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光纤中的注入锁定技术
- 2010-03-04 11:10:17
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激光放大器与激光（振荡）器都包括泵浦源和增益介质；都是基于同一物理过程，即受激辐射的光放大作用；都要求工作物质具有足够的反转粒子数，以保证激光增益大于介质内部的各种损耗。其主要区别是激光放大器（行波放大器）没有谐振腔，激光器是在自发辐射光的基础上经过竞争发展起来的的某个波长起振，激光波长由谐振腔的参数决定；激光放大器是在外注入信号光源的基础上受激辐射放大，输出激光波长由注入信号源决定。因此，为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信号有相匹配的能级结构。
由激光放大器的原理可知，激光放大器是将入射信号光的能量和功率进行放大。其优势是：保持入射信号的原有特点。即在得到能量和功率得到放大的同时，保持了入射信号光的特点，如频率特性、光谱特性、时域特性、偏振特性、相位特性等。
在许多实际应用中，对于激光器的输出既要求具有很高的输出功率，又要求具有一些特殊的性能，比如频率稳定、较高的光束质量、以及光强和相位的调制等。有时这些方面的要求往往是矛盾的，很难同时实现。另一方面，由于在激光器中激光束往返多次通过激光物质，将导致腔内的光强高于外部，从而激光物质易受高功率光强的破坏。从稳定性考虑，泵浦能量也不能超过阈值泵浦能量许多。因此，为了获得性能优良的高能量、高功率和特殊要求的激光输出，采用激光放大技术是一种较好的解决方法。
激光放大器的类型主要包括以下三种：
由激光放大器的原理可知，激光放大器是将入射信号光的能量和功率进行放大。其优势是：保持入射信号的原有特点。即在得到能量和功率得到放大的同时，保持了入射信号光的特点，如频率特性、光谱特性、时域特性、偏振特性、相位特性等。
在许多实际应用中，对于激光器的输出既要求具有很高的输出功率，又要求具有一些特殊的性能，比如频率稳定、较高的光束质量、以及光强和相位的调制等。有时这些方面的要求往往是矛盾的，很难同时实现。另一方面，由于在激光器中激光束往返多次通过激光物质，将导致腔内的光强高于外部，从而激光物质易受高功率光强的破坏。从稳定性考虑，泵浦能量也不能超过阈值泵浦能量许多。因此，为了获得性能优良的高能量、高功率和特殊要求的激光输出，采用激光放大技术是一种较好的解决方法。
激光放大器的类型主要包括以下三种：
（1）行波放大器。它指光信号只经过工作物质一次，行波放大器不加谐振腔，只有泵浦源和工作物质。采用行波放大技术有如下优点：其一，由于激光束一次通过放大介质，因此介质的破坏阈值可以大大提高；其二，当需要大能量激光时，可根据需要采用多级行波放大；其三，振荡器—放大器的这种系统构成，可由振荡器决定其脉冲宽度、谱线宽度和光束发散角等，而由放大器决定其激光的能量和功率，所以二者结合起来，既可以得到较优良的激光特性，又能够大大提高其输出激光的亮度。
在传统增益介质中，由于行波放大时信号光仅一次通过增益介质，其获得的增益（放大倍数）较低，虽然可以采用多级放大获得高功率，但是结构复杂，且需要满足级间匹配。这也是行波放大的局限性。
（2）多程放大器。光信号在工作物质中多次往返通过，从而获得更多的增益。主要应用在具有较低单程增益、较大体积的增益介质中。如一些气体和块状固体的增益介质中。
（3）再生式放大器。再生式放大技术是80年代新发展的一种放大技术。它是将一束具有某种特性（如高光束质量、窄线宽等）的微弱信号注入一个从激光（振荡）器中，注入的信号光作为一个“种籽”，控制从激光器中的激光振荡产生，也就说使激光振荡是在这个“种籽”的基础上而不再是从噪声中发展起来，并得到放大之后输出腔外，从而得到光束性能优良、功率高的激光。再生式放大可分为外注入再生放大及自注入再生放大两类。
外注入放大技术是一个激光器（主动激光器）产生“种籽”信号注入另一个从动激光器中，从而得到光束质量好的高功率的激光输出；
(1) 从动激光器增益较低，而注入的光信号较强。外注入的信号在与激光器自由振荡模式的竞争中占优势，从而外注入的信号在从动振荡器中得到放大，激光振荡的频率为外注入信号的频率。
(2) 从动激光器增益较高，而注入的光信号较弱。则注入信号与腔内自发辐射噪声同时增长，如果注入信号的线宽足够窄，比从动腔的纵模间隔小得多，则最靠近注入信号的纵模受到激发与之发生共振，即注入信号在放大过程中经历一个快速相移而移到最靠近的纵模，并在竞争中占优势。最终输出激光的频率由从动激光器决定。
自注入放大技术则是利用一台激光器本身产生“种籽”信号，自注入到腔内而实现再生放大的，因此，它可以大大缩小激光设备的体积。
随着光纤掺杂技术的不断发展，在光纤中可以掺入多种稀土离子，如铒（Er）、钕（Nd）、镱（Yb）、铥（Tm）、镨（Pr）、钬（Ho）等，因此可以实现不同波段范围的连续和脉冲激光输出。光纤激光器的概念几乎与半导体激光器的出现在同一时间，早在上个世纪六十年代初，Koester和Snitzer将长1m的Nd3+掺杂的硅酸盐玻璃光纤缠绕在闪光灯上，在波长为1.06μm波段观察到了47dB的增益放大。目前，掺铒光纤放大器（DEFA）已经广泛地应用到通信光网络中。
20世纪80年代后期，由美国的Polaroid（宝丽莱）公司首先提出了在双包层光纤的基础上应用包层泵浦技术。双包层光纤是在单包层光纤的基础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为多模抽运光的传输波导，抽运光在内包层中传输时不断穿越纤芯而被其中的掺杂离子吸收，产生的单模激光由纤芯波导输出。由于内包层有较大的截面积和数值孔径，可允许极高功率（目前已达千瓦级）多模半导体抽运激光进入其中，从而大大提高了光纤激光器的输出功率。
当前，光纤激光器进入了一个蓬勃发展和广泛应用的阶段。从1999年光纤激光器的输出功率达到100W以来，光纤激光器的输出功率得到迅速提高。其中，德国Jena大学、英国南安普敦大学、美国IPG公司等先后实现了高功率的连续激光输出。2004年，单模连续激光的输出功率已经突破了1000W。高功率光纤激光器领域取得的主要研究进展如图1所示。双包层掺Yb3+光纤激光器，已实现了千瓦量级的连续激光输出，并在工业加工、军事和通信等方面获得了广泛的应用。
在传统增益介质中，由于行波放大时信号光仅一次通过增益介质，其获得的增益（放大倍数）较低，虽然可以采用多级放大获得高功率，但是结构复杂，且需要满足级间匹配。这也是行波放大的局限性。
（2）多程放大器。光信号在工作物质中多次往返通过，从而获得更多的增益。主要应用在具有较低单程增益、较大体积的增益介质中。如一些气体和块状固体的增益介质中。
（3）再生式放大器。再生式放大技术是80年代新发展的一种放大技术。它是将一束具有某种特性（如高光束质量、窄线宽等）的微弱信号注入一个从激光（振荡）器中，注入的信号光作为一个“种籽”，控制从激光器中的激光振荡产生，也就说使激光振荡是在这个“种籽”的基础上而不再是从噪声中发展起来，并得到放大之后输出腔外，从而得到光束性能优良、功率高的激光。再生式放大可分为外注入再生放大及自注入再生放大两类。
外注入放大技术是一个激光器（主动激光器）产生“种籽”信号注入另一个从动激光器中，从而得到光束质量好的高功率的激光输出；
(1) 从动激光器增益较低，而注入的光信号较强。外注入的信号在与激光器自由振荡模式的竞争中占优势，从而外注入的信号在从动振荡器中得到放大，激光振荡的频率为外注入信号的频率。
(2) 从动激光器增益较高，而注入的光信号较弱。则注入信号与腔内自发辐射噪声同时增长，如果注入信号的线宽足够窄，比从动腔的纵模间隔小得多，则最靠近注入信号的纵模受到激发与之发生共振，即注入信号在放大过程中经历一个快速相移而移到最靠近的纵模，并在竞争中占优势。最终输出激光的频率由从动激光器决定。
自注入放大技术则是利用一台激光器本身产生“种籽”信号，自注入到腔内而实现再生放大的，因此，它可以大大缩小激光设备的体积。
随着光纤掺杂技术的不断发展，在光纤中可以掺入多种稀土离子，如铒（Er）、钕（Nd）、镱（Yb）、铥（Tm）、镨（Pr）、钬（Ho）等，因此可以实现不同波段范围的连续和脉冲激光输出。光纤激光器的概念几乎与半导体激光器的出现在同一时间，早在上个世纪六十年代初，Koester和Snitzer将长1m的Nd3+掺杂的硅酸盐玻璃光纤缠绕在闪光灯上，在波长为1.06μm波段观察到了47dB的增益放大。目前，掺铒光纤放大器（DEFA）已经广泛地应用到通信光网络中。
20世纪80年代后期，由美国的Polaroid（宝丽莱）公司首先提出了在双包层光纤的基础上应用包层泵浦技术。双包层光纤是在单包层光纤的基础上围绕掺杂纤芯增加了一个内包层作为多模抽运光的传输波导，抽运光在内包层中传输时不断穿越纤芯而被其中的掺杂离子吸收，产生的单模激光由纤芯波导输出。由于内包层有较大的截面积和数值孔径，可允许极高功率（目前已达千瓦级）多模半导体抽运激光进入其中，从而大大提高了光纤激光器的输出功率。
当前，光纤激光器进入了一个蓬勃发展和广泛应用的阶段。从1999年光纤激光器的输出功率达到100W以来，光纤激光器的输出功率得到迅速提高。其中，德国Jena大学、英国南安普敦大学、美国IPG公司等先后实现了高功率的连续激光输出。2004年，单模连续激光的输出功率已经突破了1000W。高功率光纤激光器领域取得的主要研究进展如图1所示。双包层掺Yb3+光纤激光器，已实现了千瓦量级的连续激光输出，并在工业加工、军事和通信等方面获得了广泛的应用。
近年来，随着单纤输出功率的不断增加，如千瓦级以上的功率，光纤激光器的热管理、输出功率和光束质量的矛盾也逐渐呈现处理，进一步快速继续提高输出功率也变得较困难。百瓦级功率输出的单模光纤激光器在技术上已经成熟，且有产品。多光束组束技术，可以利用现有成熟的激光器产品，通过多个高功率的光纤激光器组束，获得超高功率的激光输出，从而克服了热管理等问题，是当前的研究热点。采取多个光纤激光的组束技术，获得高功率激光输出的同时，能保证光束质量等其他特点，以克服单纤输出功率的限制，从而达到实际应用的要求。
激光相干合成技术是近年来激光合成领域研究的热点，它是利用激光干涉加强的原理，基本思路是将多路激光束经相干控制后合成一束光，从而由许多中等功率的激光器获得高功率的单束激光输出，同时保持良好的光束质量。
相干合成较非相干合成的最大优势在于，其输出功率是随着光纤阵元数N成平方律变化，而非相干合成的输出功率与光纤阵元数N仅为线性关系。加之光纤激光器高光束质量、体积小、重量轻的特点。因此，研究光纤激光的相干合成技术，以获得千瓦级以上的相干激光输出，是今后发展的一个重要方向。近来，美国也在鼓励和资助光纤激光的相干组束技术研究，并已在2003年获得千瓦输出。
要实现相干合成，则要求多组束激光具有一定的相干长度和相干时间，也就对输出激光的线宽提出了要求。激光器的注入锁定放大技术，在达到注入锁定条件后，从激光器中的放大输出激光线宽主要由注入种籽信号光决定，因此当前光纤激光器中，人们更多地利用注入锁定技术实现窄线宽、性能稳定的激光输出。
激光器的注入锁定理论和技术，近年来一直受到人们的重视，在光纤激光器中，有别于半导体激光器的注入锁定，主激光器比从激光器（光纤环形腔激光器）的线宽更宽；在注入锁定发生后，从激光器的输出频率和主激光器一致，输出激光线宽虽大于光纤激光器自由运转时的线宽，但要小于主激光器的线宽。
典型的光纤注入锁定的理论如下：
注入锁定的实质是模式竞争下的频率锁定。在一个自由运转的激光器中，注入一个低功率的激光信号ωinj，并使注入信号与该激光荡器的腔模相匹配；若腔中离注入信号最近的纵模ωi，而且注入信号带宽比腔的纵模间隔小得多，则频率为ωi的纵模受到激发与之发生共振，并从增益介质中提取能量得到放大，而其他纵模仍然从自发辐射噪声开始起振；注入信号变成了锁定模式的附加泵浦源，连续不断的电场注入导致锁定模式强度的增加。因为一般注入信号场强度比噪声场强度大，所以ωi模首先形成振荡，从而消耗上能级粒子数，使介质中的增益系数下降。此时，由于均匀加宽介质的模式竞争机制，其他纵模的振荡将被抑制，最终得到稳定的单纵模、高功率激光输出。
按照拉姆的半经典理论和Chow对其的推广，推导出自由运转、小信号注入情况下的光纤激光光场相位方程为：
其中，i＝1，2，……N，Φ＝Φi－Φinj，Φi为激光器自由运转时光场中第i个模式的位相；Ei和ωi分布为第i个模式的振幅和频率；Φinj为注入场位相；Einj和ωinj分布为注入光振幅和频率；Δν为模式间隔；κ为注入光通过耦合器的耦合系数。
当dΦ/dt＝0时，第I个模式与注入的激光信号模式发生锁定（即使模式不匹配也能发生），即：
由上式可以看出，要实现注入锁定，必须对注入信号的功率密度有一定的要求。对一定的失谐量，若注入信号功率密度过低，就会出现多纵模振荡，这从物理意义上不难理解。因为注入信号场太弱时，对其靠近的腔模场的影响力下降，达不到足以抑制其他纵模的程度，所以在模式竞争中不能取得优势，会导致多纵模振荡输出。
兰州大学张欣等，利用注入锁定技术向法布里－珀罗可调滤波器结合复合腔结构的铒光纤环形腔激光器腔内注入低功率的连续光，使某一纵模在注入连续光的基础上起振，从而与注入信号的锁定。实现了1527.4~1561.9nm范围内功率稳定、波长可调谐、线宽1.4kHz的激光输出。实验装置如下。
2004年，中国科技大学在一个环形腔结构的掺镱光纤激光器中，插入一个可运行两个偏振态、单纵模的分布反馈光纤激光器（DBR）信号源，通过偏振选择元件和环形腔结构实现自注入锁定，获得了输出功率15mW、边模抑制比60dB的1053nm激光输出。实验装置如下图所示。相比与单纯DBR结构的光纤激光器的输出功率6mW，自注入锁定后的激光输出功率有了很大的提高。并且没有跳模现象发生。
Peter D. Dragic在进行注入锁定调Q光纤环形激光器的研究中，对注入锁定的信号注入功率和泵浦功率进行了研究。其注入锁定的实验装置如下图所示。采用可调谐的外腔半导体激光器（ECDL）作为种子光源，输出波长为1548nm。利用90/10耦合器注入到含有一个掺铒光纤放大器（EDFA）的环形腔结构光纤激光器中。以下的结果仅为连续光运行时的实验结果。
下图为不同注入信号光功率时的锁定输出功率和光谱。从图中可以看出，自激发运行（无注入功率self-seeded）与注入锁定（injection）的斜率效率相近，而注入锁定的阈值功率更低，输出功率更高。注入锁定的输出光谱也由注入信号光源决定。
由于，在环形腔激光器中存在部分种子光时，注入和自激发将共同竞争其增益，从而导致激光器能获得所有的波长输出。因此，定义注入光有效性（seeding effectiveness）依赖于注入信号光的功率。注入光有效性定义为时间平均的注入种子光的输出功率与时间平均的自己发输出光功率的比值，用光谱分析仪测量。当该比值大于30dB时，认为自激发的贡献完全被抑制为自发辐射光，而注入锁定得以实现，此时被称为完全注入。下图为不同泵浦功率时的注入信号光功率与注入光有效性的关系图。
从图中可以看出，在10mW泵浦功率时，仅需要～－5dBm的信号注入功率即可以实现完全注入。而随着泵浦功率的增加，要达到完全注入，则需要提高注入信号光的功率。即为了实现注入锁定，注入信号光功率和泵浦功率（或者说注入锁定后的输出功率）需满足一定的条件。
利用注入锁定技术，在光纤激光器中进行相干合成实验的方案，目前国内主要有：
2006年广州光学年会上，南开大学报道了在两个光纤光栅结构调Q的脉冲激光，利用光纤耦合器（C1和C2）把两个激光器结合起来的方法，实现了互注入锁定的脉冲相干合成激光输出。实验装置如图所示：合成后激光器的峰值功率为44mW，是单路的1.2倍；脉冲能量为0.43μJ，是单路的1.8倍。
接着，国防科技大学陈子伦等人在连续光纤激光器中进行了互注入锁定的实验研究。实验装置如下图所示。在两个分立的光纤激光器的输出端，通过分束器分光使两个光纤激光器互相注入，从而实现了输出波长和相位的互相锁定。
该实验系统由两个对1550nm光高反的光栅、两段长度为6m掺铒单包层增益光纤、两台980nm的抽运源、两个80/20的光纤分束器、对1550nm光高反的反射镜组成。两个光纤激光器分别为激光器1和激光器2。光纤激光器1的光进入到分束器后，80％光经光纤准直器射到高反镜上，其中一部分光作为激光输出，反射的光进入到准直器经合束器再到掺杂光纤，从而实现了激光的反馈，高反镜和光栅构成了激光器的两个腔镜。分束器另外端口20％的光进入到激光器2中。同样，激光器2的一部分光经分束器进入到激光器1中。这样，两个光纤激光器的能量实现了互相注入，从而使两个光纤激光器锁模锁相达到相干输出。在输出镜的后面加一凸透镜，通过光斑仪观察两个激光器运行时的远场光斑，判断两个激光器是否实现了互相注入锁定。
实验研究表明：在独立运行的情况下，两个光纤激光器的远场光斑只是两个激光器光强的简单叠加；在互相注入锁定的情况下，两个光纤激光器的远场光斑是具有高对比度的干涉条纹，并得到两个激光器的输出模式总为异相模。如下图为独立运行和互注入锁定后的远场光斑图。实验结果与理论分析的结果相一致。同时，设计了N个光纤激光器的互注入锁定。
由于这种结构是同步振荡，不需要额外的位相控制元件，出射光束质量就很好。但是由于受当前器件特性的影响，这种用耦合器实现相干合成的方法虽不能获得很高输出功率，但实现简便。
早在2005年Hans Bruessselbach等人在Optics Letters上就对这种互注入互注入锁定技术的自组织激光器，进行相干合成的实验进行了详细的研究和报道。获得了较好的相干合成结果。
因此，从当前的一些实验研究结果可以看出，在光纤激光器中进行自注入锁定实验研究主要目的在于获得稳定的单频激光输出，输出功率小于瓦量级。而实现高功率激光的相干合成实现相对很少。主要的原因包括：
（1）关键元器件的作用。相干合成的主要目的是获得超高功率、武器级别的激光输出，以突破单个激光单元输出功率较低的不足。而当前的注入锁定主要研究均采用了全光纤结构，输出功率很低。为了获得高功率的激光输出，所需要的光纤元器件必须能够承受高功率的作用。而目前的光纤合束器、耦合器等全光纤器件，主要采用单模光纤（6um纤芯）制作的，无法承受数瓦或者更高的激光功率。同时，当前也没有合适的全光纤元器件能与掺镱的大模场面积光纤的纤芯匹配。这是当前的一个限制因素。
（2）注入锁定技术本身的条件限制。在注入锁定的激光器中，实现单频的激光输出。则要求注入激光功率、注入激光频率与从激光器的功率和频率满足一定的关系。注入信号光源必须较大，把从激光器中的自激发振荡抑制住，才能实现稳定的注入锁定。根据Peter D. Dragic等人的注入锁定实验研究结果，随着泵浦功率的提高，为了获得较好的注入锁定效果，必须随之提高注入信号激光的功率。若要实现数百或上千瓦的注入放大激光输出，则也要求相应的注入信号光功率。因此，个人认为这是限制注入激光技术在高功率光纤激光器中实现相干合成的因素之一。
（3）更为重要的原因是放大的斜率效率。在传统的激光放大器中，注入锁定技术的一个优势就是比行波结构激光放大器的斜率效率更高。当前，光纤中的单程结构的行波放大器已经能够获得很高的斜率效率，比如南安普顿大学利用行波放大结构，在最后一级的、分立结构的掺镱光纤放大器中，已经实现了波长1060nm、线宽<60KHz、放大输出功率264W的连续激光输出，增益为19dB，斜率效率为68％。这个斜率效率已经与当前光纤激光器的斜率效率（70～80％）相差很小。在光纤激光器中的行波放大相比注入锁定技术结构简单，要求的条件更少，同时斜率效率已经接近光纤激光器的值，与其量子转换效率（～90％）相比也相差不多。
因此，在光纤激光器中利用注入锁定来进一步提高斜率效率和输出功率的空间已经很小，无法体现注入锁定的技术优势。而注入锁定技术的结构更加复杂，所使用的元器件更多，这是研究注入锁定获得稳定、窄线宽、高功率激光输出的一个不利因素。这也是在当前对光纤放大器的研究中，主要利用注入锁定技术来获得窄线宽的激光输出，而不是获得高功率的激光放大。