基于自鎖模的全光纖調Q激光器的設計

曾晶，任海蘭

（武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430074）

基于自鎖模的全光纖調Q激光器的設計

曾晶，任海蘭

（武漢郵電科學研究院 湖北 武漢430074）

基于鎖模光纖激光器研究現狀，及最新的全光纖化調Q方法，本文采用光纖的非線性偏轉（NPR）效應進行自鎖模，以及窄帶濾波器與光纖布拉格光柵FBG進行調Q的技術。創新性的將這兩種技術相連接以構建低重頻、窄脈寬的全光纖激光器系統。通過所搭建的系統試驗，最終得到脈寬在納秒量級，脈沖間隔為80n（重頻12.5MHz）左右的鎖模脈沖。

自鎖模；調Q；FBG調諧；NPR效應；全光纖激光器

光纖激光器以效率高、功率大、靈活、體積小等特性得到了人們的青睞［1］。目前，單脈沖能量在微焦量級、重復頻率在千赫茲量級的激光在微機械加工以及眼科、牙科等醫療方面有很好的應用前景，而現今主要集中在調Q、鎖摸來實現低重頻、窄脈沖的性能。

1 光纖激光器的鎖模技術研究進展

目前利用鎖模技術，可以得到單脈沖能量1 uJ～1m J的激光脈沖，但其重復頻率一般高達10～100 MHz［2］。國內外研究者為了保證獲得足夠的相移，一般采用的較長光纖。

俄國激光系統實驗室Sergey Kobtsev等人通過加長光纖長度的方式，其裝置圖如圖1所示，利用該裝置得到了Repeat frequency 77 kHz，Impulse peak power 3.9 uJ的脈沖激光。但這種方法所需光纖長達3.8 km［3］。

圖1 利用長纖長度減少重頻的自鎖模激光器

光纖較長使得其受溫度和壓力的影響變得很明顯，在某些應用場合中，對激光器保持穩定性很不利。因此，一方面是要盡量縮短光纖的長度，另一方面要降低其重頻，這就要依靠調Q技術來加以控制。

為了得到低重復頻率的鎖摸激光的輸出，C.Cuadrado-Laborde等人將主動調Q技術與自鎖摸技術結合起來。其結構如圖2［4］。

圖2 通過加長光纖長度降低重頻的自鎖模激光器

利用FBG調Q輸出鎖摸脈沖。當實驗中只有鎖摸輸出時，得到了Pulse width700 ps，Impulse peak power530 mW，Repeat frequency4.1MHz的激光輸出。而當調Q鎖摸輸出時，得到Repeat frequency在千赫茲量級，Pulse width0.68uJ的激光輸出。

2 All-fiber Q-sw itch laser的常用調Q方法

實現全光纖化調Q最簡單的方法是FBG調諧［5］。其結構如圖 3，主要依靠對光纖布拉格光柵的調諧實現對 Laser resonator損耗（Q值）的調節。

圖3 FBG構成的Q開關

根據FBG反射中心波長公式：

改變光柵柵格間距（比如伸縮，側壓）或者改變有效折射率，都會使得中心波長發生移動。當構成Laser resonator的兩個FBG反射峰重合時，Laser resonator處于低損耗高Q值的狀態［6］；當其中一個FBG因拉伸或其他原因中心Prague wave length發生移動時，兩個FBG就不再構成Laser resonator，則激光器處于高損耗低Q值狀態。如果對FBG進行高頻調諧，就可以實現調Q。 利用該裝置，選用長度大于2m的光纖，Pump Power大于180mV，M.V.Andres等人得到的輸出Impulse peak power達到幾瓦水平，同時Repeatfrequency達到200 kHz［7］。

另外一種調Q是利用磁制伸縮材料構成的調制器進行FBG調諧，其中磁制伸縮材料構成的調制器結構圖4。M.V. Andres等人將該調制器放在裝置圖4中，進行調Q［8］。裝置圖如5［9］所示。

圖4 磁致伸縮材料構成的FBG調制器及其控制電路

圖5 利用磁致伸縮調制器設計的全光纖調Q激光器

此系統可得到輸出Single pulse大于10 uJ，Pulsewidth約200 ns，Impulse peak power可大于50W［10］。

3 基于自鎖模的All-fiber Q-sw itched laser的設計

3.1 設計目的及方法概述

利用光纖的非線性偏轉（NPR）效應進行自鎖模以及通過窄帶濾波器與FBG結合進行調Q的相關技術，并將二者結合，實現低重頻、窄脈寬的All-fiber Q-switched laser。

在self-mode-locking的實現上，通過Polarized isolator與Polarization controller的結合，可實現激光器的窄脈沖輸出［11］。調Q方面，主要利用FBG與磁致伸縮材料結合后，光纖光柵FBG的反射波長可調諧來實現主動調Q，因此實現輸出的低重頻。

3.2 鎖模方案

根據光纖的非線性雙折射效應，利用非線性偏振旋轉效應來實現self-mode-locking［12］。

將一個 Polarized isolator（PI） 放在兩個 Polarization controller（PC1）和（PC2）之間作為自鎖模元件，再插入全光纖構成的環形腔中，起到隔離和偏振的效果［13］。調節PC1可使得經過PI輸出后的激光脈沖光為線偏振光，再經過PC2后又轉變為橢圓偏振光［4］。在環形光路中，隨著激光脈沖的傳播，其偏振態會發生非線性地變化。這是由自相位調制和交叉相位調制產生的相移強加于正交偏振器件所引起［14］。

兩個Polarization controller（PC1、PC2）和Polarized isolator（PI）相結合，實現脈沖中心高強度的部分通過，兩側低強度的部分被減弱。這樣，經過全光纖環形腔的循環后，脈沖寬度將變窄一些，多次循環后就可以輸出一個脈寬極窄的脈沖。

3.3 調Q方案

根據Bragg conditionλ=2nΛ可知，光纖光柵的反射中心波長由光纖有效折射率n，柵格間距Λ決定［15］。窄帶濾波器可用來限定特定波長的光波在極窄線寬內通過。利用二者對于光波波長的這種敏感特性，就可以構成一個Q開關。這部分還需要用到的一個器件就是光纖環形器，其1端、3端分別作為該單元的輸入端、輸出端與光纖環形腔相接，2端后接窄帶濾波器，其后接一半反半透的光纖光柵，該光纖光柵之后是整個激光器的輸出端。

以輸出光波長為1 530 nm為例說明Q開關的過程，此時Narrow band filter的通光中心波長為1 530 nm。當有光波經環形器1端進入該單元后，首先通過Narrow band filter，大部分波長偏離1 530 nm較大的光波被其吸收，只有波長在1 530 nm附近極窄線寬范圍內的光波能夠通過。通過的光波將到達光纖光柵，由于光纖光柵受Giantmagnetostrictivemateria（GMM）的伸縮控制，而GMM的伸縮受加在其上的調制信號控制，故其反射中心波長會隨著調制信號不斷變化。當光纖光柵的反射中心波長為1 530 nm時，對應于Q“打開”狀態，反射后的光波再經過窄帶濾波器時仍可正常通過，進而由環形器的3端回到Optical loopmirror中繼續被放大、壓縮脈寬，而那些不在光纖光柵反射中心波長范圍內的光波就會透過光纖光柵損耗掉了，不會回到Optical loopmirror中被繼續放大；當1 530 nm的光波經過放大、壓縮脈寬到一定程度的時候，就可以通過調節加在GMM的調制信號，使光纖光柵的反射中心波長在一瞬間不在是1 530 nm，對應于Q“關閉”狀態，此時經過放大、壓縮脈寬后的1 530 nm光波就會透過光纖光柵形成激光輸出，然后調制信號又馬上回到原來的大小，重復Q“打開”與“關閉”的過程，實現主動調Q。結合實驗室中現有的條件，磁致伸縮材料對于光纖光柵能夠實現穩定、精確地控制，保證Q開關“打開”與“關閉”的時間時機準確。

3.4 系統整體

調Q技術實現的激光器重頻可控，但脈寬較寬在幾百納秒量級，自鎖模技術可實現皮秒至納秒量級的窄脈寬輸出，但重頻較高，且不可控。

將兩種技術相結合實現窄脈寬、低重頻的All-fiber Q-switched laser，裝置圖如圖6所示。環形器、窄帶濾波器、FBG（附有磁致伸縮傳感器）構成了調Q部分。通過調節加在磁致伸縮傳感器上的磁場就可以實現對FBG反射中心波長的調諧，進而實現Q開關的“打開”與“關閉”。自鎖模部分則是通過將一個Polarized isolator（PI）放在兩個Polarization controller（PC）間來構成。再經過EDF進行增益放大，后輸出激光。

圖6 基于自鎖模的全光纖調Q激光器

4 結束語

利用所搭建的基于自鎖模的全光纖調Q激光器，已獲得脈寬在納秒量級，脈沖間隔為80 n（即重頻為12.5 MHz）左右的鎖模脈沖。整個腔長L=15.5 m，平均折射率n=1.5，根據脈沖間隔t=nL/c，可得重頻t=77.5 ns。

該系統設計主要創新點在于既通過QML L（Q-switched mode-locked laser）技術實現窄脈寬、低重頻光纖激光器的全光纖化，又通過將光纖光柵與窄帶濾波器的結合使用來實現更加精細化的Q開關。

該系統在搭建和實現存在一些不足。例如DCF本身的損耗要比SMF大，插入DCF的長度與其色散效果需取折中。由于NPR效應對光纖內運行的光強有著強烈地依賴，以致于每次變化泵浦功率時均需要對PC進行調節。

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Design of all-fiber Q-sw itch laser based on self-mode-locked

ZENG Jing，REN Hai-lan
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

Based on the latest research progressofmode-locked fiber laser，aswellasmethodsofQ-switch，a new laser system is proposed，NPR effect is for selfmode locking，narrow band filter and FBG is for Q-switch.Combining the twomethods，we build a system，then，through experimentswe getmode-locked laserwith pulsewidth in nanosecond，pulse interval in 80N.

self-mode-locked；Q-switch；fiber bragg grating；nonlinear deflection；fiber laser

TN242

A

1674－6236（2016）20-0075-03

2015-11-01 稿件編號：201511001

曾 晶（1990—），女，湖北漢川人，碩士研究生。研究方向：通信與信息系統、激光技術。