自调Q掺铒光纤激光器动态特性研究

杨亚婷，杜 洋，王海燕，胡贵军

(吉林大学通信工程学院，长春130012)

引 言

调Q光纤激光器可以产生高峰值功率、脉冲宽度为纳秒量级的脉冲激光，这种短脉冲激光在测距、通信系统、远程传感、高速全息照相、军事和医疗等方面被广泛应用。自1986年ALCOCK首次在掺钕光纤激光器中实现调Q脉冲输出以来［1］，调Q光纤激光器便在世界范围内得到了广泛的研究，调Q光纤激光器的理论和实验都有了很大的发展［2-7］。

调Q掺铒光纤激光器由于其运转波长与光通讯的第三窗口(1.55μm)相一致，在光纤通信系统中获得广泛的应用，引起了人们的普遍重视［8-10］。在无外加调制的情况下，掺铒光纤激光器会出现自调Q现象，产生自调Q脉冲。这种激光器中的自调Q脉冲已引起众多学者的兴趣［11-14］。BIELAWSKI等人［15］把产生自脉冲的原因归结为:由于掺铒光纤中双折射的存在，光纤中两正交偏振态在传输过程中通过偏振交叉饱和产生强烈耦合或转化。而SANCHEZ等人［16］则认为，当掺铒光纤中的铒离子对浓度达到一定水平时，可起到一个可饱和吸收的作用而引起自脉冲运转，并对此进行了实验和理论的验证，得到了令人满意的结果。

本文中采用一段20m长的掺铒光纤同时作增益光纤和可饱和吸收体，搭建线形腔和环形腔两种结构的自调Q掺铒光纤激光器，分别研究两种腔结构下激光器的动态特性，并分析了自调Q现象的原因，实现了结构紧凑的全光纤自调Q光纤激光器。线形腔结构中，在抽运功率21mW～190mW的范围内，获得了脉冲宽度 8μs ～100μs范围内可调、重复频率 2.5kHz～54kHz范围内可调的自调Q脉冲。环形腔中，在抽运功率 16.2mW ～110mW 范围内，获得了脉冲宽度165μs左右、重复频率约为3kHz的自调Q脉冲。线形腔脉冲重复频率稳定度优于10%，脉冲峰值功率稳定度优于5%;环形腔脉冲重复频率稳定度优于5%，峰值功率稳定度优于11%。

1 线形腔自调Q掺铒光纤激光器的动态特性研究

线形腔结构如图1所示。一段20m掺铒光纤作增益介质，1560nm光纤光栅进行选波，其反射率为99%，作为激光谐振腔的高反端。在输出端直接采用经抛光处理的光纤端面作为耦合腔镜，对光纤内的信号光产生约4%的菲涅耳反射。抽运源是980nm单模半导体激光器，通过一个980/1550波分复用器(wavelength division multiplexer，WDM)将抽运光耦合进激光腔内。输出端的1550nm隔离器(isolator，ISO)是为了保证激光的单方向传输。

Fig.1 Structure diagram of self-Q-switched erbium-doped fiber laser with linear cavity

对线形腔结构的掺铒光纤激光器进行了实验。当注入的抽运功率为17mW时，达到激光器的起振阈值，由光谱分析仪观察到有波长约为1560nm的激光产生，对应的示波器显示为连续波，如图2所示。随着抽运功率的提高，输出功率成线性增长趋势。当抽运功率提高到21mW时，激光器连续工作状态变得不稳定，且激光器的输出光强呈现自脉冲行为，自脉冲波形如图3所示。脉冲宽度为100μs，重复频率2.5kHz。继续增加抽运功率，在示波器中观察到激光输出功率出现一种类似正弦信号的波动，这种正弦波动的脉冲，其重复频率随抽运功率的提高而增加，宽度随抽运功率的提高而减小，幅值有先增大后减小的趋势，如图4所示。图5为重复频率、脉冲宽度和输出功率随抽运功率的变化曲线图。图6显示了不同抽运功率下，输出脉冲重复频率及峰值功率稳定度情况。在抽运功率21mW～190mW的范围内，正弦脉冲的宽度在8μs～100μs范围内可调、重复频率在2.5kHz～54kHz范围内可调。

Fig.2 Spectrogram and oscillogram of oscillating laser a—spectrogram b—oscillogram

Fig.3 Oscillogram of the self-Q-switched pulse

Fig.4 Sinusoidal graph with pump power(20μs/div)

Fig.5 Graph of repetition frequency，pulse width and output power change with pump power

Fig.6 The stability of repetition frequency and peak power with different pump power

综上所述，随着抽运功率的增加，线形腔结构掺铒光纤激光器经历了连续波、自调Q脉冲两种运行状态。

2 环形腔自调Q掺铒光纤激光器的动态特性研究

环形腔结构如图7所示。采用同线形腔中相同的20m掺铒光纤作增益光纤，1560nm光栅进行选波，3dB耦合器的一个输出壁作为整个激光器的输出端，光纤环形器保证激光在腔内逆时针单向运转。光谱分析仪、功率计、光电探测器和示波器分别用于测量激光光谱、输出功率和脉冲序列。

Fig.7 Structure diagram of self-Q-switched erbium-doped fiber laser with ring cavity

实验中，抽运功率为16.2mW时激光起振，同时示波器上观察到自脉冲序列，每两个自脉冲之间存在一个子脉冲，并在阈值附近随着抽运功率的提高子脉冲幅度逐渐增加，如图8所示。进一步提高抽运功率，示波器上显示出正弦波动的脉冲。随着抽运功率的提高幅度逐渐变小，重复频率略微增加，脉冲宽度略微减小。当抽运功率增加到110mW时，示波器显示连续激光输出，如图9所示。图10表示环形腔脉宽、重复频率、输出功率随抽运功率的变化情况，在抽运功率16.2mW～110mW范围内，获得了脉冲宽度165μs左右、重复频率约为3kHz的自调Q脉冲。图11显示了不同抽运功率下，脉冲重复频率、峰值功率稳定度情况。

Fig.8 Graph of self-Q-switched pulse in ring cavity with pump power

Fig.9 Sinusoidal graph of ring cavity at different pump power(200μs/div)

Fig.10 Graph of repetition frequency，pulse width and output power change with pump power in ring cavity

综上所述，随着抽运功率的增加，环形腔结构掺铒光纤激光器经历了自调Q脉冲、连续激光输出两种运行状态。

Fig.11 The stability of repetition frequency and peak power with different pump power in ring cavity

3 实验现象分析

调Q技术，即在谐振腔低Q值时，进行能量的存储;高Q值时，将存储的能量在极短的时间内释放出来，形成巨脉冲。要有明显的调Q现象，便要求谐振腔处于低损耗状态时的Q值(Q1)相对于高损耗状态时的Q值(Q2)有较大的变化，即Q1/Q2较大，并且Q开关的开关时间要快。

对于一根掺杂光纤在抽运不充足的情况下，同时作为增益介质和可饱和吸收体，从而出现自调Q的现象，进行理论分析如下:对掺杂光纤进行端面抽运，抽运光在掺杂光纤中传输时存在传输损耗，同时由于稀土离子的受激吸收存在吸收损耗。传输损耗同吸收损耗相比，可以忽略。因此，抽运光在光纤中的功率分布可以用下面的公式表示:

式中，α为抽运光在光纤中的损耗系数。可见，抽运光在掺杂光纤中呈指数衰减。这样，只有在掺杂光纤的前部分，满足g(z)＞δ(g(z)为对激光功率的增益系数，δ为对激光功率的损耗系数)时，可以作为增益介质;而后部分因为抽运不足，导致g(z)＜δ，不再作为增益介质，反而对前面增益介质中发射的激光进行吸收，且具有可饱和吸收特性。因此，抽运不充足时，就将一根掺杂光纤分为“增益介质区”和“可饱和吸收区”，出现自调Q现象。“增益介质区”长度L随着抽运功率Pp的增加而增加，而“可饱和吸收区”的长度Ls随着抽运功率Pp的增加而减小。

可饱和吸收体的初始透过率T0、初始吸收率γ0、吸收率γ可以表示为:

式中，σs为“可饱和吸收区”对信号光的受激吸收截面，ns，0为“可饱和吸收区”的稀土离子掺杂浓度，Ls为“可饱和吸收区”的长度，I0为饱和光强。

结合(1)式～(4)式，当腔内光强可以达到饱和光强时，随着抽运功率Pp的增加，“增益介质区”的长度L变长，“可饱和吸收区”的长度Ls变短。“增益介质区”的长度L变长，导致腔内初始光强变大;“可饱和吸收区”的长度Ls变短，导致初始透过率T0变大，初始吸收率γ0变小。腔内初始光强的增大和初始吸收率γ0的减小，均能使吸收率γ的整个动态变化范围变小，Q1/Q2变小且Q1/Q2→1;同时，“可饱和吸收区”的开关速度加快。

在阈值附近进行抽运时，虽然吸收率γ有足够大的动态范围，但由于抽运功率太小，对于损耗大的谐振腔(“坏腔”)，便需要累积足够长的时间才能使“可饱和吸收区”饱和，开关速度过慢，由于上能级粒子寿命的制约，在未达到饱和光强之前，便将存储的能量释放出去，而且由于此时腔内的损耗较大，存储的能量释放时的腔内光强与初始光强相比也不会太大，较小的光强变化，导致Q1/Q2较小，因而调Q现象微弱，以致于观察不出，若用示波器观察，观察到的是连续波运行状态;但是在起振阈值附近，对于损耗小的谐振腔(“好腔”)，较快的腔内光子数增长速率，可以在较短的时间内漂白“可饱和吸收区”，使得上能级离子寿命不再成为限制因素，吸收率γ大的动态范围使得Q1/Q2较大，便可呈现明显的调Q现象。随着抽运功率的增加，“可饱和吸收区”的开关速度加快，无论是“坏腔”还是“好腔”，上能级粒子寿命不再是制约因素，可以有效地进行能量存储，且Q1/Q2较大，呈现明显的调Q现象。而随着抽运功率的进一步增加，尽管依然有“可饱和吸收区”的存在，但是初始光强很大，使得对应于初始光强的吸收率γ→0，致使Q1/Q2→1，Q值变化不大，调Q作用微弱，人眼很难辨别，若用示波器观察，观察到的是连续波运行状态，而要达到这种状态，“坏腔”相对于“好腔”需要更高的抽运功率。抽运功率再增加，使得没有“可饱和吸收区”，谐振腔Q不变，为连续波运行状态。

综上所述，当抽运功率达到起振阈值后，随着抽运功率的继续增加，用示波器观察输出激光，对于“好腔”，输出激光依次经历了自调Q、连续波运行状态;对于“坏腔”，输出激光依次经历了连续波、自调Q、连续波运行状态，只是第2次出现连续波运行状态所需的抽运功率比“好腔”大。

实验中，无论是线形腔还是环形腔，在较长的掺杂光纤且抽运功率不足的条件下，都能观察到输出脉冲为微秒量级、重复频率为千赫兹量级的调Q脉冲，这种现象可以归结为可饱和吸收体的自调Q现象。在进行自调Q实验的过程中，随着抽运功率的增加，其脉冲重复频率变大，脉宽变小，幅值变小。线形腔腔损耗较大，依次经历了连续波和自调Q两个运行状态，由于抽运源的输出功率和耦合条件，实验中未能进一步增加抽运功率，因而线形腔中没有观察到第2次连续波运行状态;环形腔腔损耗较小，依次经历了自调Q、连续波两个运行状态。实验所得结果同理论分析一致。

此外，线形腔和环形腔实验中，在刚出现自调Q现象时，自调Q脉冲底座明显，而随着抽运功率的提高，自调Q脉冲底座不明显，呈现正弦自脉冲形态。这主要是因为刚出现自调Q现象时，抽运功率较弱，作为可饱和吸收体的光纤段较长，需要较长的时间使其达到饱和吸收，这段时间为上能级粒子数不断积累的过程，呈现在波形上为较长的脉冲底座。而随着抽运功率的提高，作为可饱和吸收体的光纤段逐渐变短，使其达到饱和吸收的时间也越来越小，即上能力粒子数积累的时间较短，因此脉冲底座较小，逐渐呈现正弦脉冲形态。

线形腔与环形腔相比，有较大的自调Q范围。是因为其谐振腔损耗较大，输出端只有4%的菲涅耳反射(相对于环形腔50%的输出)，腔内光子集聚数增长的速率减缓，使腔内饱和吸收体出现“饱和”所需的时间相应延长，因此第2次产生连续光输出需要的抽运功率更大，相应的自调Q范围也较大。此外，环形腔中自调Q脉冲的宽度几乎不变也与腔内光子寿命有关，由于腔内激光光强的迅速增大，自调Q光纤的吸收系数较小，储能较小，因此产生的自脉冲的宽度较宽。

4 小结

实验研究结果证明，无论是线形腔结构还是环形腔结构，在较低的抽运功率下，掺铒光纤激光器都可以出现自调Q脉冲，并且可以通过调节抽运功率的大小控制自脉冲;自脉冲不一定在“坏腔”(如线形腔)的激光器中才能得到，在光子寿命较长的“好腔”中(如环形腔)也能获得自脉冲;“坏腔”的自调Q范围比“好腔”大。综上所述，影响掺铒光纤激光器动态特性的主要因素有可饱和吸收效应和腔内光子寿命。可饱和吸收效应影响激光器的输出形态;腔内光子寿命决定该输出形态的动态范围。

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