基于SESAM的被動調Q環形腔摻餌光纖激光器

黃春雄，陳禮林，陳海燕 （長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州434023）

波長位于人眼安全區域和光纖通信第三代傳輸窗口的摻餌光纖激光器在軍事、激光測距、激光遙感以及光通訊等諸多領域都有廣泛的應用。因此大功率、重復頻率穩定的脈沖摻餌光纖激光器一直以來就是激光領域的研究熱點［1-3］。調Q和鎖模技術是實現短脈沖激光輸出的2種常用方法；其中調Q技術產生脈沖激光的重復頻率在kHz量級，具有低頻高能的特性，其發展和應用位于脈沖激光研究的前沿。

調Q技術早期常用的方法包括聲光調Q［4］、電光調Q［5］等主動調Q技術，但是這2種技術需要在光路中引入聲光晶體、電光晶體以及復雜的控制結構。20世紀后期，非線性介質半導體可飽和吸收鏡（SESAM）被引入激光器中，實現了激光器的被動調Q［6-8］。基于SESAM的被動調Q激光器簡單方便且價格低廉，因而始終是研究的一大熱點。下面，筆者研究了一種環形結構的基于SESAM的被動調Q摻餌光纖激光器，并對該激光器的輸出光譜特性進行了研究。

1 基于SESAM的被動調Q摻鉺光纖激光器結構

基于半導體可飽和吸收鏡 （SESAM）的被動調Q摻鉺光纖激光器采用如圖1所示的環形腔結構。該激光器的主要構件為半導體可飽和吸收鏡、摻鉺光纖（EDF）、光學環形器和偏振控制器。其中泵浦源采用980nm半導體激光器 （最大功率500mW）；增益介質為一段高摻雜摻餌光纖，長度約為54cm；激光器輸出耦合比為10%。

光學環形器具有較高的隔離度，將其插入腔內一方面可以保證腔內激光的單向傳輸，另一方面可以將半導體可飽和吸收鏡反射回來的激光重新導入諧振腔。實驗光路中充當Q開關的是半導體可飽和吸收鏡，它固化在光纖的一端，通過環形器與光路相連接。半導體可飽和吸收鏡是一種非線性器件，它對光的吸收與腔內光強相關，即當光脈沖光強較弱時吸收較強，對激光器起到 “關門”的作用；而當脈沖強度達到其飽和光強時，可飽和吸收鏡被 “漂白”，光脈沖可以完全通過，從而形成調Q激光脈沖［6-8］。所用半導體可飽和吸收鏡型號為SAM-1550-30-X，其工作波長為1480～1640nm，非飽和吸收損耗30%，調制深度18%，飽和通量70μJ／cm2。由于半導體可飽和吸收鏡性能與偏振態相關，所以在腔內還插入一偏振控制器 （PC）來控制激光偏振態，以調節激光器的性能［8］。

圖1 被動調Q環形腔摻鉺光纖激光器結構

2 輸出光譜特性

2．1 脈沖波形

當泵浦功率大于70mW時，摻鉺光纖激光器由連續運轉狀態變為調Q狀態，繼續增加泵浦功率調Q狀態更加穩定、明顯。當泵浦功率大于130mW時，調Q狀態變得不太穩定，繼續增加泵浦功率調Q狀態消失，激光器變為連續運轉狀態。圖2為調Q摻鉺光纖激光器穩定輸出時的輸出光譜和脈沖序列，從輸出光譜可以看出激光器呈現多模振蕩，其中心波長為1560nm。

圖2 調Q摻鉺光纖激光器輸出光譜和時域脈沖序列 （泵浦功率100mW）

2．2 泵浦功率對脈沖頻率的影響

隨著泵浦功率的提高，調Q摻鉺光纖激光器的脈沖頻率近似線性增加，但最高頻率小于10kHz，如圖3所示。此外由于半導體可飽和吸收鏡性能與偏振態相關，因此在改變腔內激光偏振態時，激光器的脈沖頻率有小幅變化。

2．3 激光器的斜率效率

激光器的輸出效率是衡量其質量的一個重要因數。圖4為10%的輸出端測量的輸出功率與泵浦功率的關系曲線。從圖4可以看出，隨著外部泵浦功率的提高，調Q摻鉺光纖激光器輸出功率不斷增加，當泵浦功率為130mW時，最大輸出功率約為0．95mW。圖4中直線的斜率稱為激光器的斜率效率，從圖4可以看出該激光器斜率效率為1．2%，閾值泵浦功率約為48mW；換算成腔內功率，并考慮到測量輸出端損耗，則激光器光-光轉換效率約為15%。這是因為采用980nm激光泵浦摻鉺光纖時存在上轉換現象，這一點可以通過試驗中觀測到明顯的上轉換綠光來證明，上轉換現象消耗了上能級粒子數，降低了激光效率。其次，在試驗中未將不同的原件直接熔接而是采用光纖跳線連接，這也帶來一定的損耗。在今后的實驗中，可以通過使用餌鐿共摻雜光纖以降低上轉換效應，并通過光纖的直接熔接降低損耗。

圖3 脈沖頻率隨泵浦功率的變化

圖4 輸出功率與泵浦功率的關系曲線

3 結 語

對半導體可飽和吸收鏡的被動調Q摻鉺光纖激光器進行了研究，對其輸出光譜和脈沖頻率進行了測量。該激光器在泵浦功率為70～130mW時，可以獲得中心波長為1560nm，重復頻率10kHz以內的脈沖激光，但其輸出功率偏低，有待改進。試驗為把握基于SESAM的脈沖光纖激光器的工作機理提供參考，為進一步研究基于SESAM的被動調Q、鎖模摻鉺光纖激光器提供一定幫助。

［1］李朝陽，宋晏蓉，張志剛，等 ．半導體可飽和吸收鏡運用于軍用脈沖激光測距 ［J］．紅外，2004（6）：22-25．

［2］陳祖聰，阮雙琛，郭春雨，等 ．環形腔被動鎖模摻餌光纖激光器 ［J］．光子學報，2012，41（3）：267-270．

［3］夏江珍，蔡海文，任虹 ．全光纖調Q摻鉺光纖激光器的脈沖研究 ［J］．光子學報，2002，31（8）：989-992．

［4］Lianju Shang，Jiping Ning，Xiuqin Yang．An experimental study of an acousto-optic Q-switched Yb3＋-doped all-fiber laser ［J］．Optik：2012 （123），1061-1062．

［5］張翔，馮馳，謝希盈，等 ．納秒電光調Q Nd：YVO4激光器 ［J］．強激光與粒子束，2011，23（9）：2361-2364．

［6］劉鵬祖，侯靜，張斌，等 ．基于半導體可飽和吸收鏡的1550nm被動鎖模光纖激光器 ［J］．中國激光，2011，38（7）：0702017．

［7］歐攀，賈豫東，林志立，等 ．基于飽和吸收鏡的被動鎖模摻鉺光纖激光器 ［J］．激光技術，2011，35（1）：58-60．

［8］王旌，張洪明，張鋆，等 ．基于飽和吸收鏡的被動鎖模光纖激光器 ［J］．中國激光，2007，34（2）：163-165．