基于SESAM的被动调Q环形腔掺饵光纤激光器

黄春雄，陈礼林，陈海燕 （长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州434023）

波长位于人眼安全区域和光纤通信第三代传输窗口的掺饵光纤激光器在军事、激光测距、激光遥感以及光通讯等诸多领域都有广泛的应用。因此大功率、重复频率稳定的脉冲掺饵光纤激光器一直以来就是激光领域的研究热点［1-3］。调Q和锁模技术是实现短脉冲激光输出的2种常用方法；其中调Q技术产生脉冲激光的重复频率在kHz量级，具有低频高能的特性，其发展和应用位于脉冲激光研究的前沿。

调Q技术早期常用的方法包括声光调Q［4］、电光调Q［5］等主动调Q技术，但是这2种技术需要在光路中引入声光晶体、电光晶体以及复杂的控制结构。20世纪后期，非线性介质半导体可饱和吸收镜（SESAM）被引入激光器中，实现了激光器的被动调Q［6-8］。基于SESAM的被动调Q激光器简单方便且价格低廉，因而始终是研究的一大热点。下面，笔者研究了一种环形结构的基于SESAM的被动调Q掺饵光纤激光器，并对该激光器的输出光谱特性进行了研究。

1 基于SESAM的被动调Q掺铒光纤激光器结构

基于半导体可饱和吸收镜 （SESAM）的被动调Q掺铒光纤激光器采用如图1所示的环形腔结构。该激光器的主要构件为半导体可饱和吸收镜、掺铒光纤（EDF）、光学环形器和偏振控制器。其中泵浦源采用980nm半导体激光器 （最大功率500mW）；增益介质为一段高掺杂掺饵光纤，长度约为54cm；激光器输出耦合比为10%。

光学环形器具有较高的隔离度，将其插入腔内一方面可以保证腔内激光的单向传输，另一方面可以将半导体可饱和吸收镜反射回来的激光重新导入谐振腔。实验光路中充当Q开关的是半导体可饱和吸收镜，它固化在光纤的一端，通过环形器与光路相连接。半导体可饱和吸收镜是一种非线性器件，它对光的吸收与腔内光强相关，即当光脉冲光强较弱时吸收较强，对激光器起到 “关门”的作用；而当脉冲强度达到其饱和光强时，可饱和吸收镜被 “漂白”，光脉冲可以完全通过，从而形成调Q激光脉冲［6-8］。所用半导体可饱和吸收镜型号为SAM-1550-30-X，其工作波长为1480～1640nm，非饱和吸收损耗30%，调制深度18%，饱和通量70μJ／cm2。由于半导体可饱和吸收镜性能与偏振态相关，所以在腔内还插入一偏振控制器 （PC）来控制激光偏振态，以调节激光器的性能［8］。

图1 被动调Q环形腔掺铒光纤激光器结构

2 输出光谱特性

2．1 脉冲波形

当泵浦功率大于70mW时，掺铒光纤激光器由连续运转状态变为调Q状态，继续增加泵浦功率调Q状态更加稳定、明显。当泵浦功率大于130mW时，调Q状态变得不太稳定，继续增加泵浦功率调Q状态消失，激光器变为连续运转状态。图2为调Q掺铒光纤激光器稳定输出时的输出光谱和脉冲序列，从输出光谱可以看出激光器呈现多模振荡，其中心波长为1560nm。

图2 调Q掺铒光纤激光器输出光谱和时域脉冲序列 （泵浦功率100mW）

2．2 泵浦功率对脉冲频率的影响

随着泵浦功率的提高，调Q掺铒光纤激光器的脉冲频率近似线性增加，但最高频率小于10kHz，如图3所示。此外由于半导体可饱和吸收镜性能与偏振态相关，因此在改变腔内激光偏振态时，激光器的脉冲频率有小幅变化。

2．3 激光器的斜率效率

激光器的输出效率是衡量其质量的一个重要因数。图4为10%的输出端测量的输出功率与泵浦功率的关系曲线。从图4可以看出，随着外部泵浦功率的提高，调Q掺铒光纤激光器输出功率不断增加，当泵浦功率为130mW时，最大输出功率约为0．95mW。图4中直线的斜率称为激光器的斜率效率，从图4可以看出该激光器斜率效率为1．2%，阈值泵浦功率约为48mW；换算成腔内功率，并考虑到测量输出端损耗，则激光器光-光转换效率约为15%。这是因为采用980nm激光泵浦掺铒光纤时存在上转换现象，这一点可以通过试验中观测到明显的上转换绿光来证明，上转换现象消耗了上能级粒子数，降低了激光效率。其次，在试验中未将不同的原件直接熔接而是采用光纤跳线连接，这也带来一定的损耗。在今后的实验中，可以通过使用饵镱共掺杂光纤以降低上转换效应，并通过光纤的直接熔接降低损耗。

图3 脉冲频率随泵浦功率的变化

图4 输出功率与泵浦功率的关系曲线

3 结 语

对半导体可饱和吸收镜的被动调Q掺铒光纤激光器进行了研究，对其输出光谱和脉冲频率进行了测量。该激光器在泵浦功率为70～130mW时，可以获得中心波长为1560nm，重复频率10kHz以内的脉冲激光，但其输出功率偏低，有待改进。试验为把握基于SESAM的脉冲光纤激光器的工作机理提供参考，为进一步研究基于SESAM的被动调Q、锁模掺铒光纤激光器提供一定帮助。

［1］李朝阳，宋晏蓉，张志刚，等 ．半导体可饱和吸收镜运用于军用脉冲激光测距 ［J］．红外，2004（6）：22-25．

［2］陈祖聪，阮双琛，郭春雨，等 ．环形腔被动锁模掺饵光纤激光器 ［J］．光子学报，2012，41（3）：267-270．

［3］夏江珍，蔡海文，任虹 ．全光纤调Q掺铒光纤激光器的脉冲研究 ［J］．光子学报，2002，31（8）：989-992．

［4］Lianju Shang，Jiping Ning，Xiuqin Yang．An experimental study of an acousto-optic Q-switched Yb3＋-doped all-fiber laser ［J］．Optik：2012 （123），1061-1062．

［5］张翔，冯驰，谢希盈，等 ．纳秒电光调Q Nd：YVO4激光器 ［J］．强激光与粒子束，2011，23（9）：2361-2364．

［6］刘鹏祖，侯静，张斌，等 ．基于半导体可饱和吸收镜的1550nm被动锁模光纤激光器 ［J］．中国激光，2011，38（7）：0702017．

［7］欧攀，贾豫东，林志立，等 ．基于饱和吸收镜的被动锁模掺铒光纤激光器 ［J］．激光技术，2011，35（1）：58-60．

［8］王旌，张洪明，张鋆，等 ．基于饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器 ［J］．中国激光，2007，34（2）：163-165．