2 μm状态可切换光纤激光器实验研究

王小发，段显奕，王 杰

(重庆邮电大学 光电工程学院，光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

0 引 言

近年来，2 μm光纤激光器因其工作在人眼安全和大气窗口的特殊波段[1-2]，在激光手术、光通信和中红外激光研究[3-4]等领域得到广泛应用。在不同应用领域，需要不同工作状态的2 μm光纤激光器，诸如在波分复用系统需要多波长光纤激光器[5]，而在产生中红外波段激光时需要锁模光纤激光器。为同时满足不同领域的应用需求，2 μm状态可切换光纤激光器受到了越来越多的关注。

目前，实现多波长的常用方式有插入梳状滤波器和采用抑制模式竞争技术。常用的梳状滤波器有利奥(Lyot)滤波器[6-7]、锥形光纤(tapered fiber)[8-9]以及萨格纳克(Sagnac)环[10-11]等。而抑制模式竞争的技术有非线性光学环镜(nonlinear optical loop mirror, NOLM)[12-13]，非线性放大环镜(nonlinear amplification loop mirror, NALM)[14]和非线性偏振旋转(nonlinear polarization rotation, NPR)[15-16]等。2013年，Peng等[14]在谐振腔中结合Sagnac环和NALM实现了稳定多波长输出。2014年，Liu等[16]通过Sagnac环和NPR实现了2 μm波段的多波长输出。

除了实现多波长输出，NALM和NPR还可以作为快速可饱和吸收体使激光器实现锁模输出。2014年，He等[17]利用NALM实现了中心波长为2 062.2 nm、脉冲宽度为425 fs的锁模脉冲输出；同年，Li等[18]利用NPR实现了中心波长为1 992.7 nm、脉冲宽度为2.2 ps的锁模脉冲输出。

目前，通过调节偏振控制器使NALM或者NPR在谐振腔内的作用改变进而使激光器在多波长和锁模态之间切换的文章已经有少量报道。2016年，Latiff等[19]提出了一种基于NPR的多波长和锁模态可切换2 μm光纤激光器，在泵浦功率为0.52～1.05 W时获得了锁模输出，在1.04 W时通过调节偏振控制器(polarization controller, PC)获得了三波长输出。2020年，本文作者团队通过结合NALM和Lyot滤波器在2 μm波段获得了多波长和锁模态可切换的光纤激光器，并在多波长态下获得了9波长输出[20]。相比于NPR技术，NALM的插入损耗更低；相比于Lyot滤波器，Sagnac环稳定性更高。然而到目前为止，采用Sagnac环和NALM相结合方式的2 μm状态可切换光纤激光器尚未见任何报道。

基于此，本文提出了一种基于NALM和Sagnac环的2 μm状态可切换光纤激光器，通过调节泵浦功率和PC，本质上精确控制了激光谐振腔内的损耗和相移，使激光器分别工作在多波长和锁模态，并且实现了状态间的灵活切换。此外，本文还对多波长和锁模态之间的切换过程进行了详细分析。本文研究结果为2 μm状态可切换光纤激光器的非线性动力学特性研究提供了一定的参考。

1 实验装置及原理

图1为2 μm状态可切换光纤激光器实验原理图。该光纤激光器由3个环组成，分别为左边的NALM环、中间的单向环和右边的Sagnac环。环与环之间通过50∶50的耦合器(optical coupler, OC)相连。在NALM环内，最大功率为12 W、中心波长为793 nm的半导体激光器(LD)作为泵浦源，通过(2+1)×1合束器(combiner)将泵浦光耦合进激光腔。6 m长的双包层掺铥光纤(thulium-doped fiber, TDF)作为增益介质(在789 nm处吸收系数为5.6 dB/m)吸收泵浦光，总长度为60 m的单模光纤(single mode fiber, SMF)用于提供非线性相移，PC1可以调整偏振态从而调节激光器的工作模式。单向环将光从NALM环传输到Sagnac环，并在Sagnac环内传播，循环一周后在OC2处汇合。50%的光通过环形器的端口3经过OC1传回NALM环，另外50%的光作为激光器的输出。Sagnac环由PC2和9.9 m的保偏光纤(polarization maintaining fiber, PMF)组成，PMF在1 950 nm处的双折射为3.5×10-4，激光器的总腔长为76 m。

图1 光纤激光器激光器实验原理图

利用功率计(7Z01560, OPHIR)，光电探测器(ET-5000F, EOT)，1 GHz数字示波器(WaveRunner 610Zi, Lecroy)，分辨率为0.05 nm的光谱仪(Omni-λ 750i, Zuolix)和带宽为3 GHz的频谱分析仪(FSL3, Rohde & Schwarz)分别对激光器的输出功率、脉冲时域、光谱及频谱进行测量。

在激光器中，NALM是实现状态切换的关键因素。从单向环传入NALM环的光被OC1分为2个振幅相同、传播方向相反的光束。相比于顺时针方向，逆时针方向的光在到达SMF前已经被TDF放大，由于激光在SMF中传输时的自相位调制效应与经过SMF的光强成正比，因此NALM的透射率可以被简化为[21-22]

T=G{1-k[1+cos(k(1-G)γPmL+φ)]}

(1)

(1)式中：G代表TDF的增益系数；k为3 dB耦合器的耦合比例；γ为SMF和PMF的非线性系数；L代表SMF和PMF的总长度；φ代表由PC引起的相位偏移。在给定G，k，L的情况下，可以通过改变φ的值改变T。因此，通过调节PC从而改变φ的值，可以使NALM的透射率随入射光输入功率的增加而增加，此时NALM作为可饱和吸收体，用于窄化谐振腔中的脉冲，进而实现锁模。相反，通过调节PC，使NALM的透射率随输入功率的增加而降低，此时，NALM可以减少光纤激光器的模式竞争，进而获得稳定的多波长输出。

2 实验结果与讨论

通过改变泵浦功率、调节偏振控制器可以使光纤激光器分别工作在Ⅰ区(多波长工作区)和Ⅱ区(多波长和锁模可切换工作区)，实验结果如图2所示。从图2可以看出，随着泵浦功率的增加，平均输出功率线性增加。当泵浦功率在5.7～7.5 W区间时，激光器运行在Ⅰ区，调节PC可以获得稳定的多波长脉冲输出；当泵浦功率在7.5～9.1 W区间时，激光器工作在Ⅱ区，调节PC可以让激光器在多波长和锁模之间灵活切换。激光器输出功率的斜率效率为0.51%，效率较低的原因主要归因于双包层TDF和SMF间存在的模场失配。

图2 输出状态随泵浦功率变化示意图

2.1 Ⅰ区：多波长工作区

实验中，由于腔内Sagnac环的滤波作用，当泵浦功率在5.7～7.5 W间，调节PC，在光谱分析仪上可以观察到输出激光光谱为多波长态，此时激光器工作在Ⅰ区(多波长工作区)。图3显示了泵浦功率为7.0 W时光纤激光器的多波长输出光谱。光谱的中心波长在2 017.4 nm，半峰值宽度内激光的输出波长数量为19。这是目前为止，多波长和锁模态可切换2 μm光纤激光器获得的最大波长数，图3中相邻波峰的间隔约为1.03 nm，其波长间隔由PMF双折射、PMF的长度和光纤激光器的中心波长决定[23-24]。

图3 7.0 W泵浦功率下激光器多波长输出光谱图

为了评估该光纤激光器的稳定性，保持泵浦功率7.0 W，并且固定PC不变，每隔15 min测量一次光谱。图4为激光器在多波长状态下，1 h内的光谱稳定性图。从图4a中可以明显看出，1 h内光谱的分布范围几乎没有变化，波长峰值只有轻微波动。为了进一步测量光谱的稳定性，选定了5个激光通道用于研究输出波长在1 h内的波长漂移和强度变化范围，5个激光通道位于中心波长附近，分别为2 016.4 nm，2 017.4 nm，2 018.5 nm，2 019.5 nm和2 020.5 nm。图4b显示了多波长输出的波长稳定性。图4b中，波长的最大漂移量小于0.5 nm，波长漂移范围较小。图4c显示了5个激光通道的强度波动变化，可以明显看出激光强度波动较低，波动可以归因于激光腔内少量的模式竞争[25]。获得稳定多波长的原因为双包层TDF具有1.6 μm到2.2 μm的宽范围激光辐射波段，激光器能够承受更高的泵浦功率，此外PMF和PC组成的Sagnac环和NALM可以实现稳定的滤波[26]。综上所述，实验得到的多波长具备较高的稳定性。

2.2 Ⅱ区：多波长和锁模态可切换工作区

当泵浦功率在7.5～9.1 W时，调节PC，NALM的作用可以在抑制腔内模式竞争和窄化脉冲的功能之间切换，因而激光器能实现多波长和锁模态的分别运行。图5为泵浦功率7.7 W时，激光光谱的变化过程图。图5中光谱1，2为多波长态，其光谱特性类似于Ⅰ区。保持泵浦功率不变，调节PC，光谱转变为3，4。从图5中看出，光谱的波长数量减少而幅度变低，但光谱依旧呈现明显的调制现象。通过进一步调节PC，如光谱5，6，光谱趋于平滑，此时NALM的工作状态转变为可饱和吸收体，输出激光由多波长转化为锁模态，且保持稳定。图5中光谱3，4的现象可以归因于Sagnac环的滤波效应以及腔内增益和损耗共同作用。

图5 在7.7 W泵浦功率下多波长和锁模态切换光谱图

为研究多波长转化为锁模态后的脉冲输出特性，对其时域、光谱及频谱分别进行了测量，所得结果如图6。图6a为泵浦功率7.7 W时锁模态的时域图，脉冲的周期为374.72 ns，对应的中心频率为2.66 MHz，脉宽为1.62 ns。图6b为泵浦功率7.7 W时锁模态光谱图，其中心波长约为2 021 nm，光谱的半高全宽为15.2 nm。为了评估锁模光纤激光器的稳定性，通过分析锁模脉冲的频谱来实现，图6c和图6d为II区锁模脉冲的频谱图。从图6c中可以看出，锁模脉冲的基频为2.66 MHz，信噪比为34 dB，信噪比较低的原因是因为环形器的插入损耗较大。图6d为200 MHz范围内锁模脉冲的频谱，除了基频和谐波频率外没有其他频率分量，表明锁模光纤激光器具有较高的稳定性。

图6 锁模态输出特性

3 总 结

结合NALM和Sagnac环，本文实现了一种2 μm状态可切换的光纤激光器。通过调节泵浦功率和偏振控制器，该激光器可以稳定工作在2个区域，即Ⅰ区：多波长工作区(5.7～7.5 W)；Ⅱ区：多波长与锁模态可切换工作区(7.5～9.1 W)。在Ⅰ区内，激光器获得了19个波长稳定输出。在Ⅱ区内，调节PC可以实现多波长和锁模之间灵活切换。针对激光器信噪比不高的问题，在今后工作中，将替换插入损耗较大的环形器。