自調(diào)Q摻鉺光纖激光器動態(tài)特性研究

楊亞婷，杜 洋，王海燕，胡貴軍

(吉林大學通信工程學院，長春130012)

引 言

調(diào)Q光纖激光器可以產(chǎn)生高峰值功率、脈沖寬度為納秒量級的脈沖激光，這種短脈沖激光在測距、通信系統(tǒng)、遠程傳感、高速全息照相、軍事和醫(yī)療等方面被廣泛應用。自1986年ALCOCK首次在摻釹光纖激光器中實現(xiàn)調(diào)Q脈沖輸出以來［1］，調(diào)Q光纖激光器便在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究，調(diào)Q光纖激光器的理論和實驗都有了很大的發(fā)展［2-7］。

調(diào)Q摻鉺光纖激光器由于其運轉波長與光通訊的第三窗口(1.55μm)相一致，在光纖通信系統(tǒng)中獲得廣泛的應用，引起了人們的普遍重視［8-10］。在無外加調(diào)制的情況下，摻鉺光纖激光器會出現(xiàn)自調(diào)Q現(xiàn)象，產(chǎn)生自調(diào)Q脈沖。這種激光器中的自調(diào)Q脈沖已引起眾多學者的興趣［11-14］。BIELAWSKI等人［15］把產(chǎn)生自脈沖的原因歸結為:由于摻鉺光纖中雙折射的存在，光纖中兩正交偏振態(tài)在傳輸過程中通過偏振交叉飽和產(chǎn)生強烈耦合或轉化。而SANCHEZ等人［16］則認為，當摻鉺光纖中的鉺離子對濃度達到一定水平時，可起到一個可飽和吸收的作用而引起自脈沖運轉，并對此進行了實驗和理論的驗證，得到了令人滿意的結果。

本文中采用一段20m長的摻鉺光纖同時作增益光纖和可飽和吸收體，搭建線形腔和環(huán)形腔兩種結構的自調(diào)Q摻鉺光纖激光器，分別研究兩種腔結構下激光器的動態(tài)特性，并分析了自調(diào)Q現(xiàn)象的原因，實現(xiàn)了結構緊湊的全光纖自調(diào)Q光纖激光器。線形腔結構中，在抽運功率21mW～190mW的范圍內(nèi)，獲得了脈沖寬度 8μs ～100μs范圍內(nèi)可調(diào)、重復頻率 2.5kHz～54kHz范圍內(nèi)可調(diào)的自調(diào)Q脈沖。環(huán)形腔中，在抽運功率 16.2mW ～110mW 范圍內(nèi)，獲得了脈沖寬度165μs左右、重復頻率約為3kHz的自調(diào)Q脈沖。線形腔脈沖重復頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10%，脈沖峰值功率穩(wěn)定度優(yōu)于5%;環(huán)形腔脈沖重復頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5%，峰值功率穩(wěn)定度優(yōu)于11%。

1 線形腔自調(diào)Q摻鉺光纖激光器的動態(tài)特性研究

線形腔結構如圖1所示。一段20m摻鉺光纖作增益介質(zhì)，1560nm光纖光柵進行選波，其反射率為99%，作為激光諧振腔的高反端。在輸出端直接采用經(jīng)拋光處理的光纖端面作為耦合腔鏡，對光纖內(nèi)的信號光產(chǎn)生約4%的菲涅耳反射。抽運源是980nm單模半導體激光器，通過一個980/1550波分復用器(wavelength division multiplexer，WDM)將抽運光耦合進激光腔內(nèi)。輸出端的1550nm隔離器(isolator，ISO)是為了保證激光的單方向傳輸。

Fig.1 Structure diagram of self-Q-switched erbium-doped fiber laser with linear cavity

對線形腔結構的摻鉺光纖激光器進行了實驗。當注入的抽運功率為17mW時，達到激光器的起振閾值，由光譜分析儀觀察到有波長約為1560nm的激光產(chǎn)生，對應的示波器顯示為連續(xù)波，如圖2所示。隨著抽運功率的提高，輸出功率成線性增長趨勢。當抽運功率提高到21mW時，激光器連續(xù)工作狀態(tài)變得不穩(wěn)定，且激光器的輸出光強呈現(xiàn)自脈沖行為，自脈沖波形如圖3所示。脈沖寬度為100μs，重復頻率2.5kHz。繼續(xù)增加抽運功率，在示波器中觀察到激光輸出功率出現(xiàn)一種類似正弦信號的波動，這種正弦波動的脈沖，其重復頻率隨抽運功率的提高而增加，寬度隨抽運功率的提高而減小，幅值有先增大后減小的趨勢，如圖4所示。圖5為重復頻率、脈沖寬度和輸出功率隨抽運功率的變化曲線圖。圖6顯示了不同抽運功率下，輸出脈沖重復頻率及峰值功率穩(wěn)定度情況。在抽運功率21mW～190mW的范圍內(nèi)，正弦脈沖的寬度在8μs～100μs范圍內(nèi)可調(diào)、重復頻率在2.5kHz～54kHz范圍內(nèi)可調(diào)。

Fig.2 Spectrogram and oscillogram of oscillating laser a—spectrogram b—oscillogram

Fig.3 Oscillogram of the self-Q-switched pulse

Fig.4 Sinusoidal graph with pump power(20μs/div)

Fig.5 Graph of repetition frequency，pulse width and output power change with pump power

Fig.6 The stability of repetition frequency and peak power with different pump power

綜上所述，隨著抽運功率的增加，線形腔結構摻鉺光纖激光器經(jīng)歷了連續(xù)波、自調(diào)Q脈沖兩種運行狀態(tài)。

2 環(huán)形腔自調(diào)Q摻鉺光纖激光器的動態(tài)特性研究

環(huán)形腔結構如圖7所示。采用同線形腔中相同的20m摻鉺光纖作增益光纖，1560nm光柵進行選波，3dB耦合器的一個輸出壁作為整個激光器的輸出端，光纖環(huán)形器保證激光在腔內(nèi)逆時針單向運轉。光譜分析儀、功率計、光電探測器和示波器分別用于測量激光光譜、輸出功率和脈沖序列。

Fig.7 Structure diagram of self-Q-switched erbium-doped fiber laser with ring cavity

實驗中，抽運功率為16.2mW時激光起振，同時示波器上觀察到自脈沖序列，每兩個自脈沖之間存在一個子脈沖，并在閾值附近隨著抽運功率的提高子脈沖幅度逐漸增加，如圖8所示。進一步提高抽運功率，示波器上顯示出正弦波動的脈沖。隨著抽運功率的提高幅度逐漸變小，重復頻率略微增加，脈沖寬度略微減小。當抽運功率增加到110mW時，示波器顯示連續(xù)激光輸出，如圖9所示。圖10表示環(huán)形腔脈寬、重復頻率、輸出功率隨抽運功率的變化情況，在抽運功率16.2mW～110mW范圍內(nèi)，獲得了脈沖寬度165μs左右、重復頻率約為3kHz的自調(diào)Q脈沖。圖11顯示了不同抽運功率下，脈沖重復頻率、峰值功率穩(wěn)定度情況。

Fig.8 Graph of self-Q-switched pulse in ring cavity with pump power

Fig.9 Sinusoidal graph of ring cavity at different pump power(200μs/div)

Fig.10 Graph of repetition frequency，pulse width and output power change with pump power in ring cavity

綜上所述，隨著抽運功率的增加，環(huán)形腔結構摻鉺光纖激光器經(jīng)歷了自調(diào)Q脈沖、連續(xù)激光輸出兩種運行狀態(tài)。

Fig.11 The stability of repetition frequency and peak power with different pump power in ring cavity

3 實驗現(xiàn)象分析

調(diào)Q技術，即在諧振腔低Q值時，進行能量的存儲;高Q值時，將存儲的能量在極短的時間內(nèi)釋放出來，形成巨脈沖。要有明顯的調(diào)Q現(xiàn)象，便要求諧振腔處于低損耗狀態(tài)時的Q值(Q1)相對于高損耗狀態(tài)時的Q值(Q2)有較大的變化，即Q1/Q2較大，并且Q開關的開關時間要快。

對于一根摻雜光纖在抽運不充足的情況下，同時作為增益介質(zhì)和可飽和吸收體，從而出現(xiàn)自調(diào)Q的現(xiàn)象，進行理論分析如下:對摻雜光纖進行端面抽運，抽運光在摻雜光纖中傳輸時存在傳輸損耗，同時由于稀土離子的受激吸收存在吸收損耗。傳輸損耗同吸收損耗相比，可以忽略。因此，抽運光在光纖中的功率分布可以用下面的公式表示:

式中，α為抽運光在光纖中的損耗系數(shù)。可見，抽運光在摻雜光纖中呈指數(shù)衰減。這樣，只有在摻雜光纖的前部分，滿足g(z)＞δ(g(z)為對激光功率的增益系數(shù)，δ為對激光功率的損耗系數(shù))時，可以作為增益介質(zhì);而后部分因為抽運不足，導致g(z)＜δ，不再作為增益介質(zhì)，反而對前面增益介質(zhì)中發(fā)射的激光進行吸收，且具有可飽和吸收特性。因此，抽運不充足時，就將一根摻雜光纖分為“增益介質(zhì)區(qū)”和“可飽和吸收區(qū)”，出現(xiàn)自調(diào)Q現(xiàn)象?！霸鲆娼橘|(zhì)區(qū)”長度L隨著抽運功率Pp的增加而增加，而“可飽和吸收區(qū)”的長度Ls隨著抽運功率Pp的增加而減小。

可飽和吸收體的初始透過率T0、初始吸收率γ0、吸收率γ可以表示為:

式中，σs為“可飽和吸收區(qū)”對信號光的受激吸收截面，ns，0為“可飽和吸收區(qū)”的稀土離子摻雜濃度，Ls為“可飽和吸收區(qū)”的長度，I0為飽和光強。

結合(1)式～(4)式，當腔內(nèi)光強可以達到飽和光強時，隨著抽運功率Pp的增加，“增益介質(zhì)區(qū)”的長度L變長，“可飽和吸收區(qū)”的長度Ls變短?！霸鲆娼橘|(zhì)區(qū)”的長度L變長，導致腔內(nèi)初始光強變大;“可飽和吸收區(qū)”的長度Ls變短，導致初始透過率T0變大，初始吸收率γ0變小。腔內(nèi)初始光強的增大和初始吸收率γ0的減小，均能使吸收率γ的整個動態(tài)變化范圍變小，Q1/Q2變小且Q1/Q2→1;同時，“可飽和吸收區(qū)”的開關速度加快。

在閾值附近進行抽運時，雖然吸收率γ有足夠大的動態(tài)范圍，但由于抽運功率太小，對于損耗大的諧振腔(“壞腔”)，便需要累積足夠長的時間才能使“可飽和吸收區(qū)”飽和，開關速度過慢，由于上能級粒子壽命的制約，在未達到飽和光強之前，便將存儲的能量釋放出去，而且由于此時腔內(nèi)的損耗較大，存儲的能量釋放時的腔內(nèi)光強與初始光強相比也不會太大，較小的光強變化，導致Q1/Q2較小，因而調(diào)Q現(xiàn)象微弱，以致于觀察不出，若用示波器觀察，觀察到的是連續(xù)波運行狀態(tài);但是在起振閾值附近，對于損耗小的諧振腔(“好腔”)，較快的腔內(nèi)光子數(shù)增長速率，可以在較短的時間內(nèi)漂白“可飽和吸收區(qū)”，使得上能級離子壽命不再成為限制因素，吸收率γ大的動態(tài)范圍使得Q1/Q2較大，便可呈現(xiàn)明顯的調(diào)Q現(xiàn)象。隨著抽運功率的增加，“可飽和吸收區(qū)”的開關速度加快，無論是“壞腔”還是“好腔”，上能級粒子壽命不再是制約因素，可以有效地進行能量存儲，且Q1/Q2較大，呈現(xiàn)明顯的調(diào)Q現(xiàn)象。而隨著抽運功率的進一步增加，盡管依然有“可飽和吸收區(qū)”的存在，但是初始光強很大，使得對應于初始光強的吸收率γ→0，致使Q1/Q2→1，Q值變化不大，調(diào)Q作用微弱，人眼很難辨別，若用示波器觀察，觀察到的是連續(xù)波運行狀態(tài)，而要達到這種狀態(tài)，“壞腔”相對于“好腔”需要更高的抽運功率。抽運功率再增加，使得沒有“可飽和吸收區(qū)”，諧振腔Q不變，為連續(xù)波運行狀態(tài)。

綜上所述，當抽運功率達到起振閾值后，隨著抽運功率的繼續(xù)增加，用示波器觀察輸出激光，對于“好腔”，輸出激光依次經(jīng)歷了自調(diào)Q、連續(xù)波運行狀態(tài);對于“壞腔”，輸出激光依次經(jīng)歷了連續(xù)波、自調(diào)Q、連續(xù)波運行狀態(tài)，只是第2次出現(xiàn)連續(xù)波運行狀態(tài)所需的抽運功率比“好腔”大。

實驗中，無論是線形腔還是環(huán)形腔，在較長的摻雜光纖且抽運功率不足的條件下，都能觀察到輸出脈沖為微秒量級、重復頻率為千赫茲量級的調(diào)Q脈沖，這種現(xiàn)象可以歸結為可飽和吸收體的自調(diào)Q現(xiàn)象。在進行自調(diào)Q實驗的過程中，隨著抽運功率的增加，其脈沖重復頻率變大，脈寬變小，幅值變小。線形腔腔損耗較大，依次經(jīng)歷了連續(xù)波和自調(diào)Q兩個運行狀態(tài)，由于抽運源的輸出功率和耦合條件，實驗中未能進一步增加抽運功率，因而線形腔中沒有觀察到第2次連續(xù)波運行狀態(tài);環(huán)形腔腔損耗較小，依次經(jīng)歷了自調(diào)Q、連續(xù)波兩個運行狀態(tài)。實驗所得結果同理論分析一致。

此外，線形腔和環(huán)形腔實驗中，在剛出現(xiàn)自調(diào)Q現(xiàn)象時，自調(diào)Q脈沖底座明顯，而隨著抽運功率的提高，自調(diào)Q脈沖底座不明顯，呈現(xiàn)正弦自脈沖形態(tài)。這主要是因為剛出現(xiàn)自調(diào)Q現(xiàn)象時，抽運功率較弱，作為可飽和吸收體的光纖段較長，需要較長的時間使其達到飽和吸收，這段時間為上能級粒子數(shù)不斷積累的過程，呈現(xiàn)在波形上為較長的脈沖底座。而隨著抽運功率的提高，作為可飽和吸收體的光纖段逐漸變短，使其達到飽和吸收的時間也越來越小，即上能力粒子數(shù)積累的時間較短，因此脈沖底座較小，逐漸呈現(xiàn)正弦脈沖形態(tài)。

線形腔與環(huán)形腔相比，有較大的自調(diào)Q范圍。是因為其諧振腔損耗較大，輸出端只有4%的菲涅耳反射(相對于環(huán)形腔50%的輸出)，腔內(nèi)光子集聚數(shù)增長的速率減緩，使腔內(nèi)飽和吸收體出現(xiàn)“飽和”所需的時間相應延長，因此第2次產(chǎn)生連續(xù)光輸出需要的抽運功率更大，相應的自調(diào)Q范圍也較大。此外，環(huán)形腔中自調(diào)Q脈沖的寬度幾乎不變也與腔內(nèi)光子壽命有關，由于腔內(nèi)激光光強的迅速增大，自調(diào)Q光纖的吸收系數(shù)較小，儲能較小，因此產(chǎn)生的自脈沖的寬度較寬。

4 小結

實驗研究結果證明，無論是線形腔結構還是環(huán)形腔結構，在較低的抽運功率下，摻鉺光纖激光器都可以出現(xiàn)自調(diào)Q脈沖，并且可以通過調(diào)節(jié)抽運功率的大小控制自脈沖;自脈沖不一定在“壞腔”(如線形腔)的激光器中才能得到，在光子壽命較長的“好腔”中(如環(huán)形腔)也能獲得自脈沖;“壞腔”的自調(diào)Q范圍比“好腔”大。綜上所述，影響摻鉺光纖激光器動態(tài)特性的主要因素有可飽和吸收效應和腔內(nèi)光子壽命?？娠柡臀招绊懠す馄鞯妮敵鲂螒B(tài);腔內(nèi)光子壽命決定該輸出形態(tài)的動態(tài)范圍。

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