摘要掺铥（Tm3+）光纤激光器的研究和应用最近几年来受到了国际科技界的广泛重视。

因为其成本低、易于制作等特点，而且工作波长对目前和将来的某些应用尤其重要，例如在光通信、医学、传感器和光谱学等领域。

本文共分五章：第一章介绍了光纤激光器的结构和工作原理等；第二章和第三章从不同的基质材料分别介绍了两种掺铥光纤激光器；第四章介绍了铥作为敏化剂的铥钬共掺的光纤激光器；第五章综合了近几年来掺铥光纤激光器的发展现状。

关键词：光纤激光器，频率上转换，铥，钬AbstractRecent years, people of worldwide pay attention to the research and application of Tm3+-doped fiber laser. Because of its low cost and easy manufacture, and the working wavelength is much more important in some areas now and in the future, such as optical fiber communication, medical science, the spectrum learns and so on.This paper includes five chapters. The first one introduces the structure and working reason. The second and third ones introduce the two kinds of Tm3+-doped fiber laser from different basic materials. The forth one introduces Tm:Ho-doped fiber laser. And the fifth one introduces the development of Tm3+-doped fiber laser in recent years.Keyword: fiber laser, frequency upconversion, Tm, Ho目录绪论 (4)第一章光纤激光器综述1.1 光纤激光器的基本结构和工作原理 (5)1.2 光纤激光器的优点 (9)第二章掺铥氟化物光纤激光器2.1 掺铥氟化锆光纤激光器 (11)2.2 掺铥氟化物上转换光纤激光器 (12)第三章掺铥石英光纤激光器3.1 掺铥石英单模光纤激光器 (18)3.2 掺铥石英光纤的频率上转换 (21)第四章铥钬共掺光纤激光器4.1 铥钬共掺包层泵浦石英光纤激光器 (28)4.2 高效率铥敏化的掺钬CW氟化物光纤激光器 (33)第五章掺铥光纤激光器的研究现状5.1 掺铥氟化物光纤激光器 (38)5.2掺铥石英光纤激光器 (41)5.3结束语 (42)参考文献 (43)绪论信息技术已成为经济发展、社会进步的关键。

现代通信网作为信息社会不可缺少的基础结构，世界各国都把它放在积极重要和优先的发展地位。

自光纤通信问世以来的短短一二十年间，其发展异常迅速。

激光器的发明对于光纤通信有着跨时代的意义。

掺稀土离子光纤激光器以其特有的简单、效率高、成本低、传输激光波长多、可调谐等特点正引起人们极大的兴趣。

光纤激光器是一种很有希望的便携式小型化激光光源，具有重要的应用价值。

掺铥（Tm3+）光纤激光器有很大的市场潜力。

由于它可提供其它稀土离子不能提供的波长在2μm左右的长波激光振荡，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。

而且其体积比其它的掺杂激光器要小得多，方便治疗和携带。

基本上能溶解各种肿块，可治疗多种疾病。

美国已批准20多种2μm激光在医疗临床使用。

而且其泵浦波长落在800nm区域内，同时具有很宽的增益谱带输出，2μm激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于ND:YAG 和CO2 激光器。

因此在光通信、医学、眼睛安全的近距离遥感技术、视觉、光谱学、超快光学及环保等方面都具有重要的应用价值。

正因为如此，掺铥光纤激光技术是一个越来越受到国际学术界重视的热门研究方向。

第一章光纤激光器综述在目前Si基光纤和未来的中红外光纤系统中，光纤激光器是潜力巨大的光有源器件。

光纤激光器按其激射机理可分为稀土掺杂光纤激光器、光纤非线性效应激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器，其中以稀土掺杂光纤激光器的开发最为成熟，并已应用于光纤通信系统。

1.1 光纤激光器的基本结构和工作原理1.1.1 基本结构稀土离子掺杂的光纤反射镜1：R=100%（对激射波长光）R=0%（对泵浦波长光）反射镜2：R<100%（对激射波长光）R=0%（对泵浦波长光）图1.1 光纤激光器的基本构形图1.1示出典型掺稀土离子光纤激光器的基本构形。

增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在两个仔细选择的反射镜之间，从而构成法布里-珀罗（F-P）谐振器。

泵浦光束从反射镜1入射到稀土离子掺杂光纤中，激射输出光从反射镜2输出来。

从某种意义上讲，光纤激光器实质上是一个波长转换器，即通过它将泵浦波长光转换为所需的激射波长光。

基本工作原理掺稀土离子光纤激光器的基本原理如下：当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激射能级，从而实现通常所说的粒子数反转。

反转后的粒子以辐射形式或非辐射形式从高能级转移到基态，前者就是通常所说的受激发射，后者为自发发射。

由于激射是一种放大过程，要维持受激发射的增益，首先必须保证有足够的反转的粒子数，泵浦是实现粒子数反转的必要条件。

泵浦由外部较高能量光源提供。

如果是两个能级参与激射，要维持受激发射增益还要求泵浦源能量高于较高能级的能量。

由于泵浦能量高于激射能级，所以激射的光子波长应比泵浦光子的波长要长，这一特点为光纤激光器的实用化提供十分有利的条件，即可以用廉价的、成熟的GaAs激光器作为泵浦光源，从光纤激光器获得各种波长的激射输出。

(a) 三能级系统 (b) 四能级系统图1.2 三能级和四能级系统能级图光纤激光器的工作状态（CW或脉冲输出）取决于激活的介质。

对连续波（CW）工作来说，较高激射能级的自发寿命必须大于较低激射能级的自发寿命。

光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，如图1.2所示。

两者差别在于较低能级所处的位置。

在三能级激光器中，较低能级基本上处于基态位置；而在四能级激光器中，有较低能级向基态跃迁的可能性。

通常情况下，三能级激射的阈值功率高于四能级激射的阈值功率，因此，总是希望选取四能级激射机构。

此外，激射的能级数直接影响激光器的阈值功率和掺杂光纤的长度。

在四能级激光器中，阈值功率随光纤长度增加而下降，想获得低的阈值功率，应增加光纤的长度。

而在三能级激射的激光器中，在最低阈值功率时有一个最佳的光纤长度。

为了更加清楚的了解光纤激光器的工作原理，必须对下面几个问题有所了解：1、稀土离子稀土离子是光纤激光器的核心，因为它决定着对光泵的吸收和激射光谱。

1D21G43F3F4μmμm3H5μm3H4μm3H6图Tm3+的能级图稀土元素是化学元素周期表倒数第二行的一组元素，共计15个元素，其范围从具有原子数57的镧（La）到具有原子束71的镥（Lu）。

所有的稀土原子都具有相同的5S25P66S2外层电子结构，占据内部4f 电子壳层的电子数的多少，支配着它们的光学特性。

稀土元素通常是给出一个三价态形式（如Er3+、Tm3+）发生离化。

Tm3+ 的能级如图1.3所示。

稀土离子在光纤中的浓度是十分重要的，浓度太低，可得到的离子数少，实现不了激射。

但浓度过高又易引起浓度猝灭，导致较高激射能级上粒子数的减少。

此外，浓度过高还会在玻璃矩阵中发生结晶。

实验表明，最佳的激射结果有一个最佳的掺杂浓度，对大多数SiO2光纤和氟锆酸盐光纤来说，掺杂的浓度一般在百万分之几百。

2、基质材料通常，玻璃是形成稀土掺杂光纤的基质材料。

基质材料是由共价结合的分子组成，形成无规则的网状矩阵。

稀土离子作为网状系统的调节剂存在或者填隙式地存在于玻璃网状物中。

尽管光纤激光器的光学特性主要受稀土离子的控制，但玻璃基质对光学特性也有着重要影响，这些影响包括由于基质原子间的结电场非均匀性分布引起的Stark 分裂，导致光谱呈现出结构分布。

另一个影响是由于基质电场不均匀性引起的能级扰动或由于声子增宽导致能级增宽。

已采用的基质材料是Si基质或基于氟化锆化合物玻璃组分基质，即通常所说的ZBLANP光纤，这种光纤不仅是制作光纤激光器的基质材料，也是理想的中红外传输光纤。

3、法布里-珀罗谐振腔如图1.1所示，光纤激光器的法布里-珀罗（F-P）谐振腔是由稀土掺杂的波导光纤和一对平行的透射、反射镜组成的，当泵浦光通过器件发射光束时，可获得较高的激射输出和较低的反射输出强度。

当腔长等于波长的1/2整倍数且谐振之间的频率间隔是自由光谱范围（FSR）时，谐振腔发生谐振。

典型光纤激光器的腔长在0.5～5m之间。

对四能级机构，可采用较长的光纤来降低激射阈值功率。

掺杂浓度为300ppm的三能级光纤激光器的最佳腔长为1m。

为使内腔的损耗降至最低，光纤激光器的光线中心轴线必须与反射镜面垂直，因此，必须仔细定位反射镜的位置。

如图1.1所示，光纤激光器有两个反射镜，一个是泵浦入射的反射镜，这个反射镜对泵浦光应有100%的透射，而对激射光应有100%的反射。

另一个反射镜是激射输出边的反射镜，为了将激射光耦合出来，该反射镜对激射波长的反射率应小于100%。

输出反射镜对激射波长的最佳反射率取决于激射介质的增益，在低增益系统中，最佳反射率应大于或等于95%；而在高增益系统中，最佳反射率应小于或等于70%。

如果输出反射镜完全透射泵浦波长光，则泵浦光与激射光一起出射，未转换的泵浦光可用滤光器滤掉。

1.2 光纤激光器的优点在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点：（1）不必经过光电转换可直接对光信号放大。

在不改变原有的噪声特性和误码率前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。

因此，对于既有数字格式又有模拟格式的网络（即同时传送语音、图像和数据的网络）特别适宜使用光纤激光器。

（2）光纤激光器容易在低泵浦功率实现连续波（CW）工作。

（3）由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合到系统的传输光纤中。

μmμm以及2～3μm中红外波长的光纤激光器。

（5）光纤激光器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）是完全相容的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。