單縱模光纖光柵激光器的設(shè)計(jì)

1、單縱模光纖光柵激光器的設(shè)計(jì)    北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院高雪松摘要：窄線寬光纖激光器在光纖通信、光纖傳感和光譜測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)窄線寬光纖激光器的線寬壓縮方法，并采用雙包層鉺-鐿共摻光纖作為增益介質(zhì)，976nmLD激光器作為泵浦源，短直腔結(jié)構(gòu)，光纖光柵作為腔鏡，實(shí)現(xiàn)中心頻率在1550nm附近的單頻激光輸出，討論了其關(guān)鍵技術(shù)和影響因素。關(guān)健詞：光纖激光器壓窄線寬光纖光柵腔形分析1引言窄線寬光纖激光器是光纖激光器發(fā)展的北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院   高雪松摘要：窄線寬光纖激光器在光纖通信、光纖傳感和光譜測(cè)量

2、等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)窄線寬光纖激光器的線寬壓縮方法，并采用雙包層鉺-鐿共摻光纖作為增益介質(zhì)，976nmLD激光器作為泵浦源，短直腔結(jié)構(gòu)，光纖光柵作為腔鏡，實(shí)現(xiàn)中心頻率在1550nm附近的單頻激光輸出，討論了其關(guān)鍵技術(shù)和影響因素。關(guān)健詞：光纖激光器 壓窄線寬 光纖光柵 腔形分析1 引  言窄線寬光纖激光器是光纖激光器發(fā)展的一個(gè)主要方向，以其窄線寬、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光纖遙感及材料技術(shù)等領(lǐng)域。如果只讓一個(gè)縱模振蕩，則構(gòu)成單頻激光器，單縱模光纖激光器一般可以采用短直腔、環(huán)形腔或復(fù)合腔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)在腔內(nèi)加入飽和吸收體、采用非相干技術(shù)、加入F

3、-P標(biāo)準(zhǔn)具或使用光纖光柵等方法來(lái)抑制其它縱模起振與跳?，F(xiàn)象。利用單頻輸出的激光器作為水聽(tīng)器、激光陀螺和自由空間光通信系統(tǒng)的理想光源，不僅光束質(zhì)量高，而且相干性能好，穩(wěn)定性強(qiáng)，一直被眾多科研單位所關(guān)注。2 單縱模光纖激光器的設(shè)計(jì)采用雙包層鉺-鐿共摻光纖作為增益介質(zhì)，976nmLD激光器作為泵浦源，短直腔結(jié)構(gòu)，光纖光柵作為腔鏡，實(shí)現(xiàn)中心頻率在1550nm附近的單頻激光輸出。采用雙包層Er3+-Yb3+雙摻雜光纖，短直腔結(jié)構(gòu)，高反射率光纖光柵做腔鏡實(shí)現(xiàn)單頻輸出。在Er3+-Yb3+光纖中Yb3+離子吸收1μm附近泵浦光，將能量轉(zhuǎn)移給Er3+離子實(shí)現(xiàn)1.5m光放大。Yb3+離子吸收截面大

4、，可實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜，Er3+-Yb3+光纖對(duì)泵浦光吸收能力比普通摻鉺光纖高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。Yb3+離子在1m附近吸收帶較寬（0.94m1.06m）3，故短光纖就能吸收泵浦光能量，而短腔長(zhǎng)利于實(shí)現(xiàn)單頻。如圖1所示，泵浦源為光纖耦合輸出中心波長(zhǎng)976nmLD，百mW輸出功率，增益介質(zhì)為短摻雜光纖，兩端分別焊接全反射和部分反射（反射率分別在98%以上和89%）光纖光柵作為端鏡形成諧振腔。（1）光纖諧振腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全光纖型摻Er-Yb光纖激光器諧振腔由一對(duì)平行設(shè)置的光纖光柵反射鏡組成。若輸入、輸出光場(chǎng)分別為E0、Ei，令兩個(gè)反射鏡的透射率和反射率分別為t1、r1和t2、r2，摻Er-Yb光纖長(zhǎng)度及損耗系數(shù)

5、分別為L(zhǎng)和α，則出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為4 可知，當(dāng)腔長(zhǎng)為激光半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，各級(jí)反射波與入射波會(huì)相干相長(zhǎng)出現(xiàn)諧振。該條件與（2）式中 的條件一致。 若激光諧振腔腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，若L足夠小使得縱模間隔大于閾值以上增益譜線的半寬度，可確保只有一個(gè)縱模的增益高于閾值，激光振蕩即可產(chǎn)生單頻。如圖2所示，激光產(chǎn)生單頻振蕩滿足公式：  （2）LD泵浦源與溫控技術(shù)光纖激光器的特性對(duì)泵浦源性能的依賴性很強(qiáng)。例如泵浦效率，壽命，尺寸和價(jià)格等都直接影響最終器件的性能。而相比較而言，光纖激光器摻雜光纖的制備成本較低，穩(wěn)定和壽命較長(zhǎng)。所以泵浦源的選擇對(duì)光纖激光

6、器和放大器的研制具有決定性的影響。光纖激光器最佳抽運(yùn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)是：（1）抽運(yùn)效率高；（2）激發(fā)態(tài)吸收（ESA）效應(yīng)要小。通常以/0的比值大小來(lái)衡量ESA的影響程度，其中，0分別代表?yè)诫s光纖的激發(fā)態(tài)吸收截面和基態(tài)吸收截面。顯然比值/0越小越好。最佳抽運(yùn)波長(zhǎng)是980和532。波長(zhǎng)為532的抽運(yùn)光源可以選用YAG倍頻固體激光器。但由于該光源體積龐大，故只能在實(shí)驗(yàn)室使用。波長(zhǎng)為980附近的抽運(yùn)光源可以選用大功率LD，由于器件體積小、效率高，因此是理想的抽運(yùn)光源。采用高功率LD作為泵浦源具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）可實(shí)現(xiàn)高功率輸出；（2）光纖耦合輸出便于與增益光纖進(jìn)行耦合；（3）可靠性高；（4）其幾何寬面使得激

7、光器斷面上的光功率密度很低且通過(guò)活性面的電流密度亦很低；（5）泵浦二極管可靠運(yùn)轉(zhuǎn)一般超過(guò)100萬(wàn)小時(shí)的壽命。由于LD的工作波長(zhǎng)隨器件溫度的變化漂移很大，而Yb3+在976處的吸收峰帶寬僅8nm，為使泵浦光工作波長(zhǎng)與光纖吸收譜相匹配，需要精心設(shè)計(jì)LD溫控系統(tǒng)，使其工作波長(zhǎng)的漂移量控制在吸收峰半寬度范圍之內(nèi)（±2nm）。本方案采用高精度數(shù)控電路進(jìn)行控溫與調(diào)節(jié)，目前控溫精度可達(dá)到0.050C左右。（3）光纖光柵技術(shù)Bragg光柵產(chǎn)生的原理是利用光纖具有光敏特性，在周期性光強(qiáng)作用下沿著光纖軸向方向感生周期性折射率變化。光折變效應(yīng)由已知的Kramers-Kronig關(guān)系式得出。另外，光纖纖芯材

8、料結(jié)構(gòu)釋放誘導(dǎo)應(yīng)力及構(gòu)型畸變對(duì)光折變效應(yīng)的產(chǎn)生也有重要影響。如果用特定波長(zhǎng)的激光干涉條紋從側(cè)面輻照光纖，光纖內(nèi)的折射率就會(huì)隨著光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的周期性變化并保存下來(lái)，成為光纖光柵。光纖的光敏性是在光纖中形成Bragg光柵的關(guān)鍵。將光纖需制作光柵的部分去掉保護(hù)層，然后置于（20150）×105Pa的氫氣高壓容器中，氫氣濃度2300085000PPM（1 PPM定義為每個(gè)SIO2分子有10-6mol2），在常溫（2175）下滲氫數(shù)百小時(shí)或數(shù)天。氫載處理后的光纖光敏性可提高幾十倍到幾百倍，折射率改變可達(dá)10-2數(shù)量級(jí)5。光纖Bragg光柵具有諧振波長(zhǎng) （也稱中心波長(zhǎng)或Bragg波長(zhǎng)）

9、，它的反射譜是 函數(shù)。Bragg光柵相當(dāng)于一個(gè)以 為中心的窄帶濾波器，并具有兩個(gè)重要參數(shù)：帶寬 和峰值反射率max。通過(guò)改變光纖Bragg光柵的周期和折射率可獲得不同的 、 和，也即光柵的周期、長(zhǎng)度及折射率調(diào)制深度決定了光柵帶寬及窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率的高低，從而使Bragg光柵適用于不同的領(lǐng)域。光纖芯中的折射率調(diào)制周期由下式給出： 理論分析表明，在透射情況下，光功率在兩個(gè)波之間“振蕩”。適當(dāng)?shù)剡x擇光纖光柵的長(zhǎng)度，就可使能量完全轉(zhuǎn)換。在反射情況下，兩個(gè)波之間無(wú)光功率振蕩，入射波振幅和反射波振幅兩條曲線幾乎是重合的。如果光柵長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，能量就能由入射波完全轉(zhuǎn)換到反射波。進(jìn)一步增加光柵長(zhǎng)度也

10、不會(huì)有更大的影響。在這種情況下，光柵長(zhǎng)度的調(diào)整完全不是臨界的，只要光柵長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，總會(huì)達(dá)到光功率完全轉(zhuǎn)換的結(jié)果。因而，通過(guò)控制光柵強(qiáng)度和光柵長(zhǎng)度，目前光纖光柵的反射率可從0.1%-99.7%。在短腔光纖光柵激光器中，由兩個(gè)布拉格光柵組成的激光振蕩腔制作工藝相對(duì)于采用一個(gè)布拉格光柵與一個(gè)介質(zhì)反射鏡的方式簡(jiǎn)單得多。本實(shí)驗(yàn)采用同一模板寫(xiě)入一對(duì)光柵。為了提供足夠的激光輸出，選擇其中一個(gè)低反射率的布拉格光柵作為激光輸出端，另一高反射率布拉格光柵為反射鏡。布拉格光柵的峰值反射率Rmax可表示為： 因此，利用（8）（11）式可以確定光柵反射率和布拉格波長(zhǎng)，光柵長(zhǎng)度等參數(shù)。（4）光纖端面處理與精密調(diào)

11、整技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)的激光系統(tǒng)采用端泵方式，為提高泵浦光的入纖效率，要求泵浦光入射端的光纖端面有盡可能好的光學(xué)質(zhì)量，同時(shí)作為輸出腔鏡的光纖端面更要求有高平整度、高光潔度，且與光纖的軸線垂直。因此，實(shí)驗(yàn)中對(duì)光纖端面的處理是非常關(guān)鍵的技術(shù)。由于雙包層光纖的結(jié)構(gòu)與常規(guī)光纖差別很大，所以常規(guī)光纖切割刀很難加工出質(zhì)量完好的光纖端面。這里采用光學(xué)研磨的辦法對(duì)光纖端面進(jìn)行精細(xì)加工，用高倍體視顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，以保證光纖端面的質(zhì)量。系統(tǒng)中使用精密調(diào)整架夾持光纖和其它光學(xué)元件，必要時(shí)粘合或焊接。為防止震動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的干擾，整個(gè)系統(tǒng)置于防震光學(xué)平臺(tái)上，并調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各部件精確對(duì)準(zhǔn)。3 影響因素的討論基質(zhì)材料的影響。基質(zhì)對(duì)稀

12、土元素光譜的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是引起Stark分裂。對(duì)于給定的電子躍遷，光譜上將出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)。二是使能級(jí)加寬。一般存在兩種主要的加寬機(jī)制：一是聲子加寬；二是基質(zhì)電場(chǎng)對(duì)能級(jí)的微擾所引起的加寬。給定泵浦功率下增益與線寬成反比。加寬機(jī)制對(duì)增益飽和的程度和輸出譜線結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響。盡管目前尚不清楚對(duì)光纖激光器影響的程度究竟如何，但可以肯定的認(rèn)為加寬機(jī)制與基質(zhì)組分有關(guān)。重?fù)诫s的影響。工作介質(zhì)摻雜濃度極低時(shí)，如果入射光子數(shù)超過(guò)摻雜離子數(shù)，處于基態(tài)離子可能被耗盡，信號(hào)放大受到離子數(shù)抑制。單純提高摻雜離子的濃度會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題。一是濃度猝滅；二是稀土元素離子在玻璃矩陣之內(nèi)晶體化。因此存在一個(gè)最佳摻雜比，目前

13、這部分工作的研究正在進(jìn)行之中。所采用的Er3+-Yb3+光纖摻雜濃度為700ppm左右。各部分器件焊接的影響。各部分器件須焊接在一起才能穩(wěn)定工作，焊接過(guò)程是很重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。由于該過(guò)程具有不可逆性，因此在該過(guò)程中控制損耗，保證焊接質(zhì)量非常重要。該過(guò)程的細(xì)節(jié)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，以及測(cè)量方法，目前了解的不是很清楚，且該過(guò)程的隨機(jī)性很大，很多細(xì)節(jié)不可預(yù)知。具體操作時(shí)需要對(duì)指標(biāo)、工藝以及加工條件、潔凈度指標(biāo)等環(huán)節(jié)進(jìn)行量化標(biāo)定。4 總結(jié)本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)窄線寬光纖激光器的腔形結(jié)構(gòu)及制作方法，采用雙包層Er3+-Yb3+共摻光纖作為增益介質(zhì)，976nmLD激光器作為泵浦源，短直腔結(jié)構(gòu)，腔長(zhǎng)3cm，光纖光柵作為腔鏡，實(shí)現(xiàn)中心頻率在1550nm附近的單頻激光輸出的方案，討論了端面泵浦、光纖光柵、光纖端面處理和精密調(diào)整等影響激光器性能的關(guān)鍵技術(shù)和制作方法，并對(duì)各種影響因素進(jìn)行了分析和比較。參考文獻(xiàn)1劉東峰，杜戈果，陳果夫，王賢華。摻Er3+光纖環(huán)腔激光器的初步研究，光子學(xué)報(bào)，第27卷第9期，1998年9月2楊青，俞本立，甄勝來(lái)等，可調(diào)諧摻鉺光纖環(huán)形腔單縱模激光器，安徽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003