激光的产生是一个放大的过程。在这个过程中受激发射所占的比例远大于自发辐射。当增益存在的条件下,受激发射所产生的光子继续诱发受激发射,使受激发射光不断增强。当然最初诱发受激发射的光子源于自发发射。对于激光波长,流出光纤激光介质的光子流要大于进入这段光纤的光子流,即实现了光放大。

为了能产生激光,必须满足一定的条件。第一个条件是粒子数反转。仅当处于激光上能级的粒子数超过处于激光下能级的粒子数时才能使介质发生受激发射,从而产生增益。粒子数反转的要求同时也引出了第二个条件,即粒子数反转形成的过程要借助于光子能量较高的光源进行抽运,而且要求参与激光工作的能级超过两个。首先必须通过抽运将电子激发到高于激光工作上能级的某个能级上,也就是说,抽运光的频率要大于激光频率。开发研制的光纤激光器主要采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质,当采用合适的抽运源进行抽运时,由于光纤激光器中光纤纤芯很细,在抽运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"粒子数反转"。

光纤激光器的腔形可以有多种选择。一种最常见的激光谐振腔-法布里一拍罗腔,它是将增益介质置于两片反射镱之间构成的。在光纤激光器中,腔镱经常对接祸合到光纤端面,以避免衍射损耗。该腔损耗非常小,然而,这种腔的调整较为困难,光纤端面或腔镱稍微倾斜,就会使损耗急剧增加,允许的倾斜度小于1。这个问题可以通过将介质膜直接镀到掺杂光纤的研磨抛光端面上得到解决。由于介质膜对光纤端面的缺陷极为敏感,而且抽运光也经由同一腔镱入射,所以当抽运光经过聚焦且功率较高时就会损坏介质膜。

光纤激光器的关键技术:(1)高功率半导体光纤祸合输出模块:稳定,长寿命,小体积,无需复杂水冷系统的高功率半导体激光器光纤模块的实现;(2)光纤融合技术:将多根多模光纤同有源光纤融合在一起,而将抽运光几乎无损耗的传入有源光纤内包层中,这种光纤几何熔接技术使得光纤模块的输出能量在百瓦量级,同时消除了半导体激光阵列集成模块的散热问题;(3)光纤光栅技术:在光纤上制作反射型光纤光栅双包层光纤激光器。在高功率情况下具有长时间稳定性能的光纤光栅制作,对于实现简便紧凑的高功率双包层光纤激光器产品具有非常重要的意义。目前国内从事光栅技术的研究单位正在开展此类的研究工作,而国际上对于光栅制作技术也相对比较成熟。如工GP的光纤激光器中的光栅可以满足百瓦级的功率传输。掺镱双包层光纤激光器理论及实验研究

2.3Yb+3的光谱特性

稀土元素之一的Yb+3离子,长期以来最重要的应用只是作为敏化离子(也就是激光激活离子)与其他稀土元素离子共同掺杂,Yb+3离子吸收抽运光子的能量后,把能量传递给他受主离子,如E、H等,Yb+3离子并不直接发生能级跃迁产生激光,而仅仅作为一个能量传递工具。掺Yb+3光纤激光的特性和发展从八十年代中后期开始,Yb+3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。

yb+3离子在掺入石英等基质材料后,其能级发生变化,从而其吸收和发射光谱也要发生很大变化。通常由于基质材料中电场的非均匀分布的影响引起Yb+3能级的stkar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Yb+3能级加宽。第一种是声子加宽,当两个能级之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。第二种加宽机制来源于基质电场对能级的微扰,掺Yb+3材料只包含有两个多重态,基态2F7几(含有4个Stark能级)和一个分离的激发多重态"FS/:(含有3个Stark能级,在基态以上10000c/m的位置),因此抽运光波长处和信号波长处都不存在激发态吸收(由此因起抽运效率降低);大的能级间隔(2F5/:和2F72/)也阻碍了多光子非辐射弛豫及浓度淬灭现象的发生。上面几种因素引起的抽运转换效率的降低也会引起激光介质热效应增加的问题(Yb+3:AYG的热效应比Nb3+:YAG小三倍)。掺Yb+3石英光纤的吸收和发射谱带很宽。