激光的產生是一個放大的過程。在這個過程中受激發射所占的比例遠大于自發輻射。當增益存在的條件下,受激發射所產生的光子繼續誘發受激發射,使受激發射光不斷增強。當然最初誘發受激發射的光子源于自發發射。對于激光波長,流出光纖激光介質的光子流要大于進入這段光纖的光子流,即實現了光放大。

為了能產生激光,必須滿足一定的條件。第一個條件是粒子數反轉。僅當處于激光上能級的粒子數超過處于激光下能級的粒子數時才能使介質發生受激發射,從而產生增益。粒子數反轉的要求同時也引出了第二個條件,即粒子數反轉形成的過程要借助于光子能量較高的光源進行抽運,而且要求參與激光工作的能級超過兩個。首先必須通過抽運將電子激發到高于激光工作上能級的某個能級上,也就是說,抽運光的頻率要大于激光頻率。開發研制的光纖激光器主要采用摻雜稀土元素的光纖作為增益介質,當采用合適的抽運源進行抽運時,由于光纖激光器中光纖纖芯很細,在抽運光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成激光工作物質的"粒子數反轉"。

光纖激光器的腔形可以有多種選擇。一種最常見的激光諧振腔-法布里一拍羅腔,它是將增益介質置于兩片反射鐿之間構成的。在光纖激光器中,腔鐿經常對接禍合到光纖端面,以避免衍射損耗。該腔損耗非常小,然而,這種腔的調整較為困難,光纖端面或腔鐿稍微傾斜,就會使損耗急劇增加,允許的傾斜度小于1。這個問題可以通過將介質膜直接鍍到摻雜光纖的研磨拋光端面上得到解決。由于介質膜對光纖端面的缺陷極為敏感,而且抽運光也經由同一腔鐿入射,所以當抽運光經過聚焦且功率較高時就會損壞介質膜。

光纖激光器的關鍵技術:(1)高功率半導體光纖禍合輸出模塊:穩定,長壽命,小體積,無需復雜水冷系統的高功率半導體激光器光纖模塊的實現;(2)光纖融合技術:將多根多模光纖同有源光纖融合在一起,而將抽運光幾乎無損耗的傳入有源光纖內包層中,這種光纖幾何熔接技術使得光纖模塊的輸出能量在百瓦量級,同時消除了半導體激光陣列集成模塊的散熱問題;(3)光纖光柵技術:在光纖上制作反射型光纖光柵雙包層光纖激光器。在高功率情況下具有長時間穩定性能的光纖光柵制作,對于實現簡便緊湊的高功率雙包層光纖激光器產品具有非常重要的意義。目前國內從事光柵技術的研究單位正在開展此類的研究工作,而國際上對于光柵制作技術也相對比較成熟。如工GP的光纖激光器中的光柵可以滿足百瓦級的功率傳輸。摻鐿雙包層光纖激光器理論及實驗研究

2.3Yb+3的光譜特性

稀土元素之一的Yb+3離子,長期以來最重要的應用只是作為敏化離子(也就是激光激活離子)與其他稀土元素離子共同摻雜,Yb+3離子吸收抽運光子的能量后,把能量傳遞給他受主離子,如E、H等,Yb+3離子并不直接發生能級躍遷產生激光,而僅僅作為一個能量傳遞工具。摻Yb+3光纖激光的特性和發展從八十年代中后期開始,Yb+3離子摻入石英或氟化物光纖中,作為一種激光介質開始受到人們的重視,并取得了很多進展。

yb+3離子在摻入石英等基質材料后,其能級發生變化,從而其吸收和發射光譜也要發生很大變化。通常由于基質材料中電場的非均勻分布的影響引起Yb+3能級的stkar分裂,消除了原來存在的能級簡并,從而相應的吸收和發射光譜將出現精細結構。另外一個因素就是Yb+3能級加寬。第一種是聲子加寬,當兩個能級之間發生躍遷時將發生某種形式的能量交換,包括聲子的產生和湮滅。第二種加寬機制來源于基質電場對能級的微擾,摻Yb+3材料只包含有兩個多重態,基態2F7幾(含有4個Stark能級)和一個分離的激發多重態"FS/:(含有3個Stark能級,在基態以上10000c/m的位置),因此抽運光波長處和信號波長處都不存在激發態吸收(由此因起抽運效率降低);大的能級間隔(2F5/:和2F72/)也阻礙了多光子非輻射弛豫及濃度淬滅現象的發生。上面幾種因素引起的抽運轉換效率的降低也會引起激光介質熱效應增加的問題(Yb+3:AYG的熱效應比Nb3+:YAG小三倍)。摻Yb+3石英光纖的吸收和發射譜帶很寬。