基于光柵反饋技術(shù)的摻銩光纖隨機激光器

朱德才，胡耀宗，周樂文，黃昌清，董新永

（1 廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣州 510006）（2 廣東省信息光子技術(shù)重點實驗室，廣州 510006）（3 中國計量大學 光學與電子科技學院，杭州 310018）

0 引言

光纖隨機激光器是一種基于光纖中光信號增益和隨機分布反饋效應(yīng)的新型光纖激光器，具有結(jié)構(gòu)簡單、無需諧振腔、輸出激光空間相干性弱等優(yōu)點，有望在光傳感與通信、無散斑成像、生物醫(yī)學檢測、激光加工、非線性光學研究等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用［1-2］。自2007年第一臺光纖隨機激光器被報道以來［3］，研究人員對其基礎(chǔ)理論和工作機理展開了深入研究［4-8］，通過改變激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、增益機制和光信號反饋方式等，研制出多種不同結(jié)構(gòu)和類型的光纖隨機激光器。按照反饋材料和機制的不同，光纖隨機激光器大致可以分為空芯填充型［9-10］、瑞利散射型［11-12］和光柵反饋型［13-15］。其中，液芯填充型光纖隨機激光器通過在空芯光纖的空氣芯中填充包含高散射性顆粒和增益材料的液體，利用光纖的二維限制特性實現(xiàn)隨機激光的一維輸出，是最原始的光纖隨機激光器設(shè)計，制備和使用不方便；瑞利散射型光纖隨機激光器利用光纖本身對光信號的后向瑞利散射提供分布式隨機反饋，反饋效率比較低；光柵反饋型光纖隨機激光器則利用反饋效率遠高于瑞利散射效應(yīng)的光纖光柵提供反饋，具有泵浦閾值低、效率高等優(yōu)點。當前，光纖隨機激光器的研究和應(yīng)用主要集中在1.0～1.6 μm波段，增益介質(zhì)或機理主要為光纖受激拉曼散射、光纖受激布里淵散射、摻鉺光纖、摻鐿光纖等。光纖隨機激光器的最高輸出功率已達百瓦量級［16-18］，并在全光場實時成像、遠距離傳感、隨機比特碼生成等領(lǐng)域獲得應(yīng)用［19-22］。

近年來，工作在人眼安全的2 μm波段的光纖激光器受到了廣泛關(guān)注。該波段包含了1940 nm附近的水吸收峰，對組織的穿透深度淺，從而使得2 μm波段光纖激光成為包括非侵入手術(shù)等醫(yī)療過程的有力工具［23-25］。該波段還包含幾個大氣透明窗口，在自由空間通信、遙感、激光雷達等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用前景。針對激光在中紅外波段的廣泛技術(shù)需求，光纖隨機激光器研發(fā)的波長范圍也在從常規(guī)的1.0～1.6 μm波段向2 μm及以上波段延伸。但是與常規(guī)波段相比，光纖隨機激光器在2 μm波段必須面對兩個不利因素：一是普通光纖在2.0 μm的損耗高達30 dB/km，而且隨波長增加而急劇升高［26］；二是光纖瑞利散射的強度與波長的四次方成反比，所以光纖在2.0 μm的散射只有1.0 μm處的1/16和1.5 μm處的1/5。因此，采用石英光纖和瑞利散射的常規(guī)技術(shù)和方法難以獲得高性能的2 μm波段隨機光纖激光器。為克服以上困難，2015年，上海交通大學采用纖芯摻鍺的高數(shù)值孔徑光纖為半導(dǎo)體激光泵浦的摻銩光纖提供隨機分布瑞利散射反饋，在4 W以上的泵浦功率下獲得了隨機調(diào)Q激光輸出［27］。2016年，國防科技大學利用1942 nm激光泵浦150 m長的高摻鍺光纖（二氧化鍺濃度38%），在泵浦功率超過3 W時獲得了寬帶的隨機拉曼激光輸出［28］。這兩個工作都采用了在2 μm波段傳輸損耗相對較低的高摻鍺光纖，但弱的瑞利散射依然導(dǎo)致激光器的泵浦閾值高、轉(zhuǎn)換效率低。2021年，深圳大學將200 m單模光纖的瑞利散射與摻銩光纖的主動增益相結(jié)合，獲得2 μm隨機激光，但泵浦功率閾值仍然高達3.5 W［29］。

本文采用793 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，利用摻銩光纖產(chǎn)生增益放大，采用光纖隨機光柵和高反射率光纖光柵構(gòu)成半開放腔結(jié)構(gòu)光纖隨機激光器，在2 μm波段實現(xiàn)了閾值功率為2.33 W、斜率效率為4%的窄線寬激光輸出。

1 激光器結(jié)構(gòu)和工作原理

提出的基于光柵反饋技術(shù)的摻銩光纖隨機激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由793 nm半導(dǎo)體激光器、793 nm/2000 nm波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）、高反射率光纖光柵（High Reflectivity Fiber Bragg Grating，HR-FBG）、摻銩光纖和刻寫在普通單模光纖上的光纖隨機光柵構(gòu)成。所用摻銩光纖（Nufern，SM-TDF-10P/130-HE）的長度為1.5 m，模場直徑為10 μm，數(shù)值孔徑為0.15，對793 nm的吸收系數(shù)為3 dB/m；HR-FBG的中心波長為1940.1 nm，3 dB帶寬為0.25 nm，反射率為99%，其透射譜如圖2所示。高反射率光纖光柵作為反射端鏡，使激光器成為半開腔結(jié)構(gòu)，可以降低隨機光纖激光器的閾值功率。

圖1 基于光柵反饋技術(shù)的摻銩光纖隨機激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of the Tm3+-doped fiber random laser based on grating feedback technology

圖2 高反射率光纖光柵的透射譜Fig.2 Transmission spectrum of the high-reflectivity fiber Bragg grating

光纖隨機光柵是由飛秒激光逐點寫入的，其柵區(qū)長度為10 cm，纖芯中沿著光纖長度方向具有超過6000個間距隨機分布的折射率畸變點，這些折射率畸變點增強了光纖纖芯軸向折射率的非均勻性，產(chǎn)生了增強的反向瑞利散射效應(yīng)。光纖隨機光柵的制備過程中，超快鈦寶石再生放大器的工作波長為800 nm，重復(fù)頻率為10 Hz，脈沖持續(xù)時間為80 fs。采用一個由平凸透鏡和面凹透鏡組成的光束減縮器來減小激光束寬度，通過光學顯微鏡的物鏡將其產(chǎn)生的飛秒脈沖通過光纖側(cè)面聚焦到SMF-28光纖的纖芯上，而SMF-28光纖被提前安裝在一個氣浮軸承臺（Aerotech）上，以100 μm/s的速度移動。物鏡安裝在壓電工作臺上，該工作臺沿光纖軸以100 Hz的頻率的偽隨機方式抖動，其最大位移為2.5 μm。如此沿10 cm的SMF-28光纖引入了超過6000個折射率畸變點，相鄰畸變點的空間間隔在0～3.5 μm范圍內(nèi)隨機分布。該光柵的制備應(yīng)該滿足兩個基本要求：1）光纖隨機光柵寫入折射率的調(diào)制深度要淺，不至于引起過大的插入損耗；2）寫入的折射率畸變點數(shù)要足夠多，才能產(chǎn)生足夠強的瑞利散射，與幾公里甚至幾十公里單模光纖的瑞利散射達到一個量級。

實驗測得光纖隨機光柵在2 μm的插入損耗為4.7 dB，雖然損耗的光中僅很少的部分為后向瑞利散射，但其反饋強度可等同于數(shù)公里的單模光纖［30］。與之相比，1 km普通單模光纖在2 μm的傳輸損耗約為30 dB。因此，采用光纖隨機光柵可以在短的光纖長度上產(chǎn)生較強的隨機分布反饋效應(yīng)，避免長的普通單模光纖用于2 μm分布反饋所帶來大的傳輸損耗。

在兩個光纖光柵外側(cè)的光纖尾端熔接接負8角跳線來消除光纖端面的菲涅爾反射。左端為光纖隨機激光器的輸出端，與泵浦激光的輸入方向相反，可避免在輸出激光中混入殘余的泵浦光。隨機激光器的輸出光譜和功率分別用光譜分析儀（OSA，AQ6376）和光功率計來測量。

激光器的工作原理為：摻銩光纖在793 nm泵浦激光作用下產(chǎn)生上下能級集居反轉(zhuǎn)，引起自發(fā)輻射效應(yīng)，其前向傳輸?shù)淖园l(fā)輻射光中與右端的高反射率光纖光柵波長相同的部分被反射回來，經(jīng)摻銩光纖放大，然后到達光纖隨機光柵，大部分的光經(jīng)由光纖隨機光柵到輸出端，少部分光被光纖隨機光柵反饋回去，再次進入摻銩光纖被放大并被右端的高反射率光纖光柵反射回來，由此往復(fù)形成諧振。隨著793 nm泵浦激光功率的提高，當增益能夠補償腔內(nèi)損耗時，形成隨機激光輸出。

2 實驗結(jié)果與討論

摻銩光纖隨機激光器的輸出光譜由波長分辨率為0.1 nm的AQ6376光譜分析儀測得。隨著泵浦功率逐漸增加，在低于閾值泵浦功率時，只觀察到高反射率光纖光柵的反射譜。在泵浦功率達到和超過2.33 W時，觀察到激光產(chǎn)生，激光輸出峰值波長為1940 nm，略低于高反射率光纖光柵透射譜的中心波長0.1 nm。這是由于1.5 m摻銩光纖的最大增益波長小于1940 nm，所以激光產(chǎn)生在高反射率光纖光柵反射譜的短波側(cè)。因此，摻銩光纖隨機激光器的閾值功率為2.33 W，閾值前后的光譜如圖3所示。

圖3 摻銩光纖隨機激光器閾值附近的輸出光譜Fig.3 Output spectra of the Tm3+-doped fiber random laser with pump powers near the threshold

隨著泵浦光功率逐漸增大，光纖隨機激光器輸出光譜中峰值波長處的光強度隨之明顯增加，不同泵浦功率下的輸出光譜如圖4所示。在3.8 W泵浦功率下的輸出功率為57 mW，光信噪比達56 dB。激光強度增加的同時，激光器的輸出波長在泵浦功率變化過程中保持穩(wěn)定。這是因為兩個光纖光柵都制備在普通單模光纖上，而不是摻銩光纖上，因此其波長不受摻銩光纖在泵浦光作用下溫度變化的影響。實驗測得摻銩光纖隨機激光器的輸出功率隨泵浦功率的變化呈良好的線性關(guān)系，如圖5所示，斜率效率約為4%。經(jīng)測量泵浦源輸出尾纖與WDM泵浦端熔接點的插入損耗為3 dB，摻銩光纖與WDM公共端熔接點的插入損耗為4.5 dB。斜率效率不高的主要原因是上述兩個熔接點兩端光纖的纖芯直徑、模場直徑、光纖折射率不匹配導(dǎo)致熔接點的插入損耗過大。若不考慮熔接點的插入損耗，按注入摻銩光纖的泵浦功率計算，實際斜率效率可以達到22%，與普通摻銩光纖激光器的斜率效率相近。因此，通過定制尾纖匹配的WDM來減少熔接損耗，可以提高摻銩光纖隨機激光器的斜率效率。

圖4 不同泵浦功率下測得的隨機激光輸出光譜Fig.4 Random laser output spectra measured at different pump powers

圖5 摻銩光纖隨機激光器的輸出特性Fig.5 Output characteristics of Tm3+-doped fiber random laser

為了測試光纖隨機激光器輸出的時間穩(wěn)定性，在泵浦功率為3.8 W情況下，每隔5 min記錄一次激光的輸出光譜和功率，每隔1 s記錄一次激光的輸出功率，總測量時間為1 h，記錄的激光輸出光譜如圖6所示。實驗結(jié)果顯示，隨機光纖激光器的峰值波長漂移小于0.1 nm，低于光譜分析儀的波長分辨率，說明摻銩光纖隨機激光器的輸出光譜具有良好的穩(wěn)定性，應(yīng)該與高反射率光纖布拉格光柵良好的波長選擇性反射有關(guān)。圖7為實驗測得的激光輸出功率隨時間的變化，激光輸出功率的最大值為17.62 dBm，最小值為17.03 dBm，最大差異僅為0.59 dB，說明本文的摻銩光纖隨機激光器具有良好的輸出穩(wěn)定性。

圖6 泵浦激光功率為3.8 W時多次測量得到的隨機激光輸出光譜Fig.6 Laser output spectra of multiple measurements at pump power of 3.8 W

圖7 隨機激光輸出功率隨時間的變化Fig.7 Output power of the random laser versus time

3 結(jié)論

利用光纖隨機光柵的增強瑞利散射效應(yīng)提供分布式隨機反饋，結(jié)合高反射率光纖光柵的窄帶選頻濾波作用，在793 nm半導(dǎo)體激光器的泵浦下，以摻銩光纖作為增益介質(zhì)，獲得了結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定的半開腔結(jié)構(gòu)2 μm波段光纖隨機激光器，并對其輸出光譜和功率特性做了研究。實驗獲得光纖隨機激光器的峰值波長為1940 nm，閾值為2.33 W，在3.8 W泵浦功率下的輸出功率為57 mW，光信噪比達56 dB。另外，輸出激光在1 h內(nèi)的波長偏移量小于0.1 nm，功率變化為0.26 dB，具有良好的時間穩(wěn)定性。