺Yb3+光纤的宽带增益也使人们对把它作为一种优良的超短光
脉冲放大介质寄予很大的希望。1996年美国国家超快光学中心利用Yb3+的磷酸盐光纤
放大掺Ti3+宝石激光器产生的飞秒激光，得到了最高达10μJ的光脉冲［6］。采用掺Y
b3+覆层结构光纤人们已得到69μJ的
大结果。近年来，对利用掺Yb3+光纤超短光脉冲产生与放大技术已受到越来越多的
关注［7］。可以预计，以掺Yb3+光纤为放大介质的输出几十微焦甚至毫焦量级单脉
冲能量的放大系统将成为可能。
4　掺Yb3+光纤激光潜在的应用
　掺Yb3+光纤激光具有广泛的应用潜力。掺Yb3+光纤1020nm可以用来泵浦1.3μm
的光纤放大器和Pr3+∶ZBLAN的上转换可见光光纤激光器；1140nm激光可用来闷植鬞m
3+光纤产生上转换可见光激光或荧光光源；也可作为光参量振荡器与放大器的泵浦源
；还可以作为超连续谱产生的激光源
?.053μm处飞秒量级脉宽的掺Yb3+光纤激光还可作为超大功率固体超短光脉冲放大
器(如Nd3+∶Glass，等)的振荡级；而采用光纤光栅元件可构成具有极窄级宽的掺Yb3
+光纤激光输出，其调谐范围将很宽，应用将相当广泛。
　　国内对掺Yb3+光纤激光的研究刚起步。我们在国家“863”高技术青年科学基金
的资助下，利用国产原材料研制成功了掺Tm3+、
图5　掺Yb3+石英单模光纤吸收光谱图
Yb3+石英单模光纤，利用我们研制的掺Tm3+石英光纤在国内首次实现1.871μm的激
光振荡［8］。图(5)是掺Yb3+石英单模光纤的吸收光谱，从图中可看出，在0.95μm处
有一个强的吸收谱，最大吸收系数达4.6dB/m，吸收光谱半宽度超过100nm，数值孔径
分别为0.285和0.238，截止波长分别
?.05μm和1.1μm。掺Yb3+石英单模光纤的研制成功将为国内开展这方面的研究提
供条件。
注释：国家“863”高技术青年科学基金（863-410-95-19）、中科院西安光机所所
长基金、瞬态光学技术国家重点实验室开放基金资助项目
作者简介：刘东峰　1964年生，副研究员，1986毕业于哈尔滨工业大学光电子技术
专业，先后在中国科学院西安光学精密机械研究所获硕士、博士学位，现在瞬态光学
技术国家重点实验室从事超短激光脉冲的产生与放大技术和超快光学技术研究工作。
已发表论文二十余篇。
作者单位：中国科学院西安光机所，瞬态光学技术国家重点实验室，西安 710068/
信息产业部电子46所，天津 300220
参考文献
［1］　D.C.Hanna,R.M.Percival, I.R.Perry.et.al,“Yb3+-doped monomode fibe
r laser:broadly tunable operation from 1.01μm to 1.162μn and three level
operation at 974nm”, J.Modern. Optics,1987 Vol(37)P329～331,1987
［2］　H.M.Pask,J.L.Archambault,et.al. Operation of Cladding-pumped Y3+b-
doped silicate fiber lasers in 1μm region, Electron. Lett., 30(11)863,199
4
［3］　M.Muended, B.Engstrorn,et.al.35W cw single mode Ytterbium fiber la
ser at 1.1μm，CLEO'97, Posteadline paper CDP-30,1997
［4］　V.Cautaeerts, D.J.Richardson,et.al.Stretched Pulse Yb3+∶Silica fi
ber laser, Opt.Lett.,22, (5)316,1997.
［5］　J.Porta, A.B.Grudinin,et.al.Environmentally stable picosecond Ytte
rbium fiber laser with a broad tuning range, Opt.Lett.,1998.23(8)615.
［6］　D.T.Walton, J.Nees,et.al. G.Mourou, Broad-bandwidth pulse amplific
ation to 10μJ level in an Ytterbium-doped germanosilitate fiber, Opt.Lett
.,1996.21,(14)1061.
［7］　R.Paschotal, J.Nillson,at.al.Ytterbium-doped fiber amplifier, IEEE
J.Quantum. Electron.,1997.33(7)1049.
［8］　刘东峰，杜戈果等人，掺Tm3+石英单模光纤1.871μm激光产生的初步研究，

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