增益開關線偏振單頻脈沖光纖激光器*

張萬儒 陳思雨 粟榮濤 姜曼 李燦 馬閻星 周樸

(國防科技大學前沿交叉學科學院,長沙 410073)

報道了一臺線偏振單頻脈沖光纖激光器.采用全保偏環形腔結構搭建全光纖振蕩器,在腔內熔接一段未抽運的保偏摻鐿光纖作為飽和吸收體,產生超窄帶的動態光柵進行濾波選模,實現了激光器的單頻輸出.利用976 nm 半導體激光器作為抽運源,產生脈沖加連續的混合抽運激光,實現了重頻10—90 kHz、脈寬1—8 μs的長脈沖輸出.實驗研究了抽運功率和重復頻率等參數對輸出激光的時域、頻域和功率特性的影響.實驗發現輸出激光的頻域特性在一定功率范圍內存在光學雙穩態現象,分析了激光功率特性對動態光柵選模機制的影響.通過參數優化,最終實現了中心波長1064 nm、線寬約23.5 MHz、重頻10—90 kHz、脈寬4—8 μs、偏振消光比約29 dB的單頻脈沖激光輸出.

1 引言

單頻光纖激光器具有相干性好、結構緊湊、光束質量好等優點,研究人員基于不同結構原理實現了高性能的單頻連續激光輸出[1-4].相比于單頻連續光纖激光,單頻脈沖光纖激光具有更高的峰值功率,在激光雷達、非線性頻率轉換、遙感探測等領域具有廣泛的應用前景[5-7].目前,獲得單頻脈沖光纖激光的典型方法是利用聲光調制器或電光調制器對單頻連續激光進行強度調制,可以在調制器的調節范圍內產生任意重頻、脈寬的脈沖激光.但是,強度調制輸出的激光種子功率較低,通常需要多級放大器進行功率放大[8-11].因此,研究人員對調Q 單頻光纖激光器開展了相關研究,Shi 等[12]報道了一種基于分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)超短腔主動調Q的單頻光纖激光器技術方案,通過壓電陶瓷擠壓光柵來改變腔內的反射損耗,實現了單頻脈沖激光輸出.Zhang等[13]在DBR 超短腔光纖激光器中使用半導體可飽和吸收鏡,基于飽和吸收效應實現了被動調Q 單頻脈沖輸出.Li 等[14]在環形腔結構中加入具有飽和吸收特性的二維材料作為腔內Q 開關,同時利用未抽運的摻鉺光纖進行縱模選擇,獲得了單頻脈沖輸出.Zhao 等[15]將具有偏振損耗各向異性的DBR 光纖激光器的輸出光進行偏振調制后再返回到腔內,研制了新型的單頻調Q 光纖激光器.此外,研究人員利用種子光注入調Q 技術,將單頻種子光注入至高增益的調Q 光纖激光器中,誘導激光器中與單頻種子光最鄰近的潛在縱模先建立激光振蕩,實現了單頻脈沖激光輸出[16-20].

增益開關技術是對激光器的抽運源進行調制,利用脈沖抽運的方式周期性調節激光器增益,可以實現脈沖激光輸出.該方法無需外部調制器件,通過對抽運源電信號的調制即可實現脈沖輸出,脈沖重復頻率以及脈沖寬度隨電信號可調.Geng 等[21]采用1.95 μm的摻銩脈沖光纖激光器作為抽運源,通過同帶抽運的方式實現了 2.05 μm的增益開關單頻脈沖輸出.Hou 等[22]利用調制脈沖抽運源抽運DBR 超短腔結構光纖激光器,獲得了單頻脈沖激光輸出,中心波長為1063 nm,脈沖寬度約150 ns,光譜線寬為14 MHz.Poozesh 等[23]報道了一臺增益開關線形腔激光器,在100 kHz 處產生脈沖寬度為427 ns,線寬小于7.5 MHz,中心波長為1017 nm.Fang 等[24]利用脈沖激光器抽運DBR 超短腔結構,在2 μm 處獲得了重復頻率為1—500 kHz、脈沖寬度為19—106 ns的單頻脈沖輸出.

由于增益開關脈沖激光器的脈沖寬度與諧振腔的腔長正相關,為了滿足長脈沖應用領域的需求,則需要進一步增大大激光器的腔長.但是在線形腔激光器中,增大大腔長則難以實現單頻輸出.為此,本文提出了一種基于長腔長環形腔結構的增益開光長脈沖單頻激光輸出方法,實現了中心波長1064 nm、線寬約23.5 MHz、重頻 10—90 kHz、脈寬4—8 μs、偏振消光比約29 dB的單頻激光輸出.

2 實驗結構與原理

基于增益開關的全保偏環形腔結構光纖激光器的實驗裝置如圖1 所示.增益光纖采用長度為1 m、纖芯/包層直徑分別為6/125 μm的保偏摻鐿光纖(polarization maintaining ytterbium doped fiber,PM-YDF1).中心波長為976 nm的半導體抽運激光器(laser diode,LD)通過一個976/1064 nm 保偏波分復用器(polarization maintaining wavelength division multiplexer,PM-WDM)將抽運激光耦合到環形腔內.976 nm LD的重頻和脈寬可以根據信號發生器(arbitrary function generator,AFG)的輸入信號進行調節,20 kHz 重頻下輸出的最高平均功率約為200 mW.PM-YDF1的一端連接一個保偏環形器(polarization maintaining circulator,PM-CIR),以確保環形腔內光路的單向運行.PMCIR的第2 個端口連接一段未抽運保偏摻鐿光纖(PM-YDF2)作為可飽和吸收體,光纖長度和參數與PM-YDF1 相同.在PM-YDF2的另一端熔接一個保偏光纖布拉格光柵(polarization maintaining fiber Bragg grating,PM-FBG),其中心波長約為1064 nm,帶寬為0.08 nm,反射率約為90%.PMFBG 可以對腔內縱模進行初步選擇,并實現激光的耦合輸出,其反射率對輸出脈沖特性會產生影響,反射率在30%—40%時振蕩器效率最高[25,26].PM-FBG的另一個重要功能是結合PM-YDF2 選擇出單一縱模,信號光經過PM-FBG的反射后與入射的信號光在PM-YDF2 上產生干涉駐波,飽和吸收特性使光強與折射率沿光纖縱向方向產生周期性變化,形成帶寬極窄的瞬態布拉格光柵,從而選出單頻激光.高反射率的PM-FBG 可以縮小PMYDF2 上往返光束的光強差,提高干涉光強襯比度,形成更加穩定的單頻選模機制.綜合考慮上述因素,本文重點關注激光器的單頻特性,因此采用了反射率為90%的PM-FBG.此外,普通摻鐿光纖作為可飽和吸收體時,信號光的偏振態容易發生變化,影響形成的駐波的穩定性,采用保偏摻鐿光纖則可以保持信號光的偏振態,實現更加穩定的單頻選模機制.

圖1 增益開關單頻脈沖光纖激光器結構示意圖Fig.1.Experiment setup of the gain-switched single-frequency pulsed fiber laser.

基于增益開關的脈沖激光其脈沖寬度tp與諧振腔長度正相關,與抽運功率負相關[22,27],即:

式中,L=6.3 m為激光器腔長,Pabs為吸收的抽運功率.

激光器諧振腔內相鄰縱模的頻率間隔可以表示為

式中,c=3×108m/s為真空中的光速,neff=1.47為光纖有效折射率,L=6.3 m為激光器腔長.由(2)式可知縱模間隔Δν約為32 MHz.PM-FBG的光譜寬度為0.08 nm,在1064 nm 處對應的線寬約為21 GHz,遠遠大于縱模間隔,諧振腔支持多縱模振蕩.實驗中采用未抽運保偏摻鐿光纖上形成的動態光柵作作為窄帶濾波器,進行縱模選擇.根據耦合模理論,所形成動態光柵的帶寬表達式為[28,29]

式中,Δn＜ 2×10—7是折射率的調制幅度,δ=1 m 是模式耦合的尺寸補償參數,λ=1064 nm為波長,neff=1.47為有效折射率,LYDF2=1 m為未抽運保偏摻鐿光纖的長度.由(3)式可知動態光柵帶寬Δf約27 MHz,小于縱模間隔32 MHz,因此可以選出單縱模,實現單頻輸出.由(3)式也可看出未抽運保偏摻鐿光纖長度LYDF2越長,動態光柵的帶寬越窄,越有利于選出單一縱模,但是信號光的吸收損耗也會隨之增大,導致激光器的輸出功率與斜率效率降低,同時激光器的閾值功率也會隨之提高[30].實驗中對比了不同未抽運保偏摻鐿光纖長度下的縱模選擇效果,發現采用2 m,1.5 m和1 m 長的未抽運保偏摻鐿光纖長度均可以實現穩定無跳模的單頻輸出;而采用0.5 m 長的未抽運保偏摻鐿光纖進行縱模選擇時,穩定性不佳,會出現跳?，F象.最終,優選1 m 長的未抽運保偏摻鐿光纖作為飽和吸收體.

3 實驗結果與分析

由于實驗中利用動態光柵進行縱模選擇依賴于信號光產生的干涉駐波,信號光發生有效干涉時,動態光柵建立;信號光消失,動態光柵也隨之消失.但是動態光柵的建立和消失并不是瞬時的,而是需要一定的時間,稱為動態光柵的特征時間.由于在摻鐿光纖中產生動態光柵的特征時間為亞毫秒量級[31],因此實驗中發現重頻在10 kHz 以下時就難以實現單頻脈沖輸出.實驗中通過仔細調節抽運參數,在10—90 kHz 均實現了單頻脈沖輸出,輸出脈寬在4—8 μs,線寬約23 MHz.由于激光器搭建過程中采用了全保偏器件,利用偏振消光比測量儀對輸出激光的偏振特性進行測量,在不同重頻和功率條件下,脈沖激光的偏振消光比均優于29 dB.后文將從時域、頻域及功率特性等方面對實驗結果進行詳細分析.

3.1 時域特性

為了保證輸出激光脈沖的穩定性,減少對抽運脈沖能量的要求,實驗中抽運源采用脈沖加連續的混合抽運工作模式[32].抽運源中脈沖光與連續光成分的功率均可以單獨設置,利用AFG的輸入信號可以靈活改變抽運脈沖的重頻與脈寬.激光器的連續激光抽運閾值約為40 mW,將抽運光中連續光成分的功率設為30 mW,低于激光器的抽運閾值功率.當脈沖抽運光疊加在連續抽運光上時,輸入功率才能大于閾值,實現激光輸出.

首先,將抽運脈沖的重頻設為20 kHz,脈寬設為3 μs,改變抽運功率,利用高速光電探測器與數字示波器測量抽運脈沖與輸出脈沖的時域特性.如圖2(a)—(c)所示,藍色代表抽運脈沖,紅色代表激光脈沖.當抽運平均功率由53 mW 提升至137 mW(連續抽運光成分均為30 mW)時,脈沖寬度從4.2 μs 下降至1.3 μs.這是因為脈沖持續時間則隨抽運功率的提升而縮短,如(1)式所示.當抽運平均功率進一步提升至154 mW(連續抽運光成分均為30 mW)時,在一個抽運周期內出現了兩個輸出脈沖.這是隨著抽運功率的提升,脈沖建立時間進一步縮短,在輸出第1 個激光脈沖后,仍有足夠的抽運功率可以產生第2 個激光脈沖.

然后,繼續保持抽運脈沖的重頻為20 kHz,將抽運脈寬增大為5 μs,將抽運平均功率設為137 mW(連續抽運光成分均為30 mW),抽運脈沖與輸出脈沖的時域特性如圖2(d)所示.對比圖2(b)與(d)可知,在保證抽運能量相同的情況下,利用不同脈寬的抽運脈沖可以獲得相同的輸出脈沖寬度.

圖2 脈沖時域特性隨抽運激光特性的變化情況 (a) 抽運平均功率53 mW、抽運脈寬3 μs;(b) 抽運平均功率137 mW、抽運脈寬3 μs;(c) 抽運平均功率154 mW、抽運脈寬3 μs;(d) 抽運平均功率137 mW、抽運脈寬5 μsFig.2.Pulse time domain characteristics with different pump characteristics,the average pump power and pump pulse duration are: (a) 53 mW,3 μs;(b) 137 mW,3 μs;(c) 154 mW,3 μs;(d) 137 mW,5 μs.

最后,將抽運脈寬設為3 μs,抽運重頻分別設為20 kHz,40 kHz,60 kHz 和80 kHz.在上述重頻下對應的抽運平均功率分別設為86 mW,172 mW,258 mW 和344 mW(連續抽運光成分均為30 mW),使抽運平均功率與重復頻率的比值相同.如圖3(a)所示為激光器在不同抽運重頻下的輸出脈沖序列,可見輸出脈沖的重頻與抽運脈沖重頻保持一致,脈沖序列的穩定性較好,脈沖峰值波動均小于5%.如圖3(b)所示為激光器在不同抽運重頻下的單脈沖形狀,脈沖波形近似滿足高斯分布,隨著重頻的提高,輸出脈沖的寬度隨之降低,從20 kHz的2.2 μs下降至80 kHz的1.5 μs.雖然抽運平均功率與重復頻率的比值相同,但是,由于抽運激光中有30 mW的連續光成分,脈沖抽運光的脈沖能量在20 kHz,40 kHz,60 kHz 和80 kHz 條件下分別為2.8 μJ,3.5 μJ,3.8 μJ 和3.9 μJ,在脈寬保持抽運脈寬3 μs的情況下,抽運峰值功率是隨重頻增大大而增大大,由(1)式可知輸出脈沖寬度也會隨著抽運功率的提高而變窄.

圖3 脈沖時域特性隨抽運激光重頻的變化情況 (a) 脈沖序列;(b) 脈沖波形Fig.3.Pulse time domain characteristics with different pump repetition rate: (a) Pulse trains;(b) pulse waveform.

3.2 頻域特性

利用自由光譜范圍(free spectral range,FSR)為4 GHz、分辨率約10 MHz的法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer,FPI)對激光器的縱模輸出特性進行測量.首先,不熔接未抽運的保偏摻鐿光纖,測得的激光器頻域特性如圖4(a)所示,可見激光器工作在多縱模(multi-longitudinalmode,MLM)狀態.從前文的分析可知只采用窄線寬的FBG 進行縱模選擇時,不能實現單頻激光輸出.然后,熔接一段1 m 長的未抽運的保偏摻鐿光纖,測得的激光器頻域特性如圖4(b)所示,激光器工作在單縱模(single-longitudinal-mode,SLM)狀態.圖4(c)為單頻脈沖激光的典型頻域特性,紅色為實驗測量數據,由于是脈沖輸出,譜線表現為離散的尖峰序列,藍線為其包絡擬合曲線,其半高全寬約為23.5 MHz.激光器的輸出光譜特性由0.02 nm分辨率的光譜分析儀進行測量,如圖4(d)所示,中心波長為1064.5 nm,輸出信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)大于58 dB.

圖4 激光器的典型頻域特性 (a) 不熔接PM-YDF2 時的縱模特性;(b) 熔接1 m 長PM-YDF2 時的縱模特性;(c) 單縱模線寬;(d) 光譜特性Fig.4.Typical frequency domain characteristics of laser: (a) longitudinal mode characteristic without PM-YDF2;(b) longitudinal mode characteristic with 1-m-long PM-YDF2;(c) linewidth of single-longitudinal-mode;(d) optical spectrum characteristic.

在抽運激光重頻為20 kHz、脈寬為3 μs的情況下,逐漸增大大抽運功率,觀察激光器頻域特性隨抽運功率的變化情況.當抽運功率由低到高增大到55.5 mW 時,激光器由SLM 狀態變成MLM 狀態;然后再逐漸降低抽運功率,在抽運功率減小至51.5 mW 時,激光器才由MLM 狀態變回SLM 狀態.重復該過程,現象均能復現,說明激光器的縱模特性在51.5—55.5 mW 范圍內存在光學雙穩態現象.也就是說,在抽運功率增大大過程中,該功率范圍內激光器為SLM 狀態;而在抽運功率減小過程中,該功率范圍內激光器為MLM 狀態,如圖5所示.通過長時間的實驗觀察還發現,在抽運功率小于51.5 mW的SLM 區,激光器抗外界環境干擾的能力比較強,可以穩定地工作于單頻狀態,沒有觀察到縱模跳變;當激光器處于雙穩態的抽運區間時,縱模狀態容易在受到外界擾動時發生變化;在抽運功率大于55.5 mW的MLM 區,動態光柵失效,只有FBG 粗選縱模,與不熔接PM-YDF2 時的縱模特征相似.這是由于當窄線寬脈沖激光的峰值功率增大時,PM-YDF2 上的折射率調制深度會隨之增大,將產生更強的動態光柵,動態光柵的反射率也隨之提升,使得大部分的信號光被反射回環形器,無法進入PM-YDF2 參與動態光柵的形成,造成動態光柵減弱.當PM-YDF2 上的動態光柵減弱時,又可以允許更多的信號光進入PM-YDF2,再次形成強動態光柵.在較高的抽運功率下,動態光柵一直處于這個循環的過程,無法建立穩定的選頻機制,激光器工作在MLM 狀態[33].

圖5 激光器縱模特性隨抽運功率的演化過程Fig.5.Evolution of laser longitudinal mode characteristic with pump power.

圖6 所示為幾個典型抽運功率下的輸出脈沖波形和縱模特性.隨著抽運功率的增大,輸出的脈沖寬度隨之減小,峰值功率隨之增大.當抽運功率依次增大到44 mW,51 mW,56 mW,97 mW 和145 mW 時,輸出脈沖的脈寬tp和單脈沖能量J分別為6 μs/0.025 μJ,4.3 μs/0.065 μJ,2.6 μs/0.095 μJ,1.8 μs/0.34 μJ 和1.1 μs/0.63 μJ,對應的脈沖峰值功率Ppeak分別為3.9 mW,14.2 mW,34.3 mW,177.4 mW 和537.8 mW.計算過程中采用脈沖峰值功率公式:

其中I為歸一化強度,Pave為脈沖平均功率,fR為脈沖重復頻率,t與T如圖6(a)所示.

圖6 典型抽運功率下的(a)脈沖波形與(b)縱模特性Fig.6.(a) Pulse waveform and (b) longitudinal mode characteristic with typical pump power.

需要說明的是,當抽運功率在雙穩態區間時,相同抽運功率下輸出的脈沖寬度存在差異.例如,當抽運功率為53 mW 時,如果激光器工作在圖5 中A 點的SLM 狀態,輸出的脈寬和單脈沖能量分別為4.1 μs 和0.077 μJ,對應的峰值功率約為17.6 mW;如果激光器工作在B 點的MLM 狀態,則輸出的脈寬和單脈沖能量分別為2.7 μs 和0.083 μJ,對應的峰值功率約為28.9 mW.這是因為在雙穩態區間內,動態光柵的強弱并不穩定,并且受到上一時刻的激光峰值功率的影響;同時,動態光柵的強弱也會反過來影響諧振腔的特性,進而影響脈沖激光的時域和功率特性.如果進一步提高抽運功率,使輸出激光的峰值功率進一步提高,則使動態光柵的完全無法建立.例如,當抽運功率為145 mW 時,輸出脈沖的寬度降為1.1 μs,峰值功率提高到537.8 mW,光譜線寬也增大到2 GHz 左右.

3.3 功率特性

圖7 展示了在抽運源重頻分別為20 kHz,40 kHz,60 kHz 時激光器的輸出功率隨抽運功率的變化情況,紅色方塊為實驗數據,藍色虛線為擬合曲線.可以發現,隨著抽運功率的增大,不同抽運重頻下激光器的輸出功率均近似呈線性增長,20 kHz,40 kHz 和60 kHz 下對應的斜率效率分別為12.1%,12.6%和13.1%,對應的閾值功率分別為40 mW,45 mW 和54 mW,可見隨著重頻的提高,激光器的斜率效率與閾值功率略有上升.在較低抽運功率下,未抽運的摻鐿光纖可以形成有效的窄帶動態光柵進行選頻.20 kHz,40 kHz 和60 kHz 下能夠實現單頻輸出的最大抽運功率分別為55.5 mW,78.6 mW,98.1 mW,繼續提高抽運功率,激光器將工作在多縱模狀態.

圖7 抽運重頻分別為(a) 20 kHz,(b) 40 kHz,(c) 60 kHz 時激光器輸出功率隨抽運功率的變化Fig.7.Output power of the laser versus pump power with pump repetition rates of (a) 20 kHz,(b) 40 kHz,(c) 60 kHz,respectively.

4 結論

提出了增益開關技術與未抽運摻鐿光纖選模技術相結合實現窄線寬單頻脈沖輸出的方案,通過信號發生器改變抽運激光的重復頻率與脈寬,利用未抽運摻鐿光纖形成的動態光柵進行縱模選擇,在1064 nm 處獲得了重頻10—90 kHz、脈寬4—8 μs的單頻脈沖輸出,測得單頻線寬約23.5 MHz,最大單頻脈沖輸出峰值功率約17.6 mW.通過提升抽運功率可以縮短輸出脈沖寬度至1—4 μs,但是實驗中動態光柵的選頻機制有功率限制,在較高抽運功率下獲得的輸出脈沖已無法保持單頻狀態.該單頻長脈沖激光器經過功率放大后,有望在激光雷達、非線性頻率轉換、遙感探測等領域獲得應用.

感謝王小林、張漢偉老師在實驗中提供的幫助.