160 发光学报第 32 卷用 Er 3+ /Yb 3+ 双包层光纤作为增益介质, 结合包层抽运, 获得高功率激光输出 ; 进而将输出信号光分束反馈注入谐振腔内, 反馈光与腔内振荡激光混频干涉, 在增益介质中形成分布的增益光栅与折射率光栅, 两者共同作用选择纵模, 并有效地抑制跳模, 获得稳定的单

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畴任
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1 第 32 卷 2011 年 2 月第 2 期发光学报 CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE Vol 32 No 2 Feb.,2011 文章编号 : (2011) 二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器代志勇, 张晓霞, 彭增寿, 李剑峰, 欧中华, 刘永智 ( 电子科技大学光电信息学院光电传感与信息处理重点实验室, 四川成都 ) 摘要 : 设计并制造了一种基于二波混频的高功率单频窄线宽光纤激光器激光器采用长线形腔结构, 以 Er 3+ /Yb 3+ 双包层光纤作为增益介质, 利用输出信号光分束反馈注入, 与腔内振荡激光混频干涉, 形成分布的增益光栅与折射率光栅共同作用选模, 获得稳定的 nm 单频高功率激光输出在 975nm 多模激光二极管 (LD) 抽运下, 激光器抽运阈值光功率为 356mW 当抽运光功率为 3.1W 时, 激光器输出信号光功率为 653.7mW, 对应的光光转换效率为 21.1, 斜率效率为 24.6, 信噪比大于 50dB 用延时自外差方法测量激光器输出的 3dB 光谱线宽为 5.0kHz 关键词 : 激光光学 ; 光纤激光器 ; 二波混频 ; 单频 ; 窄线宽中图分类号 :TN253 PACS:42.55.Wd PACC:4255N 文献标识码 :A DOI: /fgxb 引言高功率单频窄线宽光纤激光器在密集波分复用系统相干激光雷达分布式光纤传感器以及微波光子等诸多领域有重要应用 [1 4] 窄线宽光纤激光器可采用线形或环形谐振腔结构长线形腔易因驻波效应在增益介质中形成空间烧孔, 而导致多纵模振荡, 使输出光谱线宽加宽 ; 但随着谐振腔长变短, 纵模间隔将加大, 使用短线形腔结构能获得单频激光输出 [5] 行波环形腔能有效地消除空间烧孔, 避免多模振荡, 容易获得单频激光输出 [6] ; 但长的环形腔却容易受环境因素 ( 如温度振动 ) 的影响而产生跳模因此, 无论是线形腔还是环形腔均需消除多纵模振荡, 抑制跳模, 才能获得稳定的单频窄线宽激光输出, 目前主要有腔形结构设计非线性二波混频布里渊增益谱线宽压缩等方法腔形结构设计可采用超短线形腔结构, 增大纵模间距, 获得单频激光输出 ; 或在腔内插入高精细度滤波器选模, 获得单频激光输出 [7] ; 或在线形腔内加入偏振态控制元件, 控制腔内光波的偏振态以消除空间烧孔, 获得单频激光输出 [8] 非线性二波混频则利用两光波混频干涉, 在光纤中形成分布的增益光栅或光致折射率光栅这种分布光栅具有窄带滤波效应, 能消除多纵模振荡并抑制跳模, 从而获得稳定的单频激光输出例如, 在腔内插入可饱和吸收体, 利用增益饱和形成的增益光栅选模和抑制跳模, 获得单频激光输出 [1] ; 或通过腔外注入光与腔内激光混频干涉, 形成增益光栅和折射率光栅选模, 获得单频激光输出 [9] 布里渊增益谱线宽压缩则利用窄线宽激光在光纤中激发的窄带布里渊增益谱对输入激光进行线宽压缩, 获得更窄的光谱线宽输出 [10] 尽管超短线形腔能获得稳定的单频激光输出, 但过短的增益光纤却不利于获得高功率激光输出, 同时也难以在腔内插入偏振控制等光学元件为获得更高功率激光输出则需要增加增益光纤长度和提高抽运功率文献 [11] 采用行波环形腔结构, 结合可饱和吸收体稳频, 以 Er 3+ / Yb 3+ 双包层光纤作为增益介质, 获得了功率为 867mW 的单频激光输出文献 [12] 采用种子源加主振光放大, 获得功率大于 1W 线宽小于 30 khz 单频激光输出本文提出一种基于二波混频的高功率单频窄线宽光纤激光器一方面采用长线形腔结构, 使收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ) 资助项目作者简介 : 代志勇 (1970-), 男, 四川遂宁人, 主要从事光纤激光器光电传感与信息处理的研究 E mail:emzydai@uestc.edu.cn,tel:(028)

2 160 发光学报第 32 卷用 Er 3+ /Yb 3+ 双包层光纤作为增益介质, 结合包层抽运, 获得高功率激光输出 ; 进而将输出信号光分束反馈注入谐振腔内, 反馈光与腔内振荡激光混频干涉, 在增益介质中形成分布的增益光栅与折射率光栅, 两者共同作用选择纵模, 并有效地抑制跳模, 获得稳定的单频激光输出该光纤激光器输出功率高光谱线宽窄频率稳定, 而且结构简单全光纤化, 可应用于光通信分布式光纤传感和微波光子等领域 2 实验装置组成与原理实验装置如图 1 所示谐振腔由两只光纤布拉格光栅 (FBG) Er 3+ /Yb 3+ 共掺双包层光纤 (2+1) 1 泵浦合束器 (Combiner) 等组成激光器用两只 FBG 作为谐振腔反射镜, 其中 FBGⅠ 的反射率为 99.4, 中心波长为 nm, 带宽为 0.21nm;FBGⅡ 的反射率为 90.4, 中心波长为 nm, 带宽为 0.18nm 激光器的增益介质采用 Nufern 公司的 SM EYDF 7/130 双包层光纤, 长度为 4m 该双包层光纤的纤芯直径与内包层直径分别为 7μm 和 130μm, 在 1535nm 处吸收系数为 38dB/m 实验装置用两只多模 LD 进行抽运,LD 的中心波长为 975nm, 每只最大输出光功率为 2W 两路泵浦光通过泵浦合束器耦合进增益光纤内激光器谐振腔的总长度为 8m, 两相邻纵模间隔约为 25MHz "#$ & ' ' 图 1 高功率单频窄线宽光纤激光器实验装置 Fig.1 Experimentalsetupofhighpowersinglefrequency narowlinewidthfiberlaser 实验装置使用线形腔结构, 增益光纤长度达到 4m, 这样不仅有利于获得更窄的光谱线宽输出, 而且有利于获得高功率激光但在激光振荡产生过程中, 过长的腔长却易因驻波效应在增益介质中形成空间烧孔, 导致多模振荡, 使输出光谱线宽加宽 ; 同时还容易受环境因素 ( 温度振动 ) 的影响, 产生严重的跳模现象为获得稳定的单频激光输出, 实验装置增加了反馈光纤环路反馈光纤环路由两只分光比为的 1 2 光纤耦合器 (OC) 两只在线式光隔离器 (ISO) 和偏振控制器 (PC) 组成其中光隔离器的作用是保证反馈光单向耦合进激光谐振腔中通过反馈光纤环路, 激光器输出信号光的 10 将再次耦合进谐振腔内在增益介质中, 反馈光与腔内振荡激光产生混频干涉, 其干涉光强呈空间的周期性分布周期性分布的干涉光强一方面因增益饱和而形成分布的增益光栅, 另一方面则通过光致折射率效应形成分布的折射率光栅 [13] 分布的增益光栅与折射率光栅共同作用, 对纵模进行有效的选择, 从而抑制多纵模振荡与跳模, 使激光器工作在单频运转状态众所周知, 两光波干涉光强的衬比受光波偏振态的影响, 因此试验装置通过 PC 调整反馈光的偏振态, 使其与腔内振荡激光的偏振态平行, 获得最强的干涉图样, 从而提高增益光栅与折射率光栅的稳定性, 使实验装置获得稳定的单频激光输出实验中用光谱分析仪 (ANDO AQ6319, 测量精度为 0.01nm) 与光功率计 (AN DOAQ2140) 测量实验装置的输出特性, 同时用延时自外差方法测量输出的 3dB 光谱线宽 3 结果与讨论在实验中, 首先观察无反馈光纤环路时实验装置的输出特性连接好除反馈环路外的光路, 调节 LD 的驱动电流, 增大抽运光功率当抽运光功率为 3.1W 时, 用光功率计测量实验装置的输出信号光功率为 713mW 输出信号光经衰减后, 用光谱分析仪测量其光谱特性测量得到信号光中心波长为 nm,3dB 光谱线宽为 0.162nm, 信噪比大于 50dB 显然实验装置输出的光谱线宽远大于其无源谐振腔所决定的光谱线宽结果表明, 实验装置工作在多纵模状态, 输出光谱线宽被严重展宽因此要获得窄线宽激光输出, 就必须消除多纵模振荡实验装置利用反馈光纤环路, 将输出信号光的 10 再次耦合进入谐振腔内通过反馈光与腔内振荡激光在增益介质中混频干涉, 形成纵模选择所需的增益光栅和折射率光栅加入反馈光纤环路后, 调节 LD 的输出光功率当抽运光功率超过 356mW 时, 光纤激光器开始起振随着抽运光功率的增加, 实验装置输

3 第 2 期代志勇, 等 : 二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器 161 出光功率与光谱趋于稳定图 2 为实验装置输出信号光功率随抽运光功率变化曲线当抽运光功率为 3.1W 时, 输出信号光功率为 653.7mW, 对应的光光转换效率为 21.1, 斜率效率为 24.6 此时信号光功率小于无反馈环路时的信号光功率, 这是由于反馈光纤环路加入所带来的附加损耗所致图 3 所示为实验装置输出光谱特性曲线, 其中光谱仪的扫描范围设定为 4nm, 测量分辨率设定为 0.01nm 由测试结果可知, 输出信号光的中心波长为 nm, 信噪比大于 50 db,3db 光谱线宽为 0.01nm( 光谱仪最小测量精度 ) 受光谱仪测量精度的限制, 显然实验装置输出的光谱线宽要小于 0.01nm 相比于无反馈光纤环路实验, 实验装置的输出光谱线宽明显变窄结果表明, 反馈的信号光与腔内激光混频干涉形成了分布增益光栅和折射率光栅, 两者共同作用实现了纵模的有效选择将偏振控制器调整到最佳位置, 在 2h 的连续观察时间内, 激光器的输出光功率与光谱保持稳定, 其中波长漂移范围小于 0.01nm, 光功率波动小于 0.8 实验中采用延时自外差方法观察实验装置单频运转特性和测量 3dB 光谱线宽延时自外差测 " # $ & & $ $ # 图 2 输出功率随抽运光功率变化 Fig.2 Outputpowervspumppower & " # $ $# $$ $$& 图 3 光纤激光器输出光谱特性 Fig.3 Emisionspectrumofthefiberlaser 量系统采用 M Z 干涉仪结构, 由 40km 单模光纤延时线一只声光移频器 ( 中心频率为 70MHz) 两只 3dB 的 1 2 光纤耦合器一只带宽 10GHz 的光电转换模块以及射频频谱仪 (ADVANTEST R3267) 等组成其中射频频谱仪的频率测量范围为 100Hz~8GHz, 最小带宽分辨率为 10Hz, 测量动态范围超过 137dB 在抽运光功率为 3.1 W 时, 将射频频谱仪的扫频范围设置为 0~700 MHz, 观察实验装置的单频运转情况, 射频拍频谱测试结果如图 4(a) 所示由图可知, 除去固有的零频分量外, 只有 70MHz 处存在拍频分量, 这表明实验装置已工作在单频运转状态将偏振控制器调节到最佳位置, 在 2h 的连续观察时间内未观察到跳模现象结果表明, 利用反馈光注入与腔内激光产生混频干涉不仅实现了纵模选择, 而且有效地抑制了跳模, 实验装置工作在稳定的单频运转状态进一步将射频频谱仪的扫频中心频率设定为 70MHz, 扫频范围设定为 500kHz, 测量实验装置输出的 3dB 光谱线宽, 测试结果如图 4 (b) 所示由测试结果可以得到实验装置的 3dB 光谱线宽为 5kHz $ " " #$ # ' $'&# &# 图 4 延时自外差射频谱,(a) 单频运转拍频谱 ;(b)70 MHz 处拍频谱 Fig.4 Self heterodynerfbeatspectrum,(a)single fre quencyoperation;(b)beatspectrumat70mhz.

4 162 发光学报第 32 卷 4 结论对于长线性谐振腔结构, 通过将输出信号光分束反馈注入谐振腔内与腔内振荡激光混频干涉, 在增益介质中形成分布增益光栅与折射率光栅, 不仅能够实现纵模的选择, 而且能有效地抑制跳模, 获得稳定的单频窄线宽激光输出本文使用 Er 3+ /Yb 3+ 共掺双包层光纤, 结合高功率的包层抽运, 设计并制作了中心波长 nm 的单频窄线宽光纤激光器实验装置输出信号光功率为 653.7mW, 光光转换效率为 21.1, 斜率效率为 24.6, 信噪比大于 50 db 采用延迟自外差线宽测量方法, 当延时光纤为 40km 时, 测量得到 3dB 光谱线宽为 5kHz 该光纤激光器为全光纤结构, 输出功率高线宽窄频率稳定, 在光通信相干激光雷达以及分布式光纤传感器中具有很好的应用前景参考文献 : [1]RyuHY,LeeW K,MoonHS,etal.Stablesingle frequencyfiberringlaserfor25 GHzITU Tgridsutilizingsaturable absorberfilter[j].ieeephoton.technol.let.,2005,17(9): [2]GengJH,SpiegelbergC,JiangSB.Narowlinewidthfiberlaserfor100 kmopticalfrequencydomainreflectometry[j]. IEEEPhoton.Technol.Let.,2005,17(9): [3]LiegeoisF,VercambreC,HernandezY,etal.Pulsedhigh peak powerandsingle frequencyfibrelaserdesignforlidar aircraftsafetyapplication[j].spie,2006,6367:63670h [4]YaoY,ChenXF,DaiYT,etal.Dual wavelengtherbium dopedfiberlaserwithasimplelinearcavityanditsapplication inmicrowavegeneration[j].ieeephoton.technol.let.,2006,18(1): [5]ZyskindJL,MizrahiV,DiGiovanniDJ,etal.Shortsinglefrequencyerbium dopedfiberlaser[j].electronicslet., 1992,28(15): [6]MorkelPR,CowleGJ,PayneDN.Traveling waveerbiumfibreringlaserwith60khzlinewidth[j].electronicslet., 1990,26(10): [7]ChengXP,ShumP,TseCH,etal.Single longitudinal modeerbium dopedfiberringlaserbasedonhighfinesefiber BragggratingFabry Perotetalon[J].IEEEPhoton.Technol.Let.,2008,20(12): [8]WuBo,LiuYongzhi,LiuShuang,etal.1550nmhigheficientnarowlinewidthfiberlaser[J].J.Optoelectronics Laser( 光电子激光 ),2007,18(7): (inChinese). [9]MatsuuraM,KishiN.Frequencycontrolcharacteristicsofasingle frequencyfiberlaserwithanexternallightinjection [J].JournalonSelectedTopicsinQuantumElectronics,2001,7(1): [10]GengJH,StainesS,WangZL,etal.Highlystablelow noisebrilouinfiberlaserwithultranarowspectrallinewidth [J].IEEEPhoton.Technol.Let.,2006,18(17): [11]YangXX,ZhanOL,ShenJS,etal.High powersingle longitudinal modefiberlaserwitharingfabry Perotresonator andasaturableabsorber[j].ieeephoton.technol.let.,2008,20(11): [12]GapontsevV,FominV,OuntA,etal.Highpowersinglefrequencyfiberlasers[J].SPIE,1999,3613: [13]ChiM J,HuignardJP,PetersenPM.Ageneraltheoryoftwo wavemixinginnonlinearmedia[j].j.opt.soc.am. B,2009,26(8): High powersingle frequencynarrowlinewidthfiber LaserwithNonlinearTwo wavemixing DAIZhi yong,zhangxiao xia,pengzeng shou,lijian feng,ouzhong hua,liuyong zhi (KeyLaboratoryofOpto electronicsensingandinformationprocesing,schoolofoptoelectronicinformation, UniversityofElectronicScienceandTechnology,Chengdu610054,China) Abstract:Anovelhigh powersingle frequencynarowlinewidthfiberlaserwithlonglinearlasercavityis

5 第 2 期代志勇, 等 : 二波混频高功率单频窄线宽光纤激光器 163 designedandmanufacturedbyusingnonlineartwo wavemixing.thedistributedgaingratingsandrefractive indexgratings,whicharegeneratedbyinterferingbetweenthefeedbackinjectinglightfromthepartofoutput lightandthelasinglightinintra cavity,areusedtoselectlongitudinalmodeseficientlyandensurestablesin gle frequencyoperation.asegmenter 3+ /Yb 3+ co dopeddoublecladdingfiberisusedasgainmediumandis pumpedbymulti modeslaserdiodes(ld)withwavelengthof975nm,andthenstablehigh powersingle frequencylaserat nm isacquired.thefiberlaserexhibitsa356mw thresholdandlaseroutput poweris653.7mw forapumppowerof3.1w.optical opticaleficiencyis21.1,slopeeficiencyis 24.6 andsignal to noiseratio(snr)islargethan50db.the3dblinewidthofthefiberlaserisabout 5.0kHz,whichismeasuredbythedelayedself heterodynemethodwith40kmdelayedfiber. Keywords:laseroptics;fiberlaser;two wavemixing;single frequency;narowlinewidth CLCnumber:TN253 PACS:42.55.Wd PACC:4255N Documentcode:A DOI: /fgxb Receiveddate: 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼向您推荐液晶与显示中文核心期刊液晶与显示是中国最早创办的液晶学科专业期刊, 也是中国惟一的液晶学科和显示技术领域中综合性专业学术期刊它由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国光学光电子行业协会液晶专业分会和中国物理学会液晶分会主办, 科学出版社出版液晶与显示以研究报告研究快报综合评述和产品信息等栏目集中报道国内外液晶学科和显示技术领域中最新理论研究科研成果和创新技术, 及时反映国内外本学科领域及产业信息动态, 是宣传展示我国该学科领域和产业科技创新实力与硕果, 进行国际交流的平台本刊是英国科学文摘 (INSPEC) 美国化学文摘 (CA) 俄罗斯文摘杂志 (AJ) 美国剑桥科学文摘 (CSA) 中国科技论文统计源期刊等 20 余种国内外著名检索刊物和文献数据库来源期刊液晶与显示征集有关各类显示材料及制备方法液晶显示等离子体显示阴极射线管显示发光二极管显示有机电致发光显示场发射显示微显示真空荧光显示电致变色显示及其他显示各类显示器件物理和制作技术各类显示新型模式和驱动技术显示技术应用显示材料和器件的测试方法与技术成像技术和图像处理等研究论文液晶与显示热忱欢迎广大作者读者广为利用, 踊跃投稿同时, 竭诚欢迎社会各界洽谈广告业务合作组织技术交流与信息发布活动液晶与显示为双月刊, 国内定价 30 元国内邮发代号 :12-203; 国外发行代号 :4868BM 广告经营许可证号 : 地址 : 长春市东南湖大路 3888 号国内统一刊号 :CN /O4 液晶与显示编辑部国际标准刊号 :ISSN 邮编 : 国际刊名代码 (CODEN):YYXIFY 电话 :(0431) 传真 :(0431) E mail:yjxs@ciomp.ac.cn 网址 :

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