朱德才，胡耀宗，周樂(lè)文，黃昌清，董新永

（1 廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣州 510006）（2 廣東省信息光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）（3 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

光纖隨機(jī)激光器是一種基于光纖中光信號(hào)增益和隨機(jī)分布反饋效應(yīng)的新型光纖激光器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需諧振腔、輸出激光空間相干性弱等優(yōu)點(diǎn)，有望在光傳感與通信、無(wú)散斑成像、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、激光加工、非線性光學(xué)研究等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用［1-2］。自2007年第一臺(tái)光纖隨機(jī)激光器被報(bào)道以來(lái)［3］，研究人員對(duì)其基礎(chǔ)理論和工作機(jī)理展開(kāi)了深入研究［4-8］，通過(guò)改變激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增益機(jī)制和光信號(hào)反饋方式等，研制出多種不同結(jié)構(gòu)和類型的光纖隨機(jī)激光器。按照反饋材料和機(jī)制的不同，光纖隨機(jī)激光器大致可以分為空芯填充型［9-10］、瑞利散射型［11-12］和光柵反饋型［13-15］。其中，液芯填充型光纖隨機(jī)激光器通過(guò)在空芯光纖的空氣芯中填充包含高散射性顆粒和增益材料的液體，利用光纖的二維限制特性實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激光的一維輸出，是最原始的光纖隨機(jī)激光器設(shè)計(jì)，制備和使用不方便；瑞利散射型光纖隨機(jī)激光器利用光纖本身對(duì)光信號(hào)的后向瑞利散射提供分布式隨機(jī)反饋，反饋效率比較低；光柵反饋型光纖隨機(jī)激光器則利用反饋效率遠(yuǎn)高于瑞利散射效應(yīng)的光纖光柵提供反饋，具有泵浦閾值低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，光纖隨機(jī)激光器的研究和應(yīng)用主要集中在1.0～1.6 μm波段，增益介質(zhì)或機(jī)理主要為光纖受激拉曼散射、光纖受激布里淵散射、摻鉺光纖、摻鐿光纖等。光纖隨機(jī)激光器的最高輸出功率已達(dá)百瓦量級(jí)［16-18］，并在全光場(chǎng)實(shí)時(shí)成像、遠(yuǎn)距離傳感、隨機(jī)比特碼生成等領(lǐng)域獲得應(yīng)用［19-22］。

近年來(lái)，工作在人眼安全的2 μm波段的光纖激光器受到了廣泛關(guān)注。該波段包含了1940 nm附近的水吸收峰，對(duì)組織的穿透深度淺，從而使得2 μm波段光纖激光成為包括非侵入手術(shù)等醫(yī)療過(guò)程的有力工具［23-25］。該波段還包含幾個(gè)大氣透明窗口，在自由空間通信、遙感、激光雷達(dá)等領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用前景。針對(duì)激光在中紅外波段的廣泛技術(shù)需求，光纖隨機(jī)激光器研發(fā)的波長(zhǎng)范圍也在從常規(guī)的1.0～1.6 μm波段向2 μm及以上波段延伸。但是與常規(guī)波段相比，光纖隨機(jī)激光器在2 μm波段必須面對(duì)兩個(gè)不利因素：一是普通光纖在2.0 μm的損耗高達(dá)30 dB/km，而且隨波長(zhǎng)增加而急劇升高［26］；二是光纖瑞利散射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，所以光纖在2.0 μm的散射只有1.0 μm處的1/16和1.5 μm處的1/5。因此，采用石英光纖和瑞利散射的常規(guī)技術(shù)和方法難以獲得高性能的2 μm波段隨機(jī)光纖激光器。為克服以上困難，2015年，上海交通大學(xué)采用纖芯摻鍺的高數(shù)值孔徑光纖為半導(dǎo)體激光泵浦的摻銩光纖提供隨機(jī)分布瑞利散射反饋，在4 W以上的泵浦功率下獲得了隨機(jī)調(diào)Q激光輸出［27］。2016年，國(guó)防科技大學(xué)利用1942 nm激光泵浦150 m長(zhǎng)的高摻鍺光纖（二氧化鍺濃度38%），在泵浦功率超過(guò)3 W時(shí)獲得了寬帶的隨機(jī)拉曼激光輸出［28］。這兩個(gè)工作都采用了在2 μm波段傳輸損耗相對(duì)較低的高摻鍺光纖，但弱的瑞利散射依然導(dǎo)致激光器的泵浦閾值高、轉(zhuǎn)換效率低。2021年，深圳大學(xué)將200 m單模光纖的瑞利散射與摻銩光纖的主動(dòng)增益相結(jié)合，獲得2 μm隨機(jī)激光，但泵浦功率閾值仍然高達(dá)3.5 W［29］。

本文采用793 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，利用摻銩光纖產(chǎn)生增益放大，采用光纖隨機(jī)光柵和高反射率光纖光柵構(gòu)成半開(kāi)放腔結(jié)構(gòu)光纖隨機(jī)激光器，在2 μm波段實(shí)現(xiàn)了閾值功率為2.33 W、斜率效率為4%的窄線寬激光輸出。

1 激光器結(jié)構(gòu)和工作原理

提出的基于光柵反饋技術(shù)的摻銩光纖隨機(jī)激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由793 nm半導(dǎo)體激光器、793 nm/2000 nm波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）、高反射率光纖光柵（High Reflectivity Fiber Bragg Grating，HR-FBG）、摻銩光纖和刻寫(xiě)在普通單模光纖上的光纖隨機(jī)光柵構(gòu)成。所用摻銩光纖（Nufern，SM-TDF-10P/130-HE）的長(zhǎng)度為1.5 m，模場(chǎng)直徑為10 μm，數(shù)值孔徑為0.15，對(duì)793 nm的吸收系數(shù)為3 dB/m；HR-FBG的中心波長(zhǎng)為1940.1 nm，3 dB帶寬為0.25 nm，反射率為99%，其透射譜如圖2所示。高反射率光纖光柵作為反射端鏡，使激光器成為半開(kāi)腔結(jié)構(gòu)，可以降低隨機(jī)光纖激光器的閾值功率。

圖1 基于光柵反饋技術(shù)的摻銩光纖隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of the Tm3+-doped fiber random laser based on grating feedback technology

圖2 高反射率光纖光柵的透射譜Fig.2 Transmission spectrum of the high-reflectivity fiber Bragg grating

光纖隨機(jī)光柵是由飛秒激光逐點(diǎn)寫(xiě)入的，其柵區(qū)長(zhǎng)度為10 cm，纖芯中沿著光纖長(zhǎng)度方向具有超過(guò)6000個(gè)間距隨機(jī)分布的折射率畸變點(diǎn)，這些折射率畸變點(diǎn)增強(qiáng)了光纖纖芯軸向折射率的非均勻性，產(chǎn)生了增強(qiáng)的反向瑞利散射效應(yīng)。光纖隨機(jī)光柵的制備過(guò)程中，超快鈦寶石再生放大器的工作波長(zhǎng)為800 nm，重復(fù)頻率為10 Hz，脈沖持續(xù)時(shí)間為80 fs。采用一個(gè)由平凸透鏡和面凹透鏡組成的光束減縮器來(lái)減小激光束寬度，通過(guò)光學(xué)顯微鏡的物鏡將其產(chǎn)生的飛秒脈沖通過(guò)光纖側(cè)面聚焦到SMF-28光纖的纖芯上，而SMF-28光纖被提前安裝在一個(gè)氣浮軸承臺(tái)（Aerotech）上，以100 μm/s的速度移動(dòng)。物鏡安裝在壓電工作臺(tái)上，該工作臺(tái)沿光纖軸以100 Hz的頻率的偽隨機(jī)方式抖動(dòng)，其最大位移為2.5 μm。如此沿10 cm的SMF-28光纖引入了超過(guò)6000個(gè)折射率畸變點(diǎn)，相鄰畸變點(diǎn)的空間間隔在0～3.5 μm范圍內(nèi)隨機(jī)分布。該光柵的制備應(yīng)該滿足兩個(gè)基本要求：1）光纖隨機(jī)光柵寫(xiě)入折射率的調(diào)制深度要淺，不至于引起過(guò)大的插入損耗；2）寫(xiě)入的折射率畸變點(diǎn)數(shù)要足夠多，才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的瑞利散射，與幾公里甚至幾十公里單模光纖的瑞利散射達(dá)到一個(gè)量級(jí)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得光纖隨機(jī)光柵在2 μm的插入損耗為4.7 dB，雖然損耗的光中僅很少的部分為后向瑞利散射，但其反饋強(qiáng)度可等同于數(shù)公里的單模光纖［30］。與之相比，1 km普通單模光纖在2 μm的傳輸損耗約為30 dB。因此，采用光纖隨機(jī)光柵可以在短的光纖長(zhǎng)度上產(chǎn)生較強(qiáng)的隨機(jī)分布反饋效應(yīng)，避免長(zhǎng)的普通單模光纖用于2 μm分布反饋所帶來(lái)大的傳輸損耗。

在兩個(gè)光纖光柵外側(cè)的光纖尾端熔接接負(fù)8角跳線來(lái)消除光纖端面的菲涅爾反射。左端為光纖隨機(jī)激光器的輸出端，與泵浦激光的輸入方向相反，可避免在輸出激光中混入殘余的泵浦光。隨機(jī)激光器的輸出光譜和功率分別用光譜分析儀（OSA，AQ6376）和光功率計(jì)來(lái)測(cè)量。

激光器的工作原理為：摻銩光纖在793 nm泵浦激光作用下產(chǎn)生上下能級(jí)集居反轉(zhuǎn)，引起自發(fā)輻射效應(yīng)，其前向傳輸?shù)淖园l(fā)輻射光中與右端的高反射率光纖光柵波長(zhǎng)相同的部分被反射回來(lái)，經(jīng)摻銩光纖放大，然后到達(dá)光纖隨機(jī)光柵，大部分的光經(jīng)由光纖隨機(jī)光柵到輸出端，少部分光被光纖隨機(jī)光柵反饋回去，再次進(jìn)入摻銩光纖被放大并被右端的高反射率光纖光柵反射回來(lái)，由此往復(fù)形成諧振。隨著793 nm泵浦激光功率的提高，當(dāng)增益能夠補(bǔ)償腔內(nèi)損耗時(shí)，形成隨機(jī)激光輸出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

摻銩光纖隨機(jī)激光器的輸出光譜由波長(zhǎng)分辨率為0.1 nm的AQ6376光譜分析儀測(cè)得。隨著泵浦功率逐漸增加，在低于閾值泵浦功率時(shí)，只觀察到高反射率光纖光柵的反射譜。在泵浦功率達(dá)到和超過(guò)2.33 W時(shí)，觀察到激光產(chǎn)生，激光輸出峰值波長(zhǎng)為1940 nm，略低于高反射率光纖光柵透射譜的中心波長(zhǎng)0.1 nm。這是由于1.5 m摻銩光纖的最大增益波長(zhǎng)小于1940 nm，所以激光產(chǎn)生在高反射率光纖光柵反射譜的短波側(cè)。因此，摻銩光纖隨機(jī)激光器的閾值功率為2.33 W，閾值前后的光譜如圖3所示。

圖3 摻銩光纖隨機(jī)激光器閾值附近的輸出光譜Fig.3 Output spectra of the Tm3+-doped fiber random laser with pump powers near the threshold

隨著泵浦光功率逐漸增大，光纖隨機(jī)激光器輸出光譜中峰值波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度隨之明顯增加，不同泵浦功率下的輸出光譜如圖4所示。在3.8 W泵浦功率下的輸出功率為57 mW，光信噪比達(dá)56 dB。激光強(qiáng)度增加的同時(shí)，激光器的輸出波長(zhǎng)在泵浦功率變化過(guò)程中保持穩(wěn)定。這是因?yàn)閮蓚€(gè)光纖光柵都制備在普通單模光纖上，而不是摻銩光纖上，因此其波長(zhǎng)不受摻銩光纖在泵浦光作用下溫度變化的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得摻銩光纖隨機(jī)激光器的輸出功率隨泵浦功率的變化呈良好的線性關(guān)系，如圖5所示，斜率效率約為4%。經(jīng)測(cè)量泵浦源輸出尾纖與WDM泵浦端熔接點(diǎn)的插入損耗為3 dB，摻銩光纖與WDM公共端熔接點(diǎn)的插入損耗為4.5 dB。斜率效率不高的主要原因是上述兩個(gè)熔接點(diǎn)兩端光纖的纖芯直徑、模場(chǎng)直徑、光纖折射率不匹配導(dǎo)致熔接點(diǎn)的插入損耗過(guò)大。若不考慮熔接點(diǎn)的插入損耗，按注入摻銩光纖的泵浦功率計(jì)算，實(shí)際斜率效率可以達(dá)到22%，與普通摻銩光纖激光器的斜率效率相近。因此，通過(guò)定制尾纖匹配的WDM來(lái)減少熔接損耗，可以提高摻銩光纖隨機(jī)激光器的斜率效率。

圖4 不同泵浦功率下測(cè)得的隨機(jī)激光輸出光譜Fig.4 Random laser output spectra measured at different pump powers

圖5 摻銩光纖隨機(jī)激光器的輸出特性Fig.5 Output characteristics of Tm3+-doped fiber random laser

為了測(cè)試光纖隨機(jī)激光器輸出的時(shí)間穩(wěn)定性，在泵浦功率為3.8 W情況下，每隔5 min記錄一次激光的輸出光譜和功率，每隔1 s記錄一次激光的輸出功率，總測(cè)量時(shí)間為1 h，記錄的激光輸出光譜如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨機(jī)光纖激光器的峰值波長(zhǎng)漂移小于0.1 nm，低于光譜分析儀的波長(zhǎng)分辨率，說(shuō)明摻銩光纖隨機(jī)激光器的輸出光譜具有良好的穩(wěn)定性，應(yīng)該與高反射率光纖布拉格光柵良好的波長(zhǎng)選擇性反射有關(guān)。圖7為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光輸出功率隨時(shí)間的變化，激光輸出功率的最大值為17.62 dBm，最小值為17.03 dBm，最大差異僅為0.59 dB，說(shuō)明本文的摻銩光纖隨機(jī)激光器具有良好的輸出穩(wěn)定性。

圖6 泵浦激光功率為3.8 W時(shí)多次測(cè)量得到的隨機(jī)激光輸出光譜Fig.6 Laser output spectra of multiple measurements at pump power of 3.8 W

圖7 隨機(jī)激光輸出功率隨時(shí)間的變化Fig.7 Output power of the random laser versus time

3 結(jié)論

利用光纖隨機(jī)光柵的增強(qiáng)瑞利散射效應(yīng)提供分布式隨機(jī)反饋，結(jié)合高反射率光纖光柵的窄帶選頻濾波作用，在793 nm半導(dǎo)體激光器的泵浦下，以摻銩光纖作為增益介質(zhì)，獲得了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出穩(wěn)定的半開(kāi)腔結(jié)構(gòu)2 μm波段光纖隨機(jī)激光器，并對(duì)其輸出光譜和功率特性做了研究。實(shí)驗(yàn)獲得光纖隨機(jī)激光器的峰值波長(zhǎng)為1940 nm，閾值為2.33 W，在3.8 W泵浦功率下的輸出功率為57 mW，光信噪比達(dá)56 dB。另外，輸出激光在1 h內(nèi)的波長(zhǎng)偏移量小于0.1 nm，功率變化為0.26 dB，具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性。