曾晶，任海蘭

（武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074）

基于自鎖模的全光纖調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì)

曾晶，任海蘭

（武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢430074）

基于鎖模光纖激光器研究現(xiàn)狀，及最新的全光纖化調(diào)Q方法，本文采用光纖的非線性偏轉(zhuǎn)（NPR）效應(yīng)進(jìn)行自鎖模，以及窄帶濾波器與光纖布拉格光柵FBG進(jìn)行調(diào)Q的技術(shù)。創(chuàng)新性的將這兩種技術(shù)相連接以構(gòu)建低重頻、窄脈寬的全光纖激光器系統(tǒng)。通過(guò)所搭建的系統(tǒng)試驗(yàn)，最終得到脈寬在納秒量級(jí)，脈沖間隔為80n（重頻12.5MHz）左右的鎖模脈沖。

自鎖模；調(diào)Q；FBG調(diào)諧；NPR效應(yīng)；全光纖激光器

光纖激光器以效率高、功率大、靈活、體積小等特性得到了人們的青睞［1］。目前，單脈沖能量在微焦量級(jí)、重復(fù)頻率在千赫茲量級(jí)的激光在微機(jī)械加工以及眼科、牙科等醫(yī)療方面有很好的應(yīng)用前景，而現(xiàn)今主要集中在調(diào)Q、鎖摸來(lái)實(shí)現(xiàn)低重頻、窄脈沖的性能。

1 光纖激光器的鎖模技術(shù)研究進(jìn)展

目前利用鎖模技術(shù)，可以得到單脈沖能量1 uJ～1m J的激光脈沖，但其重復(fù)頻率一般高達(dá)10～100 MHz［2］。國(guó)內(nèi)外研究者為了保證獲得足夠的相移，一般采用的較長(zhǎng)光纖。

俄國(guó)激光系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室Sergey Kobtsev等人通過(guò)加長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度的方式，其裝置圖如圖1所示，利用該裝置得到了Repeat frequency 77 kHz，Impulse peak power 3.9 uJ的脈沖激光。但這種方法所需光纖長(zhǎng)達(dá)3.8 km［3］。

圖1 利用長(zhǎng)纖長(zhǎng)度減少重頻的自鎖模激光器

光纖較長(zhǎng)使得其受溫度和壓力的影響變得很明顯，在某些應(yīng)用場(chǎng)合中，對(duì)激光器保持穩(wěn)定性很不利。因此，一方面是要盡量縮短光纖的長(zhǎng)度，另一方面要降低其重頻，這就要依靠調(diào)Q技術(shù)來(lái)加以控制。

為了得到低重復(fù)頻率的鎖摸激光的輸出，C.Cuadrado-Laborde等人將主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)與自鎖摸技術(shù)結(jié)合起來(lái)。其結(jié)構(gòu)如圖2［4］。

圖2 通過(guò)加長(zhǎng)光纖長(zhǎng)度降低重頻的自鎖模激光器

利用FBG調(diào)Q輸出鎖摸脈沖。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中只有鎖摸輸出時(shí)，得到了Pulse width700 ps，Impulse peak power530 mW，Repeat frequency4.1MHz的激光輸出。而當(dāng)調(diào)Q鎖摸輸出時(shí)，得到Repeat frequency在千赫茲量級(jí)，Pulse width0.68uJ的激光輸出。

2 All-fiber Q-sw itch laser的常用調(diào)Q方法

實(shí)現(xiàn)全光纖化調(diào)Q最簡(jiǎn)單的方法是FBG調(diào)諧［5］。其結(jié)構(gòu)如圖 3，主要依靠對(duì)光纖布拉格光柵的調(diào)諧實(shí)現(xiàn)對(duì) Laser resonator損耗（Q值）的調(diào)節(jié)。

圖3 FBG構(gòu)成的Q開(kāi)關(guān)

根據(jù)FBG反射中心波長(zhǎng)公式：

改變光柵柵格間距（比如伸縮，側(cè)壓）或者改變有效折射率，都會(huì)使得中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)構(gòu)成Laser resonator的兩個(gè)FBG反射峰重合時(shí)，Laser resonator處于低損耗高Q值的狀態(tài)［6］；當(dāng)其中一個(gè)FBG因拉伸或其他原因中心Prague wave length發(fā)生移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)FBG就不再構(gòu)成Laser resonator，則激光器處于高損耗低Q值狀態(tài)。如果對(duì)FBG進(jìn)行高頻調(diào)諧，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)Q。 利用該裝置，選用長(zhǎng)度大于2m的光纖，Pump Power大于180mV，M.V.Andres等人得到的輸出Impulse peak power達(dá)到幾瓦水平，同時(shí)Repeatfrequency達(dá)到200 kHz［7］。

另外一種調(diào)Q是利用磁制伸縮材料構(gòu)成的調(diào)制器進(jìn)行FBG調(diào)諧，其中磁制伸縮材料構(gòu)成的調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖4。M.V. Andres等人將該調(diào)制器放在裝置圖4中，進(jìn)行調(diào)Q［8］。裝置圖如5［9］所示。

圖4 磁致伸縮材料構(gòu)成的FBG調(diào)制器及其控制電路

圖5 利用磁致伸縮調(diào)制器設(shè)計(jì)的全光纖調(diào)Q激光器

此系統(tǒng)可得到輸出Single pulse大于10 uJ，Pulsewidth約200 ns，Impulse peak power可大于50W［10］。

3 基于自鎖模的All-fiber Q-sw itched laser的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目的及方法概述

利用光纖的非線性偏轉(zhuǎn)（NPR）效應(yīng)進(jìn)行自鎖模以及通過(guò)窄帶濾波器與FBG結(jié)合進(jìn)行調(diào)Q的相關(guān)技術(shù)，并將二者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低重頻、窄脈寬的All-fiber Q-switched laser。

在self-mode-locking的實(shí)現(xiàn)上，通過(guò)Polarized isolator與Polarization controller的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)激光器的窄脈沖輸出［11］。調(diào)Q方面，主要利用FBG與磁致伸縮材料結(jié)合后，光纖光柵FBG的反射波長(zhǎng)可調(diào)諧來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)Q，因此實(shí)現(xiàn)輸出的低重頻。

3.2 鎖模方案

根據(jù)光纖的非線性雙折射效應(yīng)，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)self-mode-locking［12］。

將一個(gè) Polarized isolator（PI） 放在兩個(gè) Polarization controller（PC1）和（PC2）之間作為自鎖模元件，再插入全光纖構(gòu)成的環(huán)形腔中，起到隔離和偏振的效果［13］。調(diào)節(jié)PC1可使得經(jīng)過(guò)PI輸出后的激光脈沖光為線偏振光，再經(jīng)過(guò)PC2后又轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光［4］。在環(huán)形光路中，隨著激光脈沖的傳播，其偏振態(tài)會(huì)發(fā)生非線性地變化。這是由自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制產(chǎn)生的相移強(qiáng)加于正交偏振器件所引起［14］。

兩個(gè)Polarization controller（PC1、PC2）和Polarized isolator（PI）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)脈沖中心高強(qiáng)度的部分通過(guò)，兩側(cè)低強(qiáng)度的部分被減弱。這樣，經(jīng)過(guò)全光纖環(huán)形腔的循環(huán)后，脈沖寬度將變窄一些，多次循環(huán)后就可以輸出一個(gè)脈寬極窄的脈沖。

3.3 調(diào)Q方案

根據(jù)Bragg conditionλ=2nΛ可知，光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)由光纖有效折射率n，柵格間距Λ決定［15］。窄帶濾波器可用來(lái)限定特定波長(zhǎng)的光波在極窄線寬內(nèi)通過(guò)。利用二者對(duì)于光波波長(zhǎng)的這種敏感特性，就可以構(gòu)成一個(gè)Q開(kāi)關(guān)。這部分還需要用到的一個(gè)器件就是光纖環(huán)形器，其1端、3端分別作為該單元的輸入端、輸出端與光纖環(huán)形腔相接，2端后接窄帶濾波器，其后接一半反半透的光纖光柵，該光纖光柵之后是整個(gè)激光器的輸出端。

以輸出光波長(zhǎng)為1 530 nm為例說(shuō)明Q開(kāi)關(guān)的過(guò)程，此時(shí)Narrow band filter的通光中心波長(zhǎng)為1 530 nm。當(dāng)有光波經(jīng)環(huán)形器1端進(jìn)入該單元后，首先通過(guò)Narrow band filter，大部分波長(zhǎng)偏離1 530 nm較大的光波被其吸收，只有波長(zhǎng)在1 530 nm附近極窄線寬范圍內(nèi)的光波能夠通過(guò)。通過(guò)的光波將到達(dá)光纖光柵，由于光纖光柵受Giantmagnetostrictivemateria（GMM）的伸縮控制，而GMM的伸縮受加在其上的調(diào)制信號(hào)控制，故其反射中心波長(zhǎng)會(huì)隨著調(diào)制信號(hào)不斷變化。當(dāng)光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)為1 530 nm時(shí)，對(duì)應(yīng)于Q“打開(kāi)”狀態(tài)，反射后的光波再經(jīng)過(guò)窄帶濾波器時(shí)仍可正常通過(guò)，進(jìn)而由環(huán)形器的3端回到Optical loopmirror中繼續(xù)被放大、壓縮脈寬，而那些不在光纖光柵反射中心波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光波就會(huì)透過(guò)光纖光柵損耗掉了，不會(huì)回到Optical loopmirror中被繼續(xù)放大；當(dāng)1 530 nm的光波經(jīng)過(guò)放大、壓縮脈寬到一定程度的時(shí)候，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)加在GMM的調(diào)制信號(hào)，使光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)在一瞬間不在是1 530 nm，對(duì)應(yīng)于Q“關(guān)閉”狀態(tài)，此時(shí)經(jīng)過(guò)放大、壓縮脈寬后的1 530 nm光波就會(huì)透過(guò)光纖光柵形成激光輸出，然后調(diào)制信號(hào)又馬上回到原來(lái)的大小，重復(fù)Q“打開(kāi)”與“關(guān)閉”的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)Q。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的條件，磁致伸縮材料對(duì)于光纖光柵能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、精確地控制，保證Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”與“關(guān)閉”的時(shí)間時(shí)機(jī)準(zhǔn)確。

3.4 系統(tǒng)整體

調(diào)Q技術(shù)實(shí)現(xiàn)的激光器重頻可控，但脈寬較寬在幾百納秒量級(jí)，自鎖模技術(shù)可實(shí)現(xiàn)皮秒至納秒量級(jí)的窄脈寬輸出，但重頻較高，且不可控。

將兩種技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)窄脈寬、低重頻的All-fiber Q-switched laser，裝置圖如圖6所示。環(huán)形器、窄帶濾波器、FBG（附有磁致伸縮傳感器）構(gòu)成了調(diào)Q部分。通過(guò)調(diào)節(jié)加在磁致伸縮傳感器上的磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG反射中心波長(zhǎng)的調(diào)諧，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Q開(kāi)關(guān)的“打開(kāi)”與“關(guān)閉”。自鎖模部分則是通過(guò)將一個(gè)Polarized isolator（PI）放在兩個(gè)Polarization controller（PC）間來(lái)構(gòu)成。再經(jīng)過(guò)EDF進(jìn)行增益放大，后輸出激光。

圖6 基于自鎖模的全光纖調(diào)Q激光器

4 結(jié)束語(yǔ)

利用所搭建的基于自鎖模的全光纖調(diào)Q激光器，已獲得脈寬在納秒量級(jí)，脈沖間隔為80 n（即重頻為12.5 MHz）左右的鎖模脈沖。整個(gè)腔長(zhǎng)L=15.5 m，平均折射率n=1.5，根據(jù)脈沖間隔t=nL/c，可得重頻t=77.5 ns。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于既通過(guò)QML L（Q-switched mode-locked laser）技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄脈寬、低重頻光纖激光器的全光纖化，又通過(guò)將光纖光柵與窄帶濾波器的結(jié)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化的Q開(kāi)關(guān)。

該系統(tǒng)在搭建和實(shí)現(xiàn)存在一些不足。例如DCF本身的損耗要比SMF大，插入DCF的長(zhǎng)度與其色散效果需取折中。由于NPR效應(yīng)對(duì)光纖內(nèi)運(yùn)行的光強(qiáng)有著強(qiáng)烈地依賴，以致于每次變化泵浦功率時(shí)均需要對(duì)PC進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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Design of all-fiber Q-sw itch laser based on self-mode-locked

ZENG Jing，REN Hai-lan
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

Based on the latest research progressofmode-locked fiber laser，aswellasmethodsofQ-switch，a new laser system is proposed，NPR effect is for selfmode locking，narrow band filter and FBG is for Q-switch.Combining the twomethods，we build a system，then，through experimentswe getmode-locked laserwith pulsewidth in nanosecond，pulse interval in 80N.

self-mode-locked；Q-switch；fiber bragg grating；nonlinear deflection；fiber laser

TN242

A

1674－6236（2016）20-0075-03

2015-11-01 稿件編號(hào)：201511001

曾 晶（1990—），女，湖北漢川人，碩士研究生。研究方向：通信與信息系統(tǒng)、激光技術(shù)。