基于SESAM的被動調(diào)Q環(huán)形腔摻餌光纖激光器

黃春雄，陳禮林，陳海燕 （長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434023）

波長位于人眼安全區(qū)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。因此大功率、重復(fù)頻率穩(wěn)定的脈沖摻餌光纖激光器一直以來就是激光領(lǐng)域的研究熱點［1-3］。調(diào)Q和鎖模技術(shù)是實現(xiàn)短脈沖激光輸出的2種常用方法；其中調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生脈沖激光的重復(fù)頻率在kHz量級，具有低頻高能的特性，其發(fā)展和應(yīng)用位于脈沖激光研究的前沿。

調(diào)Q技術(shù)早期常用的方法包括聲光調(diào)Q［4］、電光調(diào)Q［5］等主動調(diào)Q技術(shù)，但是這2種技術(shù)需要在光路中引入聲光晶體、電光晶體以及復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)后期，非線性介質(zhì)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）被引入激光器中，實現(xiàn)了激光器的被動調(diào)Q［6-8］?；赟ESAM的被動調(diào)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(huán)形結(jié)構(gòu)的基于SESAM的被動調(diào)Q摻餌光纖激光器，并對該激光器的輸出光譜特性進(jìn)行了研究。

1 基于SESAM的被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)

基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡 （SESAM）的被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器采用如圖1所示的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。該激光器的主要構(gòu)件為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、摻鉺光纖（EDF）、光學(xué)環(huán)形器和偏振控制器。其中泵浦源采用980nm半導(dǎo)體激光器 （最大功率500mW）；增益介質(zhì)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(xué)環(huán)形器具有較高的隔離度，將其插入腔內(nèi)一方面可以保證腔內(nèi)激光的單向傳輸，另一方面可以將半導(dǎo)體可飽和吸收鏡反射回來的激光重新導(dǎo)入諧振腔。實驗光路中充當(dāng)Q開關(guān)的是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，它固化在光纖的一端，通過環(huán)形器與光路相連接。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡是一種非線性器件，它對光的吸收與腔內(nèi)光強相關(guān)，即當(dāng)光脈沖光強較弱時吸收較強，對激光器起到 “關(guān)門”的作用；而當(dāng)脈沖強度達(dá)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(diào)Q激光脈沖［6-8］。所用半導(dǎo)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(diào)制深度18%，飽和通量70μJ／cm2。由于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡性能與偏振態(tài)相關(guān)，所以在腔內(nèi)還插入一偏振控制器 （PC）來控制激光偏振態(tài)，以調(diào)節(jié)激光器的性能［8］。

圖1 被動調(diào)Q環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)

2 輸出光譜特性

2．1 脈沖波形

當(dāng)泵浦功率大于70mW時，摻鉺光纖激光器由連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)變?yōu)檎{(diào)Q狀態(tài)，繼續(xù)增加泵浦功率調(diào)Q狀態(tài)更加穩(wěn)定、明顯。當(dāng)泵浦功率大于130mW時，調(diào)Q狀態(tài)變得不太穩(wěn)定，繼續(xù)增加泵浦功率調(diào)Q狀態(tài)消失，激光器變?yōu)檫B續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖2為調(diào)Q摻鉺光纖激光器穩(wěn)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(xiàn)多模振蕩，其中心波長為1560nm。

圖2 調(diào)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(diào)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(dǎo)體可飽和吸收鏡性能與偏振態(tài)相關(guān)，因此在改變腔內(nèi)激光偏振態(tài)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(zhì)量的一個重要因數(shù)。圖4為10%的輸出端測量的輸出功率與泵浦功率的關(guān)系曲線。從圖4可以看出，隨著外部泵浦功率的提高，調(diào)Q摻鉺光纖激光器輸出功率不斷增加，當(dāng)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(nèi)功率，并考慮到測量輸出端損耗，則激光器光-光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換現(xiàn)象，這一點可以通過試驗中觀測到明顯的上轉(zhuǎn)換綠光來證明，上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象消耗了上能級粒子數(shù)，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(zhuǎn)換效應(yīng)，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(guān)系曲線

3 結(jié) 語

對半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的被動調(diào)Q摻鉺光纖激光器進(jìn)行了研究，對其輸出光譜和脈沖頻率進(jìn)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(fù)頻率10kHz以內(nèi)的脈沖激光，但其輸出功率偏低，有待改進(jìn)。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(jìn)一步研究基于SESAM的被動調(diào)Q、鎖模摻鉺光纖激光器提供一定幫助。

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