基于自鎖模的全光纖調(diào)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(diào)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(xiàn)狀，及最新的全光纖化調(diào)Q方法，本文采用光纖的非線性偏轉(zhuǎn)（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(diào)Q的技術。創(chuàng)新性的將這兩種技術相連接以構(gòu)建低重頻、窄脈寬的全光纖激光器系統(tǒng)。通過所搭建的系統(tǒng)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(diào)Q；FBG調(diào)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(yī)療方面有很好的應用前景，而現(xiàn)今主要集中在調(diào)Q、鎖摸來實現(xiàn)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(nèi)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(tǒng)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(wěn)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(diào)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(diào)Q技術與自鎖摸技術結(jié)合起來。其結(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(diào)Q方法

實現(xiàn)全光纖化調(diào)Q最簡單的方法是FBG調(diào)諧［5］。其結(jié)構(gòu)如圖 3，主要依靠對光纖布拉格光柵的調(diào)諧實現(xiàn)對 Laser resonator損耗（Q值）的調(diào)節(jié)。

圖3 FBG構(gòu)成的Q開關

根據(jù)FBG反射中心波長公式：

改變光柵柵格間距（比如伸縮，側(cè)壓）或者改變有效折射率，都會使得中心波長發(fā)生移動。當構(gòu)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(tài)［6］；當其中一個FBG因拉伸或其他原因中心Prague wave length發(fā)生移動時，兩個FBG就不再構(gòu)成Laser resonator，則激光器處于高損耗低Q值狀態(tài)。如果對FBG進行高頻調(diào)諧，就可以實現(xiàn)調(diào)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(diào)Q是利用磁制伸縮材料構(gòu)成的調(diào)制器進行FBG調(diào)諧，其中磁制伸縮材料構(gòu)成的調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖4。M.V. Andres等人將該調(diào)制器放在裝置圖4中，進行調(diào)Q［8］。裝置圖如5［9］所示。

圖4 磁致伸縮材料構(gòu)成的FBG調(diào)制器及其控制電路

圖5 利用磁致伸縮調(diào)制器設計的全光纖調(diào)Q激光器

此系統(tǒng)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(zhuǎn)（NPR）效應進行自鎖模以及通過窄帶濾波器與FBG結(jié)合進行調(diào)Q的相關技術，并將二者結(jié)合，實現(xiàn)低重頻、窄脈寬的All-fiber Q-switched laser。

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

3.2 鎖模方案

根據(jù)光纖的非線性雙折射效應，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應來實現(xiàn)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(gòu)成的環(huán)形腔中，起到隔離和偏振的效果［13］。調(diào)節(jié)PC1可使得經(jīng)過PI輸出后的激光脈沖光為線偏振光，再經(jīng)過PC2后又轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光［4］。在環(huán)形光路中，隨著激光脈沖的傳播，其偏振態(tài)會發(fā)生非線性地變化。這是由自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制產(chǎn)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(jié)合，實現(xiàn)脈沖中心高強度的部分通過，兩側(cè)低強度的部分被減弱。這樣，經(jīng)過全光纖環(huán)形腔的循環(huán)后，脈沖寬度將變窄一些，多次循環(huán)后就可以輸出一個脈寬極窄的脈沖。

3.3 調(diào)Q方案

根據(jù)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(nèi)通過。利用二者對于光波波長的這種敏感特性，就可以構(gòu)成一個Q開關。這部分還需要用到的一個器件就是光纖環(huán)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(huán)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(jīng)環(huán)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(nèi)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(diào)制信號控制，故其反射中心波長會隨著調(diào)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(tài)，反射后的光波再經(jīng)過窄帶濾波器時仍可正常通過，進而由環(huán)形器的3端回到Optical loopmirror中繼續(xù)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(nèi)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(xù)放大；當1 530 nm的光波經(jīng)過放大、壓縮脈寬到一定程度的時候，就可以通過調(diào)節(jié)加在GMM的調(diào)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(tài)，此時經(jīng)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(diào)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(xiàn)主動調(diào)Q。結(jié)合實驗室中現(xiàn)有的條件，磁致伸縮材料對于光纖光柵能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)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(tǒng)整體

調(diào)Q技術實現(xiàn)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(xiàn)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(jié)合實現(xiàn)窄脈寬、低重頻的All-fiber Q-switched laser，裝置圖如圖6所示。環(huán)形器、窄帶濾波器、FBG（附有磁致伸縮傳感器）構(gòu)成了調(diào)Q部分。通過調(diào)節(jié)加在磁致伸縮傳感器上的磁場就可以實現(xiàn)對FBG反射中心波長的調(diào)諧，進而實現(xiàn)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(gòu)成。再經(jīng)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(diào)Q激光器

4 結(jié)束語

利用所搭建的基于自鎖模的全光纖調(diào)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(jù)脈沖間隔t=nL/c，可得重頻t=77.5 ns。

該系統(tǒng)設計主要創(chuàng)新點在于既通過QML L（Q-switched mode-locked laser）技術實現(xiàn)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(jié)合使用來實現(xiàn)更加精細化的Q開關。

該系統(tǒng)在搭建和實現(xiàn)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(nèi)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(diào)節(jié)。

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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(tǒng)、激光技術。