張繼榮, 王 雷, 唐 毅, 徐曉峰, 康智慧, 戴振文

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院, 相干光與原子分子光譜教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130012)

雙波長(zhǎng)及多波長(zhǎng)光纖激光器在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛, 如波分復(fù)用技術(shù)、 光纖傳感系統(tǒng)、 光學(xué)儀器測(cè)試和光信號(hào)處理等[1-4]. 目前已報(bào)道多種運(yùn)行機(jī)制的雙波長(zhǎng)光纖激光器, 如雙腔摻鉺光纖激光器[5]、 四光纖光柵配合雙腔光纖激光器[6]、 雙峰值反射光柵光纖激光器[7]和基于高精細(xì)度光纖濾波器的雙波長(zhǎng)光纖激光器等[8]. 若能在雙波長(zhǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧, 則將大幅度提高激光器的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用性. 但目前對(duì)可調(diào)諧雙波長(zhǎng)光纖激光器的研究報(bào)道較少[9-10]. 此外, 在室溫下實(shí)現(xiàn)光纖激光器多波長(zhǎng)輸出方案較多, 如在腔內(nèi)插入周期性多波長(zhǎng)濾波器[11-12]等.

利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù), 在環(huán)形光纖激光器中可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的可調(diào)諧雙波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)輸出[13-14]. 本文構(gòu)建了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模原理的摻Y(jié)b3+環(huán)形光纖激光器, 研究其雙波長(zhǎng)寬帶的可調(diào)諧性, 并實(shí)現(xiàn)了2～7個(gè)波長(zhǎng)的輸出. 利用該原理的多波長(zhǎng)光纖激光器可實(shí)現(xiàn)28個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)輸出[15], 但本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 無需增加腔長(zhǎng)或使用雙折射光纖即可實(shí)現(xiàn)7個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)輸出.

1 雙波長(zhǎng)可調(diào)諧特性

圖1 摻Y(jié)b3+環(huán)形光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Yb3+-doped ring fiber laser

摻Y(jié)b3+光纖環(huán)形激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 由圖1可見, 環(huán)形腔由中心輸出波長(zhǎng)為973 nm的激光二極管、 長(zhǎng)度為74 cm的高摻雜濃度的摻Y(jié)b3+光纖(對(duì)975 nm的吸收為250 dB/m, 數(shù)值孔徑為0.11)、 1個(gè)偏振無關(guān)光隔離器、 2個(gè)光纖準(zhǔn)直器、 一個(gè)980 nm/1 060 nm波分復(fù)用器(WDM)、 2個(gè)1/4波片(QWP)、 1個(gè)1/2波片(HWP)和1個(gè)偏振分光棱鏡(PBS)組成. 實(shí)驗(yàn)中保持980 nm抽運(yùn)激光功率200 mW, 通過調(diào)整1/4和1/2波片的方位角, 實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)可調(diào)諧輸出. 利用光譜分析儀測(cè)量激光的輸出波長(zhǎng), 所得等幅雙波長(zhǎng)輸出和非等幅雙波長(zhǎng)輸出分別如圖2和圖3所示. 由圖2和圖3可見, 等幅輸出的調(diào)諧寬度為13 nm, 不等幅輸出的調(diào)諧寬度為5 nm. 雙波長(zhǎng)的波長(zhǎng)間隔約為19 nm, 間隔變化小于2 nm, 間隔約為19 nm的重復(fù)性最好, 可調(diào)諧性最佳.

圖2 等幅雙波長(zhǎng)輸出時(shí)的可調(diào)諧性Fig.2 Tunability of equal-amplitude dual-wavelength output

圖3 不等幅雙波長(zhǎng)輸出時(shí)的可調(diào)諧性Fig.3 Tunability of unequal-amplitude dual-wavelength output

圖4 雙波長(zhǎng)輸出時(shí)總輸出功率隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系Fig.4 Power of a dual-wavelength output as a function of wavelength

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 圖1中PBS左側(cè)1/4波片主要起波長(zhǎng)調(diào)諧作用, 右側(cè)1/2和1/4波片主要起雙波長(zhǎng)相對(duì)幅度調(diào)節(jié)作用. 雙波長(zhǎng)激光的波長(zhǎng)為1 026～1 065 nm, 寬度為39 nm. 在調(diào)諧過程中, 向長(zhǎng)波方向調(diào)諧時(shí)輸出功率減小, 這是由于摻Y(jié)b3+光纖的增益曲線不平坦, 最大增益在1 030 nm附近, 其兩側(cè)增益逐漸減小所致. 圖3中的長(zhǎng)波強(qiáng)度無法調(diào)節(jié)到與短波相當(dāng), 這是由于長(zhǎng)波波長(zhǎng)距最大增益位置較遠(yuǎn), 諧振腔的濾波作用無法彌補(bǔ)2個(gè)信號(hào)光的增益偏差所致.

當(dāng)泵浦功率為300 mW時(shí), 激光器輸出功率隨波長(zhǎng)的變化曲線如圖4所示, 其中波長(zhǎng)為激光強(qiáng)度大的波長(zhǎng). 由圖4可見, 當(dāng)最大輸出功率為87.8 mW時(shí), 其轉(zhuǎn)換效率為29%, 當(dāng)最小輸出功率為10.6 mW時(shí), 其轉(zhuǎn)換效率為3.5%. 不同波長(zhǎng)下的轉(zhuǎn)換效率相差較大, 這是由于不同波段激光增益存在差別所致.

2 泵浦功率對(duì)雙波長(zhǎng)輸出的影響

下面考察泵浦功率對(duì)1 029 nm和1 048 nm雙波長(zhǎng)輸出的影響. 當(dāng)泵浦功率為200 mW時(shí), 調(diào)節(jié)PBS前面的波片使2個(gè)波長(zhǎng)等幅輸出后, 分別降低和增加泵浦功率觀察波長(zhǎng)的變化規(guī)律, 結(jié)果如圖5所示. 由圖5可見: 當(dāng)泵浦功率增加時(shí), 短波長(zhǎng)功率相對(duì)減小, 長(zhǎng)波長(zhǎng)功率相對(duì)增強(qiáng), 同時(shí)2個(gè)波長(zhǎng)均向短波方向移動(dòng); 當(dāng)泵浦功率降低時(shí), 其結(jié)果完全相反; 兩種情況下的雙波長(zhǎng)間隔基本不變.

圖5 不同泵浦功率下雙波長(zhǎng)的輸出譜Fig.5 Spectra of dual-wavelength output at different pump powers

激光器的濾波特性受泵浦功率影響較大, 這是由于泵浦功率改變, 腔內(nèi)的2個(gè)信號(hào)光和殘余泵浦光的光強(qiáng)均隨之改變, 導(dǎo)致光纖中的自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制也隨之改變[16], 從而2個(gè)信號(hào)光在PBS輸出前的偏振態(tài)發(fā)生改變, 最終導(dǎo)致雙波長(zhǎng)的位置和強(qiáng)度隨泵浦功率的改變而有規(guī)律地變化. 本文由泵浦功率變化引起的波長(zhǎng)漂移以及相對(duì)強(qiáng)度的變化可通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)波片恢復(fù)到之前的狀態(tài).

3 連續(xù)多波長(zhǎng)的輸出特性

在非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)輸出[17]. 本文利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置, 在適當(dāng)泵浦功率下調(diào)節(jié)波片, 實(shí)現(xiàn)了2～7個(gè)波長(zhǎng)的輸出, 如圖6所示.

圖6 不同泵浦功率下多波長(zhǎng)的輸出譜Fig.6 Spectra of multi-wavelength output at different pump powers

其中: 圖6(A)為雙波長(zhǎng)輸出, 泵浦功率為35～340 mW, 最大輸出功率為5 mW; 圖6(B)為三波長(zhǎng)輸出, 泵浦功率為43～106 mW, 最大輸出功率為3 mW; 圖6(C)為四波長(zhǎng)輸出, 泵浦功率為53～130 mW, 最大輸出功率為4 mW; 圖6(D)為五波長(zhǎng)輸出, 泵浦功率為71～161 mW, 最大輸出功率為6 mW; 圖6(E)為六波長(zhǎng)輸出, 泵浦功率為86～220 mW, 最大輸出功率為9 mW; 圖6(F)為七波長(zhǎng)輸出, 泵浦功率為106～256 mW, 最大輸出功率為25 mW. 由圖6可得如下規(guī)律: 激光器可輸出波長(zhǎng)的數(shù)目與泵浦功率有關(guān), 更多的波長(zhǎng)輸出需要更高的泵浦功率; 總輸出功率與輸出波長(zhǎng)數(shù)目成正比. 由圖6可見, 激光器的轉(zhuǎn)換效率較低, 這是因?yàn)槠駷V波系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度光的損耗較大所致; 當(dāng)泵浦功率高于或低于上述泵浦區(qū)間時(shí), 個(gè)別譜線會(huì)消失; 調(diào)節(jié)PBS右側(cè)1/2波片可控制各激光譜線的相對(duì)強(qiáng)度.

綜上, 本文構(gòu)建了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)理的摻Y(jié)b3+環(huán)形光纖激光器系統(tǒng), 獲得了調(diào)諧寬度為13 nm的等幅雙波長(zhǎng)激光輸出和調(diào)諧寬度為5 nm的不等幅雙波長(zhǎng)輸出, 并考察了泵浦功率對(duì)1 029 nm和1 048 nm雙波長(zhǎng)輸出特性的影響. 利用該激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2～7個(gè)波長(zhǎng)的輸出, 測(cè)量了其泵浦功率區(qū)間及最大輸出功率, 并分析了多波長(zhǎng)的輸出規(guī)律.

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