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1、窄线宽光纤激光器进展第 4l 卷,第 5 期2004 年 5 月激光与光电子学进展 V0】 .41.No.5May.2004窄线宽光纤激光器进展薛冬楼祺洪周军叶震寰孔令峰f 中国科学院上海光学精密机械研究所,上海 201800)提要窄线宽光纤激光器在光纤传感,激光倍频,光谱测量等领域有广泛应用.简单介绍了窄线宽光纤激光器的研究进展,详细阐述了窄线宽光纤激光器的各种腔形结构及线宽压缩机制,并对各种方法作了简要的对比.关键词窄线宽光纤光纤激光器进展NewDevelopmentsofNarrowLinewidthFiberLaserXUEDongLOUQihongZHOUJunYEZhenhuanK
2、ONGLmgfeng(ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,theChineseAcademyofSc/enee,Shanghai201800)AbstractNarrowlinewidthfiberlasershavewidespreadapplicationsinfibersensinglaserequencydoubling,spectralmeasurement,andsooilThenewdevelopmentsofnarrowlinewidthfiberlasersareinoduce4andseveralcavitystructure
3、sandnarrowingmechanismaregivenindetail,andthecomparisonsofdifferentmethodsarediscussed.Keywordsnarrowlinewidthfiberfiberlaserdevelopmentl 引言近年来,光纤激光器成为激光领域的热门研究课题,在现代光通信,光传感,材料技术,生命科学及精密加工等领域广泛应用.光纤激光器有很多优点:抽运阈值低 ,转换效率高,散热效果好,调谐范围宽,耦合效率高,结构紧凑等.这些特性决定了光纤激光器比半导体激光器和块状激光器拥有更多的优势.窄线宽 f 特别是单纵模 )光纤激光器是激光器
4、发展的一个重要方向,它除具有上述光纤激光器的特点外,还以其窄线宽,低噪声等优点广泛应用于光纤传感,光纤遥感,高精度光谱及光纤通信领域.光纤激光器的波长确定和调整是通过波长选择器.如 FP 标准具,可调滤波器或 Bragg 光栅等实现的.这些波长选择器可以限制增益谱内起振的纵模数,只让满足特定条件的少数几个模发生激光振荡.这就是窄线宽激光器.如果只让一个纵模振荡.就成为严格的单频(singlefrequency) 激光器 .输出光将具有极高的时间相干性.2 窄线宽光纤激光器研究进展早期的研究工作主要集中在固定波长的窄线宽光纤激光器上,振荡波长由固定波长响应的滤波器控制.如布拉格光栅.其反射中心波
5、长由光栅周期决定,反射带宽由光栅长度决定.1986 年第一次报道了用蚀亥方法得到的布拉格结构作为反射器的掺钕光纤激光器11,该布拉格反射器的中心波长设计为与钕离子发射谱的峰值波长一致,它与另一侧的双色镜构成谐振腔.布拉格反射器的峰值反射比为 75%,对应于波长 1084nm(纤增益介质的发射峰值波长为 1088nm).激光器在1084nm 波长处振荡.实测线宽为16GIz.同样结构也做成了掺铒光纤激光器闭Melta 等首次用全息的方法在4m 长掺钕光纤两端写入布拉格光栅31,并通过调节温度来改变波长 .除了通过对光纤光栅施加应力或温差来改变振荡波长外,还可以通过旋转光栅,调节腔内标准具角度,利
6、用声光滤波器,电调液晶标准具等方式来实现.另外,一些由耦合器组成的环形结构也可以调整波长,如光纤 Sagnac 结构,MZ 结构等,这是因为这些结构的透射波长收稿日期:20031121:收到修改稿日期:20040223作者简介:薛冬(1975 一),男 ,山东枣庄人,在读博士研究生,主要从事双包层光纤激光器及放大器方面的研究.Em 蚰:fiberlasertom.corn田第 4l 卷.第 5 期2004 年 5 月和透射比与耦合器的耦合比有依赖关系,因此通过某种外部手段(如温度调节)改变 K 值,则输出波长即可得到调谐.文献5用 Mz 干涉仪结构实现波长在 39nm 内快速可调的掺铒激光器,
7、文献6用可调带通滤波器实现了 15101580nm 波长可调的单模掺铒光纤激光器.提高光纤激光器的输出功率有很多方法.对于掺 Er3 光纤,用650nil2 或 528nm 进行抽运,输出功率要比用 980nm 或 1480nm 抽运高一个数量级.Ep 和 Yb 共掺也可以提高输出功率.Yb.离子将吸收的能量转移给 Ep 离子.精密控制浓度,可使这种转换率大于90%.还可以通过调 Q 技术,MOPA结构或双包层光纤(DC 结构等方式提高输出功率.南开大学嗍利用调 Q 技术和 DCF 结构获得了1080ll40nm 波长可调.单脉冲能量 143.1,峰值功率 28.6kW,线宽 0.04nil2
8、 的激光输出.BaJl 等人侧利用 MOPA 结构获得了 60mW的单模输出.国外用掺 yb3+光纤MOPA 结构实现了波长为1064nm,功率 100W 的单模输出,并有望突破 200W 的输出功率 fl0.3 实现单频运转的常用腔形3.1 线形腔结构线形腔的结构简单.是 natroe linewidth 光纤激光器的常用结构,常见的有短直腔,复合腔,FoxSmith 腔等结构.短直腔结构获得单频激光的主要措施就是消除空间烧孔效应的影响,减小腔长以增加腔内纵模间距,比如激光器腔的往返光程长为10m,其 FSR 为 30MHz.如果往返光程为 lcm,则 FSR 为 30GHz.所以对于给定的
9、增益带宽来说.通过缩短腔长,使纵模间距与光栅带宽目激光与光电子学进展 VMol.4,$目薄g 耀#相仿,就可得到稳定的单频输出,抑制跳模.目前美国 NPPhotonics 公司利用 2cm 长磷酸盐玻璃光纤DBR 激光器获得功率为 100mW,线宽 2kHz 的激光输出.文献l1的掺 EP 单频激光器也采取了短腔结构.并且增益光纤起到了附加滤波器的作用.结构如图 1 所示.整个腔的光学距离为40cm.对应的 FSR 为 375MHz.振荡波长由光栅决定.两根长度分别为 2.8cm 和 lcm 的掺 Er3 光纤作为激活介质.由于其两端是未镀增透膜.所以构成了双直腔,起标准具的作用,对应的 FS
10、R 分别为3.6Hz 和 10GHz.该结构得到了线宽.1.6MHz 的单频输出 .FoxSmith 共振腔结构可以视为一种双直线腔结构.如图 2 所示.分束器形成了类似双直腔结构的两个光学长度不同的 F.P 腔.由普通光纤介质将它们耦合在一起.两腔长度的失调在复合腔中起滤波器的作用3.2 环形腔结构利用光纤定向耦合器可以构成各种环形结构,这种结构可以消除空间烧孔效应.常见的有环形谐振腔,Sagnac 环形镜,环行器,复合腔等结构.如图 3(所示.将耦合器 1,2两臂连接起来就构成了一个环形谐振腔,耦合器起到了介质镜的反馈作用.腔的精细度与耦合器的分束比有关.如果光波在腔内传播一周后相位不变,
11、就可以得到放大.将耦合率 50%的耦合器 2,4两输出端连接起来,构成一个Sagnac 环,抽运光从一个输入端口进入,在环内沿两个方向都有传播,然后在耦合器中汇合.如果50%的耦合器没有损耗.所有光将输出 I图 1 双直线腔光纤激光器示意图图 2FoxSmith 结构的谐振腔(a)(h)图 3 环形结构.(a)环行谐振腔 ;(b)环行镜谐振腔第 4l 卷.第 5 期2004 年 5 月激光与光电子学进展耦合回入射端口,因此 Sagnac 环等效于一个 100o/5 反射器 ,又称为环形镜.在 Sagnac 环中加入增益光纤和隔离器,使环中的光波只能沿单方向行进.这样就能有效消除空间烧孔,如图:
12、309)所示 l.这种带隔离器的 Sagnac 结构就等同于一个环形器环形腔也可以采用复合腔结构来选频培.4 实现单频运转的常见方法4.1 使用 FP 标准具FP 标准具可以用来选频和限制带宽.与前边介绍的短直腔的原理是相同的.但是标准具的光学表面容易与腔镜形成子腔.不利于形成单频运转.文献14中通过把标准具置于两法拉弟旋转器中间来解决反射光的问题.4.2 使用 Bragg 光栅Ball 等人首次用写人 Bragg光栅的方法实现了单频输出15.他们在 50cm 长的掺 Ep 光纤两端写人 1.25cm 长的 Bragg 光栅.它们具有相同的 Bragg 波长.反射比为72%和 80%.用 98
13、0nm 的光抽运 .得到与 Bragg 波长一致的 1548nm单频输出,线宽为 47kHz.理论表明 I16】.提高反射器的反射比可以保证主振荡模与相邻模的损耗差异较大.使主振荡模始终经历最小的损耗.从而抑制随机跳模.在短腔结构的光纤激光器中.如果小信号增益系数处于 2.54.0dB/m之间,Bragg 反射器的反射比必须接近于 100%.例如一个 5cm 腔.其/J,q-增益系数为 3dB/m.要实现单频输出就需要反射比为 98%的Bragg 反射器与前边所述的两端用 Bragg光栅作反射器构成的 DBR 结构激光器不同,DFB 结构的光纤激光器中只有一个光栅而没有端面反射V01.41.N
14、o.5May.2004图 4 饱和吸收体结构的光纤激光器镜 Kringlebotn 等人用载氢的方法在 3cm 长的 EI.+:Yb 共掺磷酸铝光纤上刻写了 2cm 长的 Bragg 光栅做成了第一台 DFB 光纤激光器.这种激光器有两个模同时参与振荡,它们对称分布在 Bragg 光栅中心波长的两侧,可以通过加入端镜或改变光栅结构引入附加位相来获得单模激光H.4.3 利用非相干技术为消除驻波效应引起的空间烧孔,可以通过控制腔内相遇光波的偏振状态来实现.圆偏振光是无法形成干涉的.将增益光纤置于两个偏振控制器中间.通过调整偏振控制器,就可以在腔内形成传播方向相反但偏振相同的圆偏振光.如果腔内往返光
15、波为相互垂直的线偏振光.也不能发生干涉.文献141 是用法拉弟旋转器实现的.如果往返光波频率不同.当然也不会发生干涉.Sabert 使用声光调制器实现了这一目的19.在线形腔两端各使用一个工作频率为的 AO 调制器,它对沿不同方向行进的光产生相反的频移.从而使反向传播的两束光频率相差 2.无法形成干涉.从而得到了 12kHz 线宽的输出.4.4 利用饱和吸收体Horowitz 等人采取在激光腔中加入饱和吸收体来抑制跳模.与在放大介质中不同.发生在饱和吸收介质内的烧孔现象有利于单模运转.如图 4 所示,EDF2 是增益介质,用 980nm 激光抽运;EDF1 是饱和吸收介质,未被抽运.偏振控制器
16、的作用是使反向传播的两束光的偏振态在 EDF2 中相互垂直 f 不发生空间烧孔),而在 EDF1 中是平行的(发生空间烧孔).饱和吸收体也可以用在环形腔结构中中国科学院上海光机所采用类似的连接方式.用一段掺 Yb.光纤作为吸收体,获得了波长1055nm,3dB 带宽小于 0.07nm 的窄线宽激光输出.对未抽运掺杂光纤吸收体在掺 Yb.窄线宽光纤激光器中的作用进行了较为详细的研究.安徽大学用环形腔结构实现了 33nm 可调,线宽 2.35kHz 的单频输出2315 总结为方便对比.将参考文献中几种典型结构列成表格.如表 1 所示.窄线宽激光器的腔形整体上可分为直线腔和环形腔两类.一般说来直线腔结构简单,成本低廉,工作稳定.但由于驻波场存在空间烧孔效应.不利于实现单频运转.常常把腔体做得很短.从而导致抽运能量转化效率低.可以使用非相干技术.在腔内加入光学器件消除驻波场,但这必将增加损耗.因此直线腔功率一般较小
