《一种基于掺铒光纤环形腔激光器》
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摘 要：我们在通过对腔长的优化以及使用大功率的国产泵浦源的基础上,利用非线性偏振旋转（NPR）技术,成功的设计了稳定的环形腔掺铒光纤锁模激光器,这台激光器可以实现稳定的锁模状态.其在500mW的泵功率下,输出平均功率为18.4mW,输出光谱的3dB带宽可以达到32.16nm,中心波长在1560m附近.
关键词：掺铒光纤;环形腔激光器
掺铒光纤激光器所使用的最本质的工作原理就是利用光的受激辐射放大作用,作为增益介质的掺铒光纤在激光腔内在泵浦源提供的泵浦作用下,铒离子受激由低能级跃迁到高能级上,然后通过快速的无辐射跃迁到达激光上能级,当泵浦功率达到阈值以后,即可在激光上能级和激光下能级之间实现粒子数反转,而后进一步引入各种形式的正反馈,使光在增益介质中持续往返通过,即可实现光的受激辐射放大,当光达到极高的强度后,就可以形成激光输出,从而就构成了掺铒光纤激光器.
被动锁模掺铒光纤激光器因为具有实用性良好、光束质量较高、平均功率高、稳定性好等特点引起了人们的广泛关注并取得了巨大的发展,通信领域中现阶段大量使用了掺铒光纤激光器,就是因为它具有小型轻量化,高增益,高效率和容易产生非线性光学效应等优点,截止到目前为止,锁模掺铒光纤激光器的输出功率以及3dB带宽的大小一直面临着几个棘手的技术挑战,而这些技术挑战主要是由于热效应、非线性和高量子缺陷等问题引起的.而且与此同时,980纳米的单模激光二极管的功率限制也限制了高功率锁模掺铒光纤激光器的发展.換句话说,掺铒锁模光纤激光器还有很高的发展前景.
本文基于NPR技术,通过优化掺铒光纤和激光腔的长度,选择输出耦合器合适的配比,成功的设计了一种全光纤结构稳定的掺铒光纤锁模激光器.在泵浦功率为SOOmW时,最大输出功率达到了18.4mW,3dB带宽达到32.16纳米,并能实现稳定的锁模工作.
具体的实验装置示意图如图1所示.如图所示,我们设计了一种常用的环形激光腔结构.获得稳定的锁模操作.在我们的实验过程中,将掺铒光纤的长度优化为70厘米左右.泵浦源采用国产的980纳米单模光纤激光器,泵浦源功率最大为500mW.泵浦源通过波长为980/1550nm的波分复用器接入到激光腔内.采用两个准直器之间放置两个二分之一玻片（HWP）,两个四分之一玻片（QWP）和一个偏振分束棱镜（PBS）来调节偏振状态,以稳定锁模输出,整个激光器由这两个二分之一玻片,两个四分之一玻片以及偏振分束棱镜构成类可饱和吸收体,并结合非线性偏振旋转效应来实现激光器的被动锁模.
在实验过程中,首先对掺铒光纤和整个激光器的腔长进行了优化.最后我们发现,当掺铒光纤的长度为70cm时,只有当剩余单模光纤总长超过3m时才能达到锁模,这是由于两个准直器之间的损耗问题所产生的,通过反复的实验测得只有剩余腔长超过3m后才能得到稳定的锁模操作和功率输出.在实验中,通过调节四个玻片的状态以改变偏振态,在泵功率为210mW到500mW之间时,可以实现稳定的锁模运行.
稳定锁模运行在最大泵浦功率下的输出特性如图2所示.光谱仪记录的发射光谱分辨率为0.05nm,中心波长为1557.63mn,3dB带宽为32.16nm.结果表明,平均输出功率与泵功率呈线性关系.在最大泵浦功率500mW的情况下,最大平均输出功率高达18.4mW,图2中还给出了锁模状态下的脉冲序列.由于缺少必要的商用自相关器,因此很难研究脉冲宽度的真实特性.然而,从光谱的信息来看,计算出的脉冲宽度为ps级,此外,色散对脉冲宽度的影响也不容忽视.在今后的工作中,我们将尽力研究输出光谱3dB带宽的极限值.
激光的稳定性对其实际应用具有重要意义.因此,通过RF频谱分析仪进一步记录锁模操作的稳定性,经过分析数据得出锁模状态是稳定的.此外,大跨度射频光谱对锁模激光器稳定性的测试也具有重要意义,射频特性表明,我们的工作获得了高稳定性的锁模脉冲.
我们进一步对整个激光器进行分析,通过调节玻片改变偏振态尝试找到不同状态下的锁模,通过反复的实验得到了具有凯利边带特征峰的典型孤子型谱,如图3所示.此时的激光器已经产生了多脉冲,在500mW的泵浦功率下,输出脉冲波形以四个峰为一个周期,而后我们降低泵浦功率,当泵浦功率为450mW时,输出脉冲波形变为三个峰为一个周期,然后继续降低泵浦功率,当泵浦功率降低到400mW及以下时,输出脉冲的波形就变为两个峰为一个周期,直到泵浦功率下降到低于210mW后无法锁模,在此之前一直保持输出脉冲波形为一个周期内有两个峰的多脉冲锁模情况.
综上所述,我们已经设计并展示了一种紧凑的环形腔锁模掺铒光纤激光器,该激光器基于一个国产的980纳米的泵浦源,所产生的最大平均输出为18.4mW,3dB带宽为32.16nm.实验结果表明,该方法具有脉冲能量大、光谱较宽,结构紧凑等优点,具有明显的增强效果和广泛的应用前景.我们相信这种简单、经济、紧凑的结构在例如超快光谱学、精密计量学和共聚焦显微学等许多领域中将具有广阔的应用前景.
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