掺杂离子光纤激光器的吸收谱带和输出光谱特性取决于掺杂激活离子的能级结构,而Nd3+离子光纤的能级结构和固体激光器中常用的Nds+:YAG的能级结构略有差别,造成输出谱线也略有不同。为讨论方便我们首先分析一下激光振荡的几种类型:(a)四能级跃迁:激光跃迁的下能级不是增益介质基态,较易产生粒子数反转和激光振荡;(b)三能级跃迁:激光跃迁的下能级为增益介质基态,由于基态粒子数较多,较难产生粒子数反转和激光振荡。(c)准四能级跃迁:激光跃迁的下能级为增益介质基态产生斯塔克能级分裂效应的最上边的能级,与三能级相比一般产生振荡时其上能级粒子数不需要多于全部粒子数的一半,所以激光振荡的难易程度介于(a)、(b)之间。

1)Nds+:YAG的能级结构,它最主要的吸收谱带为810nm处,而掺Nd3+光纤的吸收谱带与其基本相同,所以都可采用输出波长为808nln的半导体激光器作为泵浦源。

对掺Nd3+:YAG的固体激光器较常见的输出波段为属于四能级跃迁的1064nm、1319nm波段和属于准四能级跃迁的946nm波段,它们共用一个上能级。由图2.1可见基态粒子在808nLIn波段泵浦光作用下,先跃迁到F5/2,然后迅速无辐射跃迁到亚稳态的激光上能级F3/2,最后跃迁到激光下能级。由于能级的斯塔克分裂,导致激光输出谱线存在很多条,其中激光上能级F3/2分裂为两个能级,激光下能级在I11/2,趁处分裂为6个能级,对应的输出谱线范围为1.052-1.1228um,在能级"19/2处分裂为5个能级,对应的输出谱线范围为569-946nm。

(2)掺Nd3+离子光纤的能级结构。可见其斯塔克分裂后的能级数和能级所对应的能量都与Nd3+:YAG不同,从而导致输出谱线范围略有区别,其中激光上能级F3/2虽然也分裂为两个能级,但能量发生了改变,而输出波段在1um附近的激光下能级I11/2分裂为2个能级,经计算得到其对应的输出谱线范围为1.047-1.095um,输出波段在0.9um附近的激光下能级I9/2分裂为4个能级,经计算得到其对应的输出谱线范围为907-938nm。实验中激光振荡输出的2088nm信号光是从11500cm到2260cm的跃迁。

其中1.06um波段的荧光相较0.9um、1.35um波段的荧光强很多,对于1.35um波段由于激发态吸收信号光效应较强,所以很难实现该波段的振荡输出,而800nm波段属于准四能级,可通过弯曲光纤或合理镀膜来抑制较易振荡的1.06um波段,同时分析发现该波段存在再吸收效应从而使得激光起振阂值增加,所以还需合理设计掺杂离子浓度。

20世纪60年代激光器的出现,受到人们广泛关注,目前固体激光器己经在各方面都比较成熟,而随后发展起来的光纤激光器则由于具有很多优点,例如散热效果好、体积小、可调谐、光束质量好、效率高、闭值低、可集成等而逐渐成为研究的热点。光纤激光器是在半导体泵浦源、光纤制造工艺等技术成熟的基础上发展起来的,其输出功率己不再局限于几瓦,而是上升到kw量级,并在焊接、印刷、打标、医疗、军事和通信等领域中得到广泛应用。目前光纤激光器输出波段在455nm-3500nm之间,其中用于产生绿光波段的掺Nd3+光纤激光器在国内不是很成熟,而绿光激光器又在数据存储、军事、医疗、印刷等领域有广泛应用。