基于馬赫_曾德爾干涉儀的可調(diào)諧摻鐿光纖激光器

1、基于馬赫-曾德爾干涉儀的可調(diào)諧摻鐿光纖激光器摘要：通過使用一個由兩個3dB光纖耦合器構(gòu)成的光纖馬赫-曾德干涉儀作為內(nèi)腔濾波器，展示了一個調(diào)諧范圍超過20 nm的可調(diào)諧摻Y(jié)b環(huán)形腔全光纖激光器。在下文中將會詳細敘述制作馬赫-曾德光纖干涉儀的技術(shù)。光纖激光器在1050 nm1071 nm的頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的mW量級的輸出功率，頻帶抑制率超過45dB，而且?guī)捫∮?.1 nm。關(guān)鍵詞：可調(diào)諧光纖激光器；環(huán)形腔光纖激光器；摻鐿光纖；馬赫-曾德干涉儀連續(xù)波（CW）和脈沖高功率光纖激光器在近幾年取得了很大的進展。在所有的高功率光纖激光器中，摻Y(jié)b光纖激光器因為它們較高功率量級和效率而尤為重要。這些光纖激

2、光器可以用作次級激光的基本泵浦源來完成諧波或參數(shù)轉(zhuǎn)換。這主要是考慮到高光線質(zhì)量與光纖激光器有聯(lián)系。光纖激光器可以實現(xiàn)一個合理范圍內(nèi)的較寬的可調(diào)諧性，例如，摻Er光纖激光器波長范圍有100 nm，但卻被限制在一個小的范圍內(nèi)。和光纖激光器相比，光學(xué)參量振蕩器（OPO）是一種可以在紅外光譜區(qū)提供更寬的調(diào)諧范圍的可調(diào)諧激光器。一般的，OPO的波長調(diào)諧可以通過調(diào)整所包含的非線性晶體的相位匹配角度或一些周期區(qū)域反向非線性光學(xué)晶體的光柵周期譬如PPLN和PPMgLN。如果泵浦激光器（可以是固體激光器或光纖激光器）調(diào)諧范圍很寬，那么OPO的輸出可以很快速的進行調(diào)諧。因此，一個由主震蕩功率放大器（MOPA）構(gòu)成

3、的可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器泵浦的OPO將會有敏捷的寬的可調(diào)諧性。參考以前可調(diào)諧波長摻鉺光纖激光器可以通過多種方法實現(xiàn)的工作，包括光纖法布里-伯羅（FFP）調(diào)諧濾波器，寬范圍內(nèi)可調(diào)諧布拉格光纖光柵和多層薄膜干涉帶通濾波器的應(yīng)用。這些應(yīng)用于摻鉺光纖激光器系統(tǒng)的光柵或濾波器在市場上可以買到而且通常成本低廉。例如，工作在1550 nm帶寬的FFP可調(diào)諧濾波器擁有超過100 nm的自由光譜范圍，因此制作一個摻 Er光纖激光器會很容易的覆蓋一個款的調(diào)諧范圍。與上面所提到的技術(shù)相比，一個工作在1 m帶寬的摻Y(jié)b光纖激光器的調(diào)諧方法實因為在1m波長范圍附近的內(nèi)腔濾波器的限制而施起來很困難。工作在1m的FFP濾波

4、器比那些工作在1.5m的濾波器昂貴很多，而且僅具有一個很窄的調(diào)諧范圍。盡管曾經(jīng)報道過一個用聲光濾波器作為可調(diào)諧濾波器的外腔波長可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器，但是它包含大體積的光學(xué)組件并且使用起來太復(fù)雜。另外，由可調(diào)諧布拉格光纖光柵（FBG）構(gòu)成的摻Y(jié)b光纖激光器覆蓋了很寬的45 nm可調(diào)諧范圍，展示了很好的表現(xiàn)。然而它的長期可持續(xù)性需要進一步的測試因為對布拉格光纖光柵應(yīng)用高應(yīng)力很可能會損壞布拉格光纖光柵。本文展示了最近在由馬赫-曾德干涉儀作為內(nèi)腔濾波器構(gòu)成的持續(xù)可調(diào)諧摻Y(jié)b光纖激光器發(fā)展方面的工作。馬赫-曾德干涉儀作為可調(diào)諧成分起決定激光器振蕩波長的作用。這種全光纖激光器僅由幾件普通的光學(xué)器件組成而

5、且很容易構(gòu)造。它為發(fā)展一種由二極管激光器泵浦的低成本高效率的可調(diào)諧光纖激光器提供了可能性，這種激光器具有高調(diào)諧率，中等功率，并且在1m附近具有窄線寬。這種激光器具有較廣的可調(diào)諧性，可以作為高功率摻Y(jié)b光纖放大器的種源。它可能會適合于全光纖調(diào)Q環(huán)形激光系統(tǒng)，而這種激光系統(tǒng)對測距，剛度測量和激光定位器比較有吸引力。光纖激光器在1050 nm1071 nm的頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的mW量級的輸出功率，頻帶抑制率超過45dB，而且?guī)捫∮?.1 nm。另外它可以作為有主震蕩功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)的包層泵浦高功率摻Y(jié)b光纖放大器的小的種源來達到廣的調(diào)諧性。摻Y(jié)b光纖980nm LDWDM耦合器隔離器L1

6、50%50%L250%50%PC輸出耦合器馬赫-曾德干涉儀10%輸出圖1 基于馬赫-曾德干涉儀的環(huán)形摻Y(jié)b光纖激光器原理圖環(huán)形可調(diào)諧光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光共振器由一片長度1m的摻Y(jié)b光纖和用兩個中心波長在1064nm的3dB光耦合器簡單構(gòu)成的馬赫-曾德干涉儀組成。摻Y(jié)b光纖充當(dāng)增益介質(zhì)在包層直徑為4m和25m分別具有在波長976nm吸收系數(shù)45dB/m。工作在976nm最大輸出功率為100mW的帶尾纖的激光二極管疊加到環(huán)形腔而泵浦源通過一個980/1060nm波分多路復(fù)用（WDM）耦合器。環(huán)形腔中包含一個光頻隔離器來確保激光單向波長運行。一個光纖偏振控制器應(yīng)用于腔內(nèi)來彌補諧振器元素的

7、殘余雙折射。激光發(fā)射輸出提取自中心波長在1064nm的10:90輸出耦合器。激光輸出頻譜通過一個光學(xué)頻譜分析儀（OSA，AQ6317C，from Ando）檢測并測量。環(huán)形光纖激光器中包含光纖馬赫-曾德干涉儀對于實現(xiàn)穩(wěn)定的寬的可調(diào)諧性是必不可少的。馬赫-曾德干涉儀在環(huán)形光纖激光器中的特性曾在其應(yīng)用于摻Er光纖激光器輸出多波長激光的實驗中研究過。通常，兩個干涉儀的路徑長度是不同的，如圖1所示。光束在通過兩個馬赫-曾德干涉儀時的相位差如下式， (1)是光在光纖中的傳播常數(shù)，是在兩個干涉儀中的光程差。對于我們實驗中所采用的3dB的耦合器，假定光在光纖輸入口被均等的分進兩個臂內(nèi)，在干涉儀的輸出口重組。

8、因此，如果我們忽略耦合損耗，干涉儀的傳送可以簡單的寫為， (2)因為與有聯(lián)系，可以得到由兩個3dB的耦合器構(gòu)成的光纖馬赫-曾德干涉儀的透射譜的特點是一系列在頻域等距的傳輸峰值而且取決于。波長間隔，即相鄰?fù)干浞逯g， (3)N是激光模式的有效折射率，是在自由空間中的激光波長。相鄰?fù)干浞逯g的間隔規(guī)定了干涉儀的調(diào)諧范圍。當(dāng)干涉儀被配置于環(huán)形光纖激光器，激光輸出波長與透射峰位置一致。通過實現(xiàn)調(diào)整干涉儀的路徑差，然后輕微的伸展干涉儀的短臂減小兩個干涉儀之間的路徑差來實現(xiàn)調(diào)諧。在兩個干涉儀路徑差一定的情況下，可以保證激光穩(wěn)定震蕩在一個特定的波長。為了使光纖激光器調(diào)諧范圍最大化，詳細說明馬赫-曾德干涉儀的

9、特性很重要，因為它是在這個激光系統(tǒng)中限定激光調(diào)諧范圍和隨著時間變化激光穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵光學(xué)器件。馬赫-曾德干涉儀的應(yīng)用方式如下。其中一個干涉儀的臂（大約10厘米）特意做的比另一個長并且分成兩片，然后用熔接工具（愛立信FSU 975）對齊但不要交疊。摻Y(jié)b光纖在功率為30mW的發(fā)射泵浦下的熒光譜由美國光學(xué)協(xié)會（OSA）測定。摻Y(jié)b光纖在1030nm到1130nm范圍內(nèi)有較寬的熒光譜，在1063nm達到峰值。然后測量穿過光纖干涉儀的來自摻Y(jié)b光纖的熒光信號，如圖2所示，由透射峰譜的波長間隔評價值，根據(jù)公式（3），我們可以估計路徑差。如果估計的調(diào)諧范圍因為夸大的而比預(yù)期的窄，應(yīng)該用一種在文獻（14）中

10、提到的光纖劈開技術(shù)把額外的路徑差去掉。重復(fù)之前的過程直到獲得的滿足應(yīng)用要求，然后接合兩個臂的光纖末端來完成馬赫-曾德干涉儀的結(jié)構(gòu)。通過對馬赫-曾德干涉儀的短臂應(yīng)用張力來實現(xiàn)激光調(diào)諧。在目前的報告中，路徑差大約36，如圖3所示。這樣的一個調(diào)諧范圍與圖2（b）中展示的測量到的干涉儀的反應(yīng)透射峰值相一致。激光輸出特性是在980nm在泵浦光率為75mW的情況下研究的。激光帶寬測量為0.07nm如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)性噪比（SNR）要大于45dB。激光輸出功率大約2.5mW，激光邊坡效率經(jīng)計算接近3.3%，這個估計值通過增加輸出耦合器的輸出比率并且優(yōu)化光纖長度和泵浦光率可以在未來得到明顯提升。因為在實驗中

11、激光腔并不能去除實驗環(huán)境的干擾，在實驗中觀察到一些模式跳躍現(xiàn)象。可以通過把馬赫-曾德干涉儀放進一個機械阻尼振蕩基去除空氣和機械震蕩來提高激光操作的穩(wěn)定性。通過把減至10m水平而使調(diào)諧范圍延展至80nm變?yōu)榭赡?，但對影響光纖激光器穩(wěn)定操作的環(huán)境噪音必須進一步消除。最近報道的一種納米光纖馬赫-曾德干涉儀提供了一種更寬激光調(diào)諧范圍、穩(wěn)定激光操作的可能性，因為其在兩個干涉儀臂較小的路徑差和其不受空氣噪音的影響。總之，一種新型的工作在1064nm持續(xù)可調(diào)諧環(huán)形摻Y(jié)b光纖激光器得到發(fā)展，實現(xiàn)調(diào)諧波長范圍達20nm。這種可調(diào)諧光纖激光器使用了一個光纖馬赫-曾德干涉儀作為其調(diào)諧構(gòu)件，可以及減輕環(huán)境噪音影響得到

12、進一步的拓展。激光輸出功率在整個調(diào)諧范圍內(nèi)大于2mW，邊帶抑制率大于45dB，輸出激光帶寬小于0.1nm。參考書目：1 C. Alegria , Y. J eong , C. Codemard et al . 832W single2f requencynar row2linewidth MOPA using large2core erbium2yt terbium codoped fiber J . IE EE Photon. Technol . Lett . , 2004 , 16 ( 8) :182518272 A. Piper , A. Malinowski , K. Furusawa

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