无拍频1570nm光纤激光器及其在2µm波段激光产生中的应用

李晨睿,李香乐,应佳峻,吴怡童,盛雨齐,周勇,高伟清

(合肥工业大学物理学院,安徽 合肥 230009)

0 引言

随着1960年美国休斯实验室的梅曼等发明了世界上第一台激光器,激光技术已广泛应用在民用及军用领域。其中,2µm超短脉冲光纤激光器处于中红外波段,脉冲宽度窄,峰值功率高,在中红外超连续光谱研究方面有着重要的应用,因此大多用于生物医疗、材料加工、军事对抗、环境监测[1]等方面。

与其他光纤激光器相比,掺铥光纤激光器在转换效率与性能方面更具优势。不同的增益光纤所激发的波段不同。铥离子能级结构丰富[2,3],可以选择多种泵浦源实现2µm激光输出,因其在793 nm和1570 nm附近存在吸收截面[4,5],一般采用793 nm或者1550 nm的泵浦源进行泵浦。其中793 nm半导体激光器结合双包层泵浦技术可以实现较高的输出功率,且在该波长泵浦时,激光器的量子效率可接近200%[6]。与传统激光器不同,双包层光纤激光器最大的优点为泵浦传输利用率高,泵浦光在内包层拥有较大的传输面积,且其非圆对称的结构保证了泵浦光和信号光在纤芯中可以充分地相互作用,从而使在纤芯中传播的激光成倍增加[7,8]。对于双包层泵浦的2µm光纤激光器,其热处理结构相对复杂,激光器光光转换效率低[6]。对于1570 nm单模泵浦源,为保证其时域稳定性,常见商用泵浦源均采取半导体单纵模激光器结合高功率放大器实现,该方案结构复杂,制作成本高。

本文基于塞格纳克宽带反射器与部分反射光纤光栅搭建了直接输出1570 nm单波长的光纤激光器,并实验研究了此激光器在不同光纤光栅反射率下的谐振效率,从而获得激光器最佳输出耦合比。结果表明当光栅反射率为20%时,得到最大谐振效率为24.42%,最高输出功率为2.8 W,激光边模抑制比为65 dB。通过优化腔长实现了激光器的稳定无拍频输出,并使用该激光器成功实现了2µm波段锁模光纤激光器泵浦。

1 激光器结构

所研究光纤激光器的结构如图1(a)所示,915 nm多模LD泵浦通过泵浦合束器进入5 m长的双包层饵镱共掺增益光纤(Coractive DCF-EY-8/125)为激光器提供增益,利用5:5光纤耦合器搭建Sagnac宽带反射镜作为腔镜,部分反射光纤光栅作为输出耦合镜,输出耦合比由光纤光栅反射率决定,隔离器用于避免光纤端反射对激光器谐振的影响。除泵浦合束器外所有器件尾纤均使用标准单模光纤(康宁SMF-28e),光纤光栅也通过载氢刻写在单模光纤上。由于信号光在激光器中运转均保持单模特性,激光器输出模场为单横模(M2<1.1)。

图1(b)所示为实验过程中四种不同反射率(20%、40%、60%、80%)光纤布拉格光栅的透射谱,四种光纤布拉格光栅都在反射中心波长1570 nm处展现了较好的单波长反射特性。图中对不同反射率光纤光栅透射谱进行了横向平移,从而可以更清楚地观察到四种光栅透射谱的细节。

2 实验结果及分析

激光器的谐振效率也称斜率效率,指激光器的输出功率随泵浦功率的变化趋势,其受增益介质能级特性、泵浦及信号波长、激光器结构及腔损以及输出耦合比影响,谐振效率越大,激光器光光转换效率越高。本实验在固定其他影响因素的条件下,通过改变光纤光栅反射率及相对位置,探究了输出耦合比和输出方向对本激光器谐振效率的影响。如图1(a)所示结构中,激光输出沿泵浦方向定义为正向输出;Sagnac反射镜与光栅光纤互换位置后,激光输出逆泵浦方向定义为反向输出。得到输出功率随泵浦功率的变化,分别如图2(a)、(b)所示。

图1 (a)激光器结构;(b)FBG透射谱Fig.1 (a)Structureof laser;(b)Transmission spectrum of FBG

图2 (a)正向输出和(b)反向输出谐振效率曲线Fig.2 The resonant efficiency curves of(a)forward output and(b)backward output

通过线性拟合得到的八组谐振效率数值如表1所示。通过八组数据的比对,实验中采用20%反射率的光纤光栅结合正向输出获得了最高的谐振效率(24.42%),当915 nm多模LD泵浦功率开满后,得到的最大输出功率为2.8 W。

表1 不同反射率FBG正反向输出的谐振效率对比Table 1 Comparison of forward and backward slope efficiency of different FBG reflection

当激光器泵浦功率固定为1668 mW时,将激光器输出通过衰减后接入光谱仪(Yokokawa ADQ6317B,光谱精度0.05 nm),测得该激光器在不同结构下的输出光谱,如图3所示。从图3中可以看出,激光器输出中心波长都固定在光纤光栅反射波长1570 nm处,3 dB光谱宽度为0.2 nm。同样地,图中对不同反射率光纤光栅对应的激光器输出光谱进行了横向平移,从而可以更清楚地观察到光谱细节。通过对不同反射率光纤光栅输出光谱进行横向对比可以发现,激光器输出光谱的边模抑制比随光纤光栅反射率的变化不明显,且都超过60 dB,验证了激光器较高的单色特性。

图3 (a)激光器输出光谱;(b)正向输出光谱和(c)反向输出光谱对比Fig.3 (a)Output spectrum of laser;Comparison of(b)forward output spectrum and(c)backward output spectrum

激光输出衰减后进入光电探测器(合肥脉锐光电PD03,带宽3 GHz)得到激光强度信号,采用示波器(Keysight DSOX6002A,采样率20 GHz)和频谱仪(Keysight N9000B)测量了该强度信号的时域特性。如图4(a)所示,可以看到明显的拍频抖动信号,其频谱特性如图4(b)所示(分辨率带宽为1 kHz),可以看到信号中包含明显的拍频分量,拍频频率为2.15 MHz。为优化激光器输出特性,将1 km的单模光纤加入腔内以增大腔长,通过增强纵模的随机性增加谐振纵模数量的平均效应,从而实现了激光器的稳定无拍频输出。此外该段单模光纤中存在由于光纤自身材料不均匀性导致的随机瑞利散射,该散射光也可以作为激光器反馈参与谐振,因此激光器谐振方式类似于随机激光,相对于短腔激光器功率无明显时域抖动。激光器输出时间特性及频谱如图4(c)、(d)所示,输出激光从时域上和频域上都看不到明显的拍频抖动。通过对输出功率进行长时间测量,发现环境温度或振动对输出功率没有明显影响。增加单模光纤后,激光器腔长略大于1 km,对应纵模间隔在100 kHz左右,在1 kHz分辨率带宽下,频谱上未观察到明显的拍频信号,保证了激光器输出功率在时域上的随机性。

图4 腔长优化前(a),(b)及腔长优化后(c),(d)激光器时域及频域特性Fig.4 Time and frequency domain characteristics of the fiber laser without cavity length optimization(a),(b)and after cavity length optimization(c),(d)

3 2µm波段光纤激光器泵浦验证

为验证本激光器在2µm波段光纤激光器泵浦的特性,利用该激光器作为2µm波段被动锁模光纤激光器泵浦,激光器结构如图5(a)所示。其被动锁模机理为非线性偏振旋转:1570 nm泵浦源通过波分复用器(WDM)进入掺铥光纤(TDF)实现激光器泵浦,由于随机的受激辐射过程形成随机信号脉冲,背向信号脉冲经过单模光纤(SMF)产生线性及非线性的偏振旋转,通过旋转偏振控制器(PC)调整腔内信号偏振态,使得脉冲峰值和前后沿分别经过偏振相关隔离器(PD-ISO)时为高透和高吸收,从而实现对脉冲压窄,频域表现为出现相位差稳定的相邻纵模,压窄后的脉冲进入掺铥光纤而继续被放大参与循环,最终实现稳定的锁模脉冲输出。该结构无需外界加入光/电信号或注入脉冲,结构简单,能够实现真正的全光纤化[9,10]。

在合适的偏振状态下,1570 nm激光器输出为286.4 mW时,该2µm被动锁模光纤激光器成功实现了被动锁模脉冲输出,其锁模脉冲序列及激光光谱分别如图5(b)、(c)所示,脉冲间隔为39.55 ns,为双孤子锁模,激光中心波长为1974 nm,3 dB带宽为4 nm。其脉冲自相关曲线如图5(d)所示,其sech2拟合后自相关曲线半高宽度为1.71 ps,对应脉冲宽度为1.13 ps。脉冲频谱(分辨率带宽为1 kHz)如图5(e)所示,其基频频率为25.28 MHz,对应腔长为7.91 m,脉冲信噪比大于60 dB,说明锁模脉冲非常稳定。图5(e)插图所示为光电转换后电脉冲高次谐波频谱,其顶部平坦性侧面说明了脉冲的稳定性。从该结果可以看出,此1570 nm光纤激光器时域输出稳定,且在2µm波段表现出良好的泵浦特性。孤子锁模是腔内非线性偏振旋转和自相位调制导致的脉冲压窄与色散展宽达到平衡后的结果,提高泵浦功率导致腔内的非线性效应变强,使得孤子进一步压缩而导致峰值功率超出增益光纤的增益饱和阈值,从而出现孤子劈裂,导致双孤子锁模脉冲输出,本实验通过降低泵浦功率可以得到单孤子锁模输出。

图5 (a)2µm波段被动锁模光纤激光器结构;(b)锁模脉冲序列;(c)锁模输出光谱;(d)自相关曲线;(e)脉冲频谱(插图为高次谐波频谱)Fig.5 (a)Structure of the 2µm waveband passively mode-locking fiber laser;(b)Mode-locked pulses;(c)Output spectrum;(d)Auto correlation curve;(e)Pulse spectrum(The inset shows the harmonic spectrum)

4 总结

实现了基于光纤布拉格光栅的1570 nm单波长光纤激光器直接输出,采用光纤耦合器搭建塞格纳克宽带反射器与部分反射光纤光栅构建直腔,通过优化光栅反射率实现了最大谐振效率为24.42%、最大输出功率为2.8 W、边模抑制比为65 dB的1570 nm光纤激光输出。通过增大腔长增加谐振纵模数量,从而基于平均效应实现了激光器的稳定无拍频输出,并利用此激光器作为掺铥光纤泵浦源实现了2µm波段光纤激光器锁模输出,双孤子锁模脉冲间隔为39.55 ns,激光中心波长为1974 nm,3 dB带宽为4 nm。相比于传统2µm波段掺铥光纤泵浦,此激光器具有结构简单、制作成本低、可实现单模泵浦等优势。