無(wú)拍頻1570nm光纖激光器及其在2μm波段激光產(chǎn)生中的應(yīng)用

李晨睿,李香樂(lè),應(yīng)佳峻,吳怡童,盛雨齊,周勇,高偉清

(合肥工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著1960年美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼等發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器,激光技術(shù)已廣泛應(yīng)用在民用及軍用領(lǐng)域。其中,2μm超短脈沖光纖激光器處于中紅外波段,脈沖寬度窄,峰值功率高,在中紅外超連續(xù)光譜研究方面有著重要的應(yīng)用,因此大多用于生物醫(yī)療、材料加工、軍事對(duì)抗、環(huán)境監(jiān)測(cè)[1]等方面。

與其他光纖激光器相比,摻銩光纖激光器在轉(zhuǎn)換效率與性能方面更具優(yōu)勢(shì)。不同的增益光纖所激發(fā)的波段不同。銩離子能級(jí)結(jié)構(gòu)豐富[2,3],可以選擇多種泵浦源實(shí)現(xiàn)2μm激光輸出,因其在793 nm和1570 nm附近存在吸收截面[4,5],一般采用793 nm或者1550 nm的泵浦源進(jìn)行泵浦。其中793 nm半導(dǎo)體激光器結(jié)合雙包層泵浦技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較高的輸出功率,且在該波長(zhǎng)泵浦時(shí),激光器的量子效率可接近200%[6]。與傳統(tǒng)激光器不同,雙包層光纖激光器最大的優(yōu)點(diǎn)為泵浦傳輸利用率高,泵浦光在內(nèi)包層擁有較大的傳輸面積,且其非圓對(duì)稱的結(jié)構(gòu)保證了泵浦光和信號(hào)光在纖芯中可以充分地相互作用,從而使在纖芯中傳播的激光成倍增加[7,8]。對(duì)于雙包層泵浦的2μm光纖激光器,其熱處理結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,激光器光光轉(zhuǎn)換效率低[6]。對(duì)于1570 nm單模泵浦源,為保證其時(shí)域穩(wěn)定性,常見(jiàn)商用泵浦源均采取半導(dǎo)體單縱模激光器結(jié)合高功率放大器實(shí)現(xiàn),該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制作成本高。

本文基于塞格納克寬帶反射器與部分反射光纖光柵搭建了直接輸出1570 nm單波長(zhǎng)的光纖激光器,并實(shí)驗(yàn)研究了此激光器在不同光纖光柵反射率下的諧振效率,從而獲得激光器最佳輸出耦合比。結(jié)果表明當(dāng)光柵反射率為20%時(shí),得到最大諧振效率為24.42%,最高輸出功率為2.8 W,激光邊模抑制比為65 dB。通過(guò)優(yōu)化腔長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了激光器的穩(wěn)定無(wú)拍頻輸出,并使用該激光器成功實(shí)現(xiàn)了2μm波段鎖模光纖激光器泵浦。

1 激光器結(jié)構(gòu)

所研究光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,915 nm多模LD泵浦通過(guò)泵浦合束器進(jìn)入5 m長(zhǎng)的雙包層餌鐿共摻增益光纖(Coractive DCF-EY-8/125)為激光器提供增益,利用5:5光纖耦合器搭建Sagnac寬帶反射鏡作為腔鏡,部分反射光纖光柵作為輸出耦合鏡,輸出耦合比由光纖光柵反射率決定,隔離器用于避免光纖端反射對(duì)激光器諧振的影響。除泵浦合束器外所有器件尾纖均使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(康寧SMF-28e),光纖光柵也通過(guò)載氫刻寫(xiě)在單模光纖上。由于信號(hào)光在激光器中運(yùn)轉(zhuǎn)均保持單模特性,激光器輸出模場(chǎng)為單橫模(M2<1.1)。

圖1(b)所示為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中四種不同反射率(20%、40%、60%、80%)光纖布拉格光柵的透射譜,四種光纖布拉格光柵都在反射中心波長(zhǎng)1570 nm處展現(xiàn)了較好的單波長(zhǎng)反射特性。圖中對(duì)不同反射率光纖光柵透射譜進(jìn)行了橫向平移,從而可以更清楚地觀察到四種光柵透射譜的細(xì)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

激光器的諧振效率也稱斜率效率,指激光器的輸出功率隨泵浦功率的變化趨勢(shì),其受增益介質(zhì)能級(jí)特性、泵浦及信號(hào)波長(zhǎng)、激光器結(jié)構(gòu)及腔損以及輸出耦合比影響,諧振效率越大,激光器光光轉(zhuǎn)換效率越高。本實(shí)驗(yàn)在固定其他影響因素的條件下,通過(guò)改變光纖光柵反射率及相對(duì)位置,探究了輸出耦合比和輸出方向?qū)Ρ炯す馄髦C振效率的影響。如圖1(a)所示結(jié)構(gòu)中,激光輸出沿泵浦方向定義為正向輸出;Sagnac反射鏡與光柵光纖互換位置后,激光輸出逆泵浦方向定義為反向輸出。得到輸出功率隨泵浦功率的變化,分別如圖2(a)、(b)所示。

圖1 (a)激光器結(jié)構(gòu);(b)FBG透射譜Fig.1 (a)Structureof laser;(b)Transmission spectrum of FBG

圖2 (a)正向輸出和(b)反向輸出諧振效率曲線Fig.2 The resonant efficiency curves of(a)forward output and(b)backward output

通過(guò)線性擬合得到的八組諧振效率數(shù)值如表1所示。通過(guò)八組數(shù)據(jù)的比對(duì),實(shí)驗(yàn)中采用20%反射率的光纖光柵結(jié)合正向輸出獲得了最高的諧振效率(24.42%),當(dāng)915 nm多模LD泵浦功率開(kāi)滿后,得到的最大輸出功率為2.8 W。

表1 不同反射率FBG正反向輸出的諧振效率對(duì)比Table 1 Comparison of forward and backward slope efficiency of different FBG reflection

當(dāng)激光器泵浦功率固定為1668 mW時(shí),將激光器輸出通過(guò)衰減后接入光譜儀(Yokokawa ADQ6317B,光譜精度0.05 nm),測(cè)得該激光器在不同結(jié)構(gòu)下的輸出光譜,如圖3所示。從圖3中可以看出,激光器輸出中心波長(zhǎng)都固定在光纖光柵反射波長(zhǎng)1570 nm處,3 dB光譜寬度為0.2 nm。同樣地,圖中對(duì)不同反射率光纖光柵對(duì)應(yīng)的激光器輸出光譜進(jìn)行了橫向平移,從而可以更清楚地觀察到光譜細(xì)節(jié)。通過(guò)對(duì)不同反射率光纖光柵輸出光譜進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn),激光器輸出光譜的邊模抑制比隨光纖光柵反射率的變化不明顯,且都超過(guò)60 dB,驗(yàn)證了激光器較高的單色特性。

圖3 (a)激光器輸出光譜;(b)正向輸出光譜和(c)反向輸出光譜對(duì)比Fig.3 (a)Output spectrum of laser;Comparison of(b)forward output spectrum and(c)backward output spectrum

激光輸出衰減后進(jìn)入光電探測(cè)器(合肥脈銳光電PD03,帶寬3 GHz)得到激光強(qiáng)度信號(hào),采用示波器(Keysight DSOX6002A,采樣率20 GHz)和頻譜儀(Keysight N9000B)測(cè)量了該強(qiáng)度信號(hào)的時(shí)域特性。如圖4(a)所示,可以看到明顯的拍頻抖動(dòng)信號(hào),其頻譜特性如圖4(b)所示(分辨率帶寬為1 kHz),可以看到信號(hào)中包含明顯的拍頻分量,拍頻頻率為2.15 MHz。為優(yōu)化激光器輸出特性,將1 km的單模光纖加入腔內(nèi)以增大腔長(zhǎng),通過(guò)增強(qiáng)縱模的隨機(jī)性增加諧振縱模數(shù)量的平均效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)了激光器的穩(wěn)定無(wú)拍頻輸出。此外該段單模光纖中存在由于光纖自身材料不均勻性導(dǎo)致的隨機(jī)瑞利散射,該散射光也可以作為激光器反饋參與諧振,因此激光器諧振方式類似于隨機(jī)激光,相對(duì)于短腔激光器功率無(wú)明顯時(shí)域抖動(dòng)。激光器輸出時(shí)間特性及頻譜如圖4(c)、(d)所示,輸出激光從時(shí)域上和頻域上都看不到明顯的拍頻抖動(dòng)。通過(guò)對(duì)輸出功率進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量,發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度或振動(dòng)對(duì)輸出功率沒(méi)有明顯影響。增加單模光纖后,激光器腔長(zhǎng)略大于1 km,對(duì)應(yīng)縱模間隔在100 kHz左右,在1 kHz分辨率帶寬下,頻譜上未觀察到明顯的拍頻信號(hào),保證了激光器輸出功率在時(shí)域上的隨機(jī)性。

圖4 腔長(zhǎng)優(yōu)化前(a),(b)及腔長(zhǎng)優(yōu)化后(c),(d)激光器時(shí)域及頻域特性Fig.4 Time and frequency domain characteristics of the fiber laser without cavity length optimization(a),(b)and after cavity length optimization(c),(d)

3 2μm波段光纖激光器泵浦驗(yàn)證

為驗(yàn)證本激光器在2μm波段光纖激光器泵浦的特性,利用該激光器作為2μm波段被動(dòng)鎖模光纖激光器泵浦,激光器結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。其被動(dòng)鎖模機(jī)理為非線性偏振旋轉(zhuǎn):1570 nm泵浦源通過(guò)波分復(fù)用器(WDM)進(jìn)入摻銩光纖(TDF)實(shí)現(xiàn)激光器泵浦,由于隨機(jī)的受激輻射過(guò)程形成隨機(jī)信號(hào)脈沖,背向信號(hào)脈沖經(jīng)過(guò)單模光纖(SMF)產(chǎn)生線性及非線性的偏振旋轉(zhuǎn),通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振控制器(PC)調(diào)整腔內(nèi)信號(hào)偏振態(tài),使得脈沖峰值和前后沿分別經(jīng)過(guò)偏振相關(guān)隔離器(PD-ISO)時(shí)為高透和高吸收,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖壓窄,頻域表現(xiàn)為出現(xiàn)相位差穩(wěn)定的相鄰縱模,壓窄后的脈沖進(jìn)入摻銩光纖而繼續(xù)被放大參與循環(huán),最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出。該結(jié)構(gòu)無(wú)需外界加入光/電信號(hào)或注入脈沖,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全光纖化[9,10]。

在合適的偏振狀態(tài)下,1570 nm激光器輸出為286.4 mW時(shí),該2μm被動(dòng)鎖模光纖激光器成功實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)鎖模脈沖輸出,其鎖模脈沖序列及激光光譜分別如圖5(b)、(c)所示,脈沖間隔為39.55 ns,為雙孤子鎖模,激光中心波長(zhǎng)為1974 nm,3 dB帶寬為4 nm。其脈沖自相關(guān)曲線如圖5(d)所示,其sech2擬合后自相關(guān)曲線半高寬度為1.71 ps,對(duì)應(yīng)脈沖寬度為1.13 ps。脈沖頻譜(分辨率帶寬為1 kHz)如圖5(e)所示,其基頻頻率為25.28 MHz,對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)為7.91 m,脈沖信噪比大于60 dB,說(shuō)明鎖模脈沖非常穩(wěn)定。圖5(e)插圖所示為光電轉(zhuǎn)換后電脈沖高次諧波頻譜,其頂部平坦性側(cè)面說(shuō)明了脈沖的穩(wěn)定性。從該結(jié)果可以看出,此1570 nm光纖激光器時(shí)域輸出穩(wěn)定,且在2μm波段表現(xiàn)出良好的泵浦特性。孤子鎖模是腔內(nèi)非線性偏振旋轉(zhuǎn)和自相位調(diào)制導(dǎo)致的脈沖壓窄與色散展寬達(dá)到平衡后的結(jié)果,提高泵浦功率導(dǎo)致腔內(nèi)的非線性效應(yīng)變強(qiáng),使得孤子進(jìn)一步壓縮而導(dǎo)致峰值功率超出增益光纖的增益飽和閾值,從而出現(xiàn)孤子劈裂,導(dǎo)致雙孤子鎖模脈沖輸出,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)降低泵浦功率可以得到單孤子鎖模輸出。

圖5 (a)2μm波段被動(dòng)鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu);(b)鎖模脈沖序列;(c)鎖模輸出光譜;(d)自相關(guān)曲線;(e)脈沖頻譜(插圖為高次諧波頻譜)Fig.5 (a)Structure of the 2μm waveband passively mode-locking fiber laser;(b)Mode-locked pulses;(c)Output spectrum;(d)Auto correlation curve;(e)Pulse spectrum(The inset shows the harmonic spectrum)

4 總結(jié)

實(shí)現(xiàn)了基于光纖布拉格光柵的1570 nm單波長(zhǎng)光纖激光器直接輸出,采用光纖耦合器搭建塞格納克寬帶反射器與部分反射光纖光柵構(gòu)建直腔,通過(guò)優(yōu)化光柵反射率實(shí)現(xiàn)了最大諧振效率為24.42%、最大輸出功率為2.8 W、邊模抑制比為65 dB的1570 nm光纖激光輸出。通過(guò)增大腔長(zhǎng)增加諧振縱模數(shù)量,從而基于平均效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了激光器的穩(wěn)定無(wú)拍頻輸出,并利用此激光器作為摻銩光纖泵浦源實(shí)現(xiàn)了2μm波段光纖激光器鎖模輸出,雙孤子鎖模脈沖間隔為39.55 ns,激光中心波長(zhǎng)為1974 nm,3 dB帶寬為4 nm。相比于傳統(tǒng)2μm波段摻銩光纖泵浦,此激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、可實(shí)現(xiàn)單模泵浦等優(yōu)勢(shì)。