一種基于摻鉺光纖環(huán)形腔激光器的研究

唐仲漢

摘要：我們在通過對腔長的優(yōu)化以及使用大功率的國產(chǎn)泵浦源的基礎(chǔ)上，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）技術(shù)，成功的設(shè)計了穩(wěn)定的環(huán)形腔摻鉺光纖鎖模激光器，這臺激光器可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)。其在500mW的泵功率下，輸出平均功率為18.4mW，輸出光譜的3dB帶寬可以達到32.16nm，中心波長在1560m附近。

關(guān)鍵詞：摻鉺光纖;環(huán)形腔激光器

摻鉺光纖激光器所使用的最本質(zhì)的工作原理就是利用光的受激輻射放大作用，作為增益介質(zhì)的摻鉺光纖在激光腔內(nèi)在泵浦源提供的泵浦作用下，鉺離子受激由低能級躍遷到高能級上，然后通過快速的無輻射躍遷到達激光上能級，當(dāng)泵浦功率達到閾值以后，即可在激光上能級和激光下能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，而后進一步引入各種形式的正反饋，使光在增益介質(zhì)中持續(xù)往返通過，即可實現(xiàn)光的受激輻射放大，當(dāng)光達到極高的強度后，就可以形成激光輸出，從而就構(gòu)成了摻鉺光纖激光器。

被動鎖模摻鉺光纖激光器因為具有實用性良好、光束質(zhì)量較高、平均功率高、穩(wěn)定性好等特點引起了人們的廣泛關(guān)注并取得了巨大的發(fā)展，通信領(lǐng)域中現(xiàn)階段大量使用了摻鉺光纖激光器，就是因為它具有小型輕量化，高增益，高效率和容易產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)等優(yōu)點，截止到目前為止，鎖模摻鉺光纖激光器的輸出功率以及3dB帶寬的大小一直面臨著幾個棘手的技術(shù)挑戰(zhàn)，而這些技術(shù)挑戰(zhàn)主要是由于熱效應(yīng)、非線性和高量子缺陷等問題引起的。而且與此同時，980納米的單模激光二極管的功率限制也限制了高功率鎖模摻鉺光纖激光器的發(fā)展。換句話說，摻鉺鎖模光纖激光器還有很高的發(fā)展前景。

本文基于NPR技術(shù)，通過優(yōu)化摻鉺光纖和激光腔的長度，選擇輸出耦合器合適的配比，成功的設(shè)計了一種全光纖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的摻鉺光纖鎖模激光器。在泵浦功率為SOOmW時，最大輸出功率達到了18.4mW，3dB帶寬達到32.16納米，并能實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模工作。

具體的實驗裝置示意圖如圖1所示。如圖所示，我們設(shè)計了一種常用的環(huán)形激光腔結(jié)構(gòu)。獲得穩(wěn)定的鎖模操作。在我們的實驗過程中，將摻鉺光纖的長度優(yōu)化為70厘米左右。泵浦源采用國產(chǎn)的980納米單模光纖激光器，泵浦源功率最大為500mW。泵浦源通過波長為980/1550nm的波分復(fù)用器接入到激光腔內(nèi)。采用兩個準(zhǔn)直器之間放置兩個二分之一玻片（HWP），兩個四分之一玻片（QWP）和一個偏振分束棱鏡（PBS）來調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)，以穩(wěn)定鎖模輸出，整個激光器由這兩個二分之一玻片，兩個四分之一玻片以及偏振分束棱鏡構(gòu)成類可飽和吸收體，并結(jié)合非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)來實現(xiàn)激光器的被動鎖模。

在實驗過程中，首先對摻鉺光纖和整個激光器的腔長進行了優(yōu)化。最后我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻鉺光纖的長度為70cm時，只有當(dāng)剩余單模光纖總長超過3m時才能達到鎖模，這是由于兩個準(zhǔn)直器之間的損耗問題所產(chǎn)生的，通過反復(fù)的實驗測得只有剩余腔長超過3m后才能得到穩(wěn)定的鎖模操作和功率輸出。在實驗中，通過調(diào)節(jié)四個玻片的狀態(tài)以改變偏振態(tài)，在泵功率為210mW到500mW之間時，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模運行。

穩(wěn)定鎖模運行在最大泵浦功率下的輸出特性如圖2所示。光譜儀記錄的發(fā)射光譜分辨率為0.05nm，中心波長為1557.63mn，3dB帶寬為32.16nm。結(jié)果表明，平均輸出功率與泵功率呈線性關(guān)系。在最大泵浦功率500mW的情況下，最大平均輸出功率高達18.4mW，圖2中還給出了鎖模狀態(tài)下的脈沖序列。由于缺少必要的商用自相關(guān)器，因此很難研究脈沖寬度的真實特性。然而，從光譜的信息來看，計算出的脈沖寬度為ps級，此外，色散對脈沖寬度的影響也不容忽視。在今后的工作中，我們將盡力研究輸出光譜3dB帶寬的極限值。

激光的穩(wěn)定性對其實際應(yīng)用具有重要意義。因此，通過RF頻譜分析儀進一步記錄鎖模操作的穩(wěn)定性，經(jīng)過分析數(shù)據(jù)得出鎖模狀態(tài)是穩(wěn)定的。此外，大跨度射頻光譜對鎖模激光器穩(wěn)定性的測試也具有重要意義，射頻特性表明，我們的工作獲得了高穩(wěn)定性的鎖模脈沖。

我們進一步對整個激光器進行分析，通過調(diào)節(jié)玻片改變偏振態(tài)嘗試找到不同狀態(tài)下的鎖模，通過反復(fù)的實驗得到了具有凱利邊帶特征峰的典型孤子型譜，如圖3所示。此時的激光器已經(jīng)產(chǎn)生了多脈沖，在500mW的泵浦功率下，輸出脈沖波形以四個峰為一個周期，而后我們降低泵浦功率，當(dāng)泵浦功率為450mW時，輸出脈沖波形變?yōu)槿齻€峰為一個周期，然后繼續(xù)降低泵浦功率，當(dāng)泵浦功率降低到400mW及以下時，輸出脈沖的波形就變?yōu)閮蓚€峰為一個周期，直到泵浦功率下降到低于210mW后無法鎖模，在此之前一直保持輸出脈沖波形為一個周期內(nèi)有兩個峰的多脈沖鎖模情況。

綜上所述，我們已經(jīng)設(shè)計并展示了一種緊湊的環(huán)形腔鎖模摻鉺光纖激光器，該激光器基于一個國產(chǎn)的980納米的泵浦源，所產(chǎn)生的最大平均輸出為18.4mW，3dB帶寬為32.16nm。實驗結(jié)果表明，該方法具有脈沖能量大、光譜較寬，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，具有明顯的增強效果和廣泛的應(yīng)用前景。我們相信這種簡單、經(jīng)濟、緊湊的結(jié)構(gòu)在例如超快光譜學(xué)、精密計量學(xué)和共聚焦顯微學(xué)等許多領(lǐng)域中將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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