光纖激光器講座2

調(diào)Q光纖激光器

鎖模光纖激光器呂福云2008年12月18日調(diào)Q光纖激光器

Q開關(guān)光纖激光器是近幾年激光領(lǐng)域最具活力的研究課題之一。自1986年Alcock首次將調(diào)Q技術(shù)引入光纖激光器以來(lái)，因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)，調(diào)Q光纖激光器已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注，特別是在激光測(cè)距、激光打標(biāo)和內(nèi)雕、激光醫(yī)療、光纖分布式傳感系統(tǒng)和光時(shí)域發(fā)射計(jì)等應(yīng)用中有更廣泛前景。近年來(lái)，由于工業(yè)和軍事的需求，光纖激光器調(diào)Q技術(shù)的研究逐漸向全光纖、窄線寬、窄脈寬、高能量的方向發(fā)展。一、調(diào)Q光纖激光器的最新研究進(jìn)展

1、聲光調(diào)Q

2、電光調(diào)Q

3、可飽和吸收體調(diào)Q

4、光纖中受激布里淵散射調(diào)Q

5、全光纖調(diào)Q

二、實(shí)用化調(diào)Q光纖激光器的研制方案

1、帶光纖耦合的聲光Q開關(guān)

2、實(shí)用化聲光Q開關(guān)Yb3＋光纖激光器

3、人眼安全實(shí)用化聲光Q開關(guān)光纖激光器1、聲光調(diào)Q

聲光調(diào)Q一直吸引著科研工作者的興趣，近年來(lái)有許多聲光調(diào)Q光纖激光器實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，其中較典型的是2001年H.L.Offerhaus小組所做的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)條件：

36m長(zhǎng)大模面積摻鐿光纖.泵浦為工作波長(zhǎng)915nm的光束整形二極管陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在500Hz重復(fù)頻率下可產(chǎn)生2.3mJ的單脈沖，平均輸出功率大于5W。脈沖寬度在100ns到幾個(gè)μs范圍內(nèi)，且隨著脈沖能量增加而減小.－－2001年1、聲光調(diào)Q2、電光調(diào)Q重復(fù)頻率1KHz，輸出脈沖峰值功率400mW，線寬小于60MHz，脈寬接近1μs

1999年H.H.Kee小組將電光Q開關(guān)引入摻鉺光纖激光器中，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的窄線寬激光輸出

3、可飽和吸收體調(diào)Q

2003年，M.Laroclte等人通過(guò)飽和吸收體調(diào)Q實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧的鉺鐿共摻光纖激光器。當(dāng)泵浦功率為2.75W時(shí)，得到調(diào)Q脈沖能量達(dá)60μJ，脈寬3.5ns，相應(yīng)的峰值功率高于10kW，重復(fù)頻率為5kHz，輸出的激光波長(zhǎng)在1532nm至1563nm間可調(diào)。此激光器的顯著特點(diǎn)是得到的激光脈寬窄。3、可飽和吸收體調(diào)Q4、光纖中受激布里淵散射調(diào)Q

在2.4W泵浦下，得到重復(fù)頻率180kHz，峰值功率1kW，脈寬小于1ns的激光輸出。

2004年G.Ravet等人首次將RS-SBS效應(yīng)應(yīng)用到喇曼光纖激光器上窄線寬、寬調(diào)諧混合Q開關(guān)雙包層光纖激光器April1,2003/Vol.28,No.7/OPTICSLETTERS5372003年南開大學(xué)脈沖泵浦和增益光纖中的SBS效應(yīng)單脈沖能量143.1mJ

脈寬5ns波長(zhǎng)調(diào)諧范圍15.7-THz（1080－1140nm）光譜線寬0.04nm峰值功率105kW的雙包層光纖激光器2003年，南開大學(xué)重復(fù)頻率在500Hz－8.3kHz,在8.3kHz時(shí)，最大峰值功率為105kW,平均功率3.5W，脈沖能量0.5mJ，線寬1.6nm，中心波長(zhǎng)1098nm，脈寬～5ns。IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.15,NO.5,MAY2003724OPTICSLETTERS/Vol.29,No.7/April1,2004可調(diào)諧高功率、高能量混合Q開關(guān)雙包層光纖激光器2004年南開大學(xué)脈沖寬度4.2ns調(diào)諧波長(zhǎng)范圍

1080.8－1142.7nm線寬0.05nm峰值功率175kW單脈沖能量1.57mJ

5、全光纖調(diào)Q

非光纖型調(diào)Q裝置插入光纖激光器諧振腔中，增加了插入損耗，同時(shí)這些裝置與光纖之間的光耦合效率很低，使激光器的閾值泵浦功率大大增加，泵浦效率降低。為解決這一問(wèn)題，一些科研人員利用焊接尾纖技術(shù)或使用U型架實(shí)現(xiàn)了這些裝置的光纖化，還有人采用全光纖調(diào)Q方式，如Sagnac環(huán)調(diào)Q、周期可調(diào)的FBG調(diào)Q、光纖型飽和吸收體調(diào)Q等。光纖激光器的調(diào)Q技術(shù)正朝著全光纖化的趨勢(shì)發(fā)展。5、幾種全光纖調(diào)Q激光器Ⅰ.基于聲波調(diào)制的光纖衰減器調(diào)Q的光纖激光器Ⅱ.可飽和吸收體調(diào)Qa.摻雜光纖作為可飽和吸收體調(diào)Qb.晶體作為可飽和吸收體調(diào)QⅢ．帶有光纖Bragg光柵的環(huán)形鏡實(shí)現(xiàn)全光纖調(diào)Q

a.Michelson干涉儀型

b.馬赫—曾特干涉儀型Ⅳ.調(diào)節(jié)FBG周期實(shí)現(xiàn)激光調(diào)QⅠ基于聲波調(diào)制的光纖衰減器調(diào)Q的光纖激光器該激光器在290mW泵浦功率下平均輸出功率為38mW，單脈沖能量7.6μJ，脈寬150ns

，峰值功率50.7W,斜率效率為13.1%。Ⅱ可飽和吸收體調(diào)Q

——a摻雜光纖作為可飽和吸收體調(diào)Q

隨著泵浦功率的增加，脈沖寬度由6.4μs下降至3.0μs，而重復(fù)頻率由38kHz升至84kHz。b晶體作為可飽和吸收體調(diào)Q實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在1560.12nm處激光閾值功率為19.3mW。當(dāng)超過(guò)振蕩閾值，泵浦功率升至20.5mW時(shí)，得到穩(wěn)定的高斯?fàn)蠲}沖，脈沖寬度依賴于泵浦功率，在3μs至15μs之間變化。Ⅲ帶有光纖Bragg光柵的環(huán)形鏡實(shí)現(xiàn)全光纖調(diào)Q

aMichelson干涉儀型

當(dāng)重復(fù)頻率為8kHz的正弦信號(hào)加到PZT上，泵浦功率為80mw時(shí)，有穩(wěn)定的光脈沖輸出，3dB帶寬0.7nm，脈寬1.0μs，峰值功率1.267W。b馬赫—曾特干涉儀型

2003年，Minghai小組在980nm泵浦30mW和1480nm泵浦40mW下，產(chǎn)生脈沖峰值功率3.4W，平均功率1.8mW，重復(fù)頻率800Hz，脈寬500ns，線寬25MHz

Ⅳ調(diào)節(jié)FBG周期實(shí)現(xiàn)激光調(diào)Q在76mW泵浦功率下，該激光器在18.5kHz重復(fù)頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)，脈寬2.5-3μs

，平均輸出功率360mW，斜率效率達(dá)到26%。2002年N.A.Russo等人利用光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)了一種新穎的調(diào)Q方式2005年P(guān).Pérez-Millán小組研制了一種相似的調(diào)Q激光器結(jié)構(gòu)主動(dòng)Q開關(guān)的調(diào)節(jié)范圍1Hz-125kHz。在600mW的泵浦功率下，在1kHz重復(fù)頻率，脈沖峰值功率超過(guò)1W，脈寬小于200ns。MT（磁致收縮傳感器）磁致收縮傳感器

小結(jié)1、實(shí)現(xiàn)窄線寬的調(diào)Q光纖激光器需要有壓窄線寬機(jī)制

DBR光纖激光預(yù)激射或未泵浦光纖做飽和吸收體選取單縱模壓窄線寬2、實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率可調(diào)需要主動(dòng)Q開關(guān)機(jī)制

聲光Q開關(guān)、電光Q開關(guān)、邁克爾遜和M－Z干涉儀、周期性調(diào)制光纖損耗、磁的和電的調(diào)制光纖光柵常數(shù)以及周期性的調(diào)制增益等。3、實(shí)現(xiàn)窄脈寬目前的方法是引入SBS和RS實(shí)用化要求：1、1064nm波段脈寬5－10ns

單脈沖能量～mJ

重復(fù)頻率10kHz－幾十kHz

線寬（軍用）0.01nm2、人眼安全波段脈寬3－5ns

單脈沖能量10μJ～

mJ

重復(fù)頻率10kHz－幾十kHz

線寬（軍用）0.01nm

二、實(shí)用化調(diào)Q光纖激光器的研制方案

1、光纖耦合聲光Q開關(guān)設(shè)計(jì)方案

AOM光纖型聲光Q開關(guān)2、實(shí)用化聲光Q開關(guān)Yb3＋光纖激光器LaseroutputAOM976nmpumpOpticalisolatorWDM3dBcouplercirculatorEr-dopedfiberFibergratingAOM976nmPumpEr:YbdopedfiberFBGWDM3dBcouplerLaseroutputFiberloopmirror3、人眼安全實(shí)用化聲光Q開關(guān)光纖激光器

鎖模光纖激光器鎖模光纖激光器可作為高速通信系統(tǒng)的光源，有著光明的前途。高速光纖通信要求超短脈沖光源的脈寬為ps，重復(fù)頻率1GHz－100GHz，同時(shí)輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧，因此研究工作集中在：高重復(fù)速率諧波鎖模技術(shù)；多波長(zhǎng)和可調(diào)諧鎖模光纖激光器；鎖模光纖激光穩(wěn)頻技術(shù)；輸出脈沖窄化和超連續(xù)譜光纖激光器。

●日本NTT采用有理數(shù)諧波鎖模技術(shù)，重復(fù)頻率達(dá)到200GHz，采用色散漸減Er光纖放大器進(jìn)行絕熱孤子壓縮可使脈寬小于100fs，他們還利用重復(fù)頻率6.3GHz、脈寬3.5ps的主動(dòng)鎖模激光器作泵浦，經(jīng)放大后泵浦3km單模色散位移光纖，獲得了寬200nm，強(qiáng)度平坦的超連續(xù)光譜。

●

S.Li等人報(bào)道色散調(diào)諧波長(zhǎng)技術(shù)使主動(dòng)鎖模激光的調(diào)諧范圍達(dá)12.1nm。●

南開大學(xué)在鎖模光纖激光器方面作了諸多的研究工作：利用光纖產(chǎn)生超短光脈沖的方法基于Bragg光纖光柵調(diào)諧的鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

波長(zhǎng)：1558.4nm,脈寬：50ps

調(diào)諧范圍：1553.92nm～1561.27nm圖3.24

基于有理數(shù)諧波的鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果：波長(zhǎng)：1556.00nm,脈寬：39.23ps圖3.25基于啁啾光柵色散的鎖模光纖激光器

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：波長(zhǎng)：1555.12nm,脈寬：60ps,啁啾度：5.2圖3.26雙波長(zhǎng)主動(dòng)鎖模光纖激光器

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：波長(zhǎng)：1552.24nm，1559.32nm；脈寬：60.0psRFdriver圖3.27一、非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模光纖激光器工作原理：

工作原理圖從偏振相關(guān)隔離器輸出的光波，通過(guò)PC1后變成橢圓偏振光,沿橢圓快慢軸偏振的兩束光經(jīng)過(guò)摻鉺光纖得到增益放大時(shí)，將產(chǎn)生不同的非線性相移，偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。另外,光纖本身的雙折射也使光場(chǎng)的偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)整PC2的狀態(tài),使脈沖峰值部分損耗最低，通過(guò)隔離器繼續(xù)振蕩，脈沖前后沿部分損耗較大,從而使脈沖窄化，實(shí)現(xiàn)鎖模。非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模光纖激光器理論研究初始輸入條件：任意噪聲脈沖；在摻鉺光纖傳輸，滿足耦合非線性薛定諤方程(2.3.1)和(2.3.2)；在單模光纖中傳輸，方程（2.3.1）、（2.3.2）中的增益項(xiàng)為零；通過(guò)數(shù)值模擬方法，得到單孤子脈沖和束縛態(tài)孤子脈沖兩個(gè)穩(wěn)態(tài)解。(2.3.1)(2.3.2)圖2-3-2穩(wěn)定單孤子光脈沖的強(qiáng)度譜

圖2-3-4穩(wěn)定束縛態(tài)孤子光脈沖的強(qiáng)度譜束縛態(tài)孤子也稱為孿生孤子，它同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)消失。兩種靜態(tài)解非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)裝置:摻鉺光纖長(zhǎng)度：8m

摻雜濃度980ppmLD工作波長(zhǎng):1480nm

最大輸出功率:200mW實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.單孤子光脈沖

Time(50ns/div)Intensitymv/div20圖2-4-2單孤子光脈沖激光器工作相當(dāng)穩(wěn)定鎖模閾值35.6mW重復(fù)頻率12.5MHz譜寬7.8nm脈寬352fs時(shí)間帶寬積0.34孤子光脈沖的時(shí)譜積0.315峰值功率1.57kwTime50ns/divIntensitymv/div20當(dāng)泵浦功率較高時(shí)，多孤子光脈沖極易形成，但并不穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)整PCs,當(dāng)一較強(qiáng)的CW與孤子光譜共存時(shí)，準(zhǔn)諧波鎖模形成，并且相當(dāng)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.單孤子準(zhǔn)諧波鎖模光脈沖圖2-4-33階準(zhǔn)諧波鎖模Time50ns/divIntensitymv/div20圖2-4-4穩(wěn)定的8階諧波鎖模進(jìn)一步調(diào)整PCs的狀態(tài)當(dāng)CW變得不穩(wěn)定時(shí)，諧波鎖模形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.穩(wěn)定的單孤子諧波鎖模光脈沖階數(shù)8階穩(wěn)定性很穩(wěn)定圖2-4-5噪聲光脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果