低閾值光纖激光器穩(wěn)頻特性研究

張蔭民，祝連慶

(北京信息科技大學(xué)光電信息與儀器北京市工程研究中心光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192)

1 引言

頻率穩(wěn)定的光纖激光器在高精度光譜、光學(xué)測量和光纖傳感方面具有廣泛的應(yīng)用［1－2］。由于光纖具有體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾、可多路復(fù)用等多項(xiàng)突出優(yōu)點(diǎn)，分布式光纖水聽器、傳感器、測距與定位設(shè)備引起科研工作者的極大興趣。而這些設(shè)備正常工作的前提是使用可靠的光纖激光光源，因此如何提高光纖激光的頻率穩(wěn)定性是關(guān)鍵所在。實(shí)現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定輸出主要是如何消除跳模和抑制頻率漂移，其途徑主要可分為兩大類。一種是基于消除空間燒孔效應(yīng)的線形腔光纖激光器［3］，另一種是采用行波環(huán)形腔結(jié)構(gòu)獲得穩(wěn)頻激光輸出［4］。對于線形腔而言，想要獲取穩(wěn)定的激光輸出一般采用縮短腔長增加腔內(nèi)相鄰縱模間隔來實(shí)現(xiàn)，如超短腔分布式布拉格反射(DBR)光纖激光器［5］和分布式反饋(DFB)光纖激光器［6］，但這需要極高濃度的摻雜光纖和精密加工技術(shù)，使得制作技術(shù)難度加大，輸出功率不高，不利于工程化。而行波環(huán)形腔結(jié)構(gòu)因其諧振腔較長，腔內(nèi)相鄰縱模間隔偏小，容易出現(xiàn)跳模現(xiàn)象。為此多種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于長線形腔和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器來優(yōu)化激光穩(wěn)定輸出，如腔內(nèi)消相干技術(shù)［7］，F(xiàn) －P 濾波技術(shù)［8］，腔外光注入或自反饋光注入技術(shù)［9］，反饋光纖環(huán)技術(shù)［10］等。但是這些穩(wěn)頻技術(shù)的引入使得激光器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、激光腔內(nèi)損耗變大，激光器能量轉(zhuǎn)換效率低下。

為了實(shí)現(xiàn)光纖激光器的穩(wěn)定輸出，本文將錐形光纖飽和吸收體(SA)與環(huán)形腔結(jié)構(gòu)光纖激光器相結(jié)合，以較短的光纖飽和吸收體和錐形濾波的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻，得到穩(wěn)定的激光輸出，激光閾值為7.58 mW，激光線寬小于8 kHz。

2 設(shè)計(jì)原理與系統(tǒng)組成

2.1 飽和吸收體的選頻原理

光纖飽和吸收體是采用在光纖激光器諧振腔內(nèi)插入一段未泵浦的摻雜光纖，利用諧振腔內(nèi)兩束相向傳播的光波在該摻雜光纖形成駐波干涉。根據(jù)Kramers－Kronig關(guān)系式可知，折射率和吸收系數(shù)成反比［11］。在SA中形成駐波干涉后，其光強(qiáng)沿SA軸向周期性變化，此時SA對激光的吸收隨著干涉光強(qiáng)的強(qiáng)弱不同而變化，在光強(qiáng)較大處產(chǎn)生吸收飽和現(xiàn)象，其吸收系數(shù)較小，而在光強(qiáng)較弱處的吸收系數(shù)則比較大，從而導(dǎo)致在SA軸向形成吸收系數(shù)周期性變化的空間分布，也就是說在SA中形成折射率的周期性變化，其結(jié)果可等效為在SA中寫入了一種窄帶寬的布拉格光纖光柵［12］。當(dāng)該等效光柵的帶寬小于激光器相鄰縱模間隔時，僅有一個縱模可以形成穩(wěn)定振蕩，從而實(shí)現(xiàn)激光的穩(wěn)定輸出。

等效光纖光柵的帶寬Δf可以表示為［13］:

2.2 錐形光纖濾波原理

當(dāng)光束通過第一個光纖錐形結(jié)構(gòu)時，光纖纖芯中的基模會有一部分耦合到包層模中，所激發(fā)起的包層模會沿著剝掉涂覆層的光纖傳播，當(dāng)其傳輸?shù)降诙€光纖錐形結(jié)構(gòu)時，部分包層模又耦合進(jìn)入纖芯。由于纖芯和包層的折射率不同，原始纖芯模與重新耦合進(jìn)入的纖芯模間形成干涉。從而在透射譜中可以觀察到振蕩圖樣，達(dá)到濾波的目的。其模型可以采用雙光束干涉方程來描述［14］:

其中，I為干涉信號的強(qiáng)度;I1，I2分別為在纖芯和包層中光傳播強(qiáng)度;L為干涉長度;ncoeff，ncl

eff分別為纖芯和包層的有效折射率;λ為自由空間光波長。

根據(jù)上式可得，當(dāng)相位滿足π的奇數(shù)倍時，干涉圖樣具有極小值，亦即對應(yīng)透射振蕩譜的波谷位置，則有:

其中，λva為k級干涉波谷的中心波長;k為整數(shù)。由此可知，只要適當(dāng)設(shè)計(jì)錐形光纖的結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)對特定波長的濾波作用。

2.3 穩(wěn)頻光纖激光器的系統(tǒng)組成

穩(wěn)頻光纖激光器的系統(tǒng)組成如圖1所示。摻餌光纖EDF1的長度為3.25 m，其在980 nm波長處的吸收系數(shù)為16.5 dB/m;EDF2在1550 nm波長處的吸收系數(shù)為2 dB/m;泵浦源采用波長為976 nm的光纖耦合半導(dǎo)體激光器;2×2光纖耦合器的分光比為90∶10;光纖光柵的布拉格反射峰中心波長為1545 nm。本文中采用后向泵浦的方式，易于實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，976 nm的泵浦光經(jīng)過WDM耦合進(jìn)入EDF1，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生自發(fā)輻射光，自發(fā)輻射光經(jīng)過光環(huán)行器后進(jìn)入一段結(jié)構(gòu)化的未泵浦光纖EDF2中，進(jìn)而經(jīng)過光纖光柵的反射選頻實(shí)現(xiàn)激光縱模的選擇。反射光再次經(jīng)過光環(huán)行器和偏振控制器，90%的光經(jīng)過耦合器后作為反饋繼續(xù)在腔內(nèi)傳輸，經(jīng)過一系列的受激輻射放大，錐形化光纖飽和吸收體和光纖光柵的激光縱模選擇，最終形成穩(wěn)定的激光振蕩。滿足該環(huán)形振蕩條件的10%的光經(jīng)過耦合器形成激光輸出。

圖1 基于結(jié)構(gòu)化光纖飽和吸收體的環(huán)形腔光纖激光器系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber ring laser system based on tapered fiber saturable absorber

3 激光穩(wěn)頻特性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 光纖飽和吸收體激光縱模選擇特性

當(dāng)系統(tǒng)中沒有EDF2，即無SA的情況下，采用Bayspec光纖光柵解調(diào)儀(波長分辨率為1 pm)對激光輸出的穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測，如圖2所示。可以看出，無SA條件下，輸出激光波長隨時間變化產(chǎn)生明顯波動，波長漂移量最大為3 pm。而當(dāng)系統(tǒng)中引入5 m SA時，激光輸出穩(wěn)定性明顯提升，波長漂移量僅為1 pm，并且波長變化的頻率變小。分別對這兩種激光進(jìn)行了延時自外差拍頻實(shí)驗(yàn)研究。無SA時，在0～600 MHz范圍內(nèi)，存在多模振蕩而形成的多個強(qiáng)烈的拍頻信號，如圖3(a)所示。說明激光器工作在多縱模狀態(tài)或單縱模短時穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)裝置的諧振腔工作在行波狀態(tài)，可斷定系統(tǒng)此時的跳模非常嚴(yán)重，也就是說單縱模的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時間極為短暫。圖3(b)為圖3(a)的局部放大圖，可知，其頻率間隔為8.8 MHz。考慮到光纖激光器環(huán)形腔的腔長約為23 m，其自由光譜范圍 FSR=8.8 MHz，兩者基本一致。而當(dāng)加入5 m SA時，在600 MHz范圍內(nèi)只有在100 MHz處存在單一的拍頻譜線，如圖3(c)所示，表明光纖激光器跳模現(xiàn)象得到了有效抑制，實(shí)驗(yàn)裝置處于單頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。調(diào)整偏振控制器PC至最佳位置，在1 h內(nèi)拍頻譜線信號穩(wěn)定，未出現(xiàn)跳模現(xiàn)象。

由上述討論可知，引入SA可以明顯提升光纖激光器的穩(wěn)頻特性。根據(jù)公式(1)計(jì)算可得，SA的長度越長，所得等效光纖的帶寬越窄，對激光器實(shí)現(xiàn)單縱模穩(wěn)定振蕩越有利。但是過長的SA長度，必然會使系統(tǒng)的閾值提升，降低光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率。另一方面，過長的SA，也會導(dǎo)致諧振腔的長度增加，從而減小縱模間隔，增強(qiáng)模式競爭，引起激光跳模現(xiàn)象。針對上述問題，對系統(tǒng)進(jìn)行下述改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)低閾值光纖激光器的穩(wěn)定輸出。

圖2 有無光纖飽和吸收體的激光波長穩(wěn)定性Fig.2 Output wavelength stability of the fiber laser with and without fiber saturable absorber

3.2 錐形SA激光縱模選擇特性

將未泵浦光纖EDF2的長度縮短至1 m，并對其進(jìn)行拉錐操作后作為SA熔接至系統(tǒng)中，改進(jìn)后的SA形狀如圖1中的局部放大圖所示，兩個錐形SA的腰區(qū)直徑R為25 μm，兩個錐區(qū)間的距離L為23 mm。針對長度為1 m的有無錐形結(jié)構(gòu)SA的激光輸出穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖4所示。

圖3 拍頻信號譜線圖(a)無SA;(b)無SA局部放大圖;(c)5m SAFig.3 Electrical spectrum of the beating signal:(a)no SA;(b)detail with enlarged scale of no SA;(c)5m SA

圖4 常規(guī)光纖SA與結(jié)構(gòu)化光纖SA的激光波長穩(wěn)定性Fig.4 Output wavelength stability of the fiber laser with normal fiber SA and tapered fiber SA

可知，兩者激光輸出波長的波動范圍均為1 pm，但含有2個錐區(qū)的SA激光輸出波長波動的變化頻率要小很多。從圖5的拍頻譜線也可以看出，無錐形SA的拍頻信號為多譜線結(jié)構(gòu)，相比于無SA時其激光諧振腔內(nèi)可起振的縱模數(shù)量減少，跳模現(xiàn)象得到一定抑制，但跳模依然存在;而錐形化SA的拍頻譜線僅在100 MHz處存在，表明激光器的跳模得到進(jìn)一步抑制，有效延長了光纖激光器單頻運(yùn)轉(zhuǎn)時間。這說明在長度較短SA和其結(jié)構(gòu)錐形化的協(xié)同作用下，可有效抑制激光跳模，實(shí)現(xiàn)光纖激光頻率穩(wěn)定輸出。入射到FBG的光束和經(jīng)其反射光束在SA中形成駐波干涉，由于SA較短，使得某些縱模的干涉最強(qiáng)，導(dǎo)致SA的飽和吸收，形成空間燒孔效應(yīng)，而其他縱模得到有效抑制。這些干涉較強(qiáng)的縱模往返通過錐形結(jié)構(gòu)時，經(jīng)其干涉濾波，僅有某一特定縱模被優(yōu)勢選擇在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，最終形成穩(wěn)定的激光輸出。

3.3 激光線寬與光譜特性

采用延時自外差方法［15］對改進(jìn)后的激光線寬進(jìn)行測試。線寬測量系統(tǒng)由2支3 dB 1×2光纖耦合器、中心頻率為100 MHz的聲光調(diào)制器、50 km單模光纖、帶寬為12.5 GHz的光電探測器和具有頻譜分析功能的力科示波器(WaveRunner 610 Zi)組成。該示波器的頻率測量范圍為0 Hz～1 GHz，最小帶寬分辨率為0.1 Hz，測量動態(tài)范圍為47 dB。圖6為掃頻中心頻率為100 MHz時得到的拍頻信號，經(jīng)測量其3 dB線寬為8 kHz。激光輸出光譜如圖7所示，在不同的泵浦驅(qū)動電流下，得到穩(wěn)定的輸出譜線，其譜線3 dB帶寬不受泵浦驅(qū)動電流增加的影響，光譜儀分析所得激光輸出波長為1544.6760 nm，信噪比大于60 dB。

圖5 拍頻信號譜線圖(a)1m常規(guī)光纖SA;(b)1m錐形結(jié)構(gòu)光纖SAFig.5 Electrical spectrum of the beating signal:(a)1m normal fiber SA;(b)1m tapered fiber SA

圖6 50 km光纖延遲線測量的自外差信號Fig.6 Heterodyne signal by 10km delay fiber

圖7 不同泵浦驅(qū)動電流下光纖激光器輸出光譜圖Fig.7 Output spectrum of fiber laser under different pump driving current

4 結(jié)論

采用環(huán)形行波腔結(jié)構(gòu)，以短光纖飽和吸收體和其錐形化結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，構(gòu)建了頻率穩(wěn)定的光纖激光器，降低了光纖激光器的閾值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該激光處于穩(wěn)定的單頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，無跳模現(xiàn)象發(fā)生，其3 dB線寬小于8 kHz，光譜輸出信噪比優(yōu)于60 dB。

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