1 背景介紹
光纖雷射器因其具有良好的光纖耦合性、波長選擇性、高功率等優點, 引起了學者們的廣泛注意,不同結構及特性的光纖雷射器不斷研製成功。具有任意偏振狀態的光波都可以看成是兩個完全正交的偏振模合成的, 其在理想的軸對稱光纖中傳輸時偏振態保持不變, 但由於光纖製造工藝及應力、溫度等因素的影響, 使傳輸光纖產生雙折射現象, 具有不同傳輸常數的兩個正交偏振模式會產生模式耦合, 這種模式耦合的隨機性就造成了輸出光波偏振狀態的不穩定。在光纖陀螺、光纖感測、非線性變頻、相干光束組合等許多領域需要輸出雷射保持穩定的偏振特性, 因此研究具有單偏振輸出特性及一定消光比的光纖雷射器具有十分重要的意義, 單偏振光纖雷射器已成為目前研究熱點之一。
光纖雷射器的研究背景
光纖雷射器的研究始於20世紀60年代。早在1961年,美國光學公司的E.Snitzer等就在光纖雷射器領域進行了開創性的工作,但由於相關條件的限制,其實驗進展相對緩慢。1966年,華裔科學家高餛在他的著名論文中解決了石英光纖損耗的理論問題,提出了研製低損耗光纖的可能性。1970年,美國康寧公司研製成功了第一根低損耗光纖。而80年代英國southampton大學用MCVD法製成了低損耗的摻餌光纖,從而為光纖雷射器帶來了新的前景。近幾年,光纖雷射器成為雷射領域的熱門研究課題,在現代光通信、光感測、材料技術、生命科學及精密加工等領域廣泛套用。與半導體雷射器和固體雷射器相比,其具有很多優點:抽運閉值低、轉換效率高、散熱效果好、調諧範圍寬、耦合效率高、結構緊湊等。目前,光纖雷射器的研究熱點主要集中在窄線寬光纖雷射器、高功率光纖雷射器和超短脈衝光纖雷射器等方面。而窄線寬光纖雷射器又是光纖雷射器發展的一個重要方向。它除了具有上述光纖雷射器的特點外,還以其窄線寬、低噪聲等優點廣泛套用於光纖感測、光纖遙感、高精度光譜及光纖通信領域。
2 光纖雷射器的工作原理
光纖雷射器主要由三部分組成:產生光子的增益介質、為光子提供正反饋並在增益介質中諧振放大的光學諧振腔和激勵增益介質實現粒子數反轉的泵浦源。圖1為光纖雷射器的工作原理圖。
單偏振光纖雷射器如圖1 所示, 纖芯摻稀土離子的光纖作為增益介質, 兩個反射鏡放置在一段摻雜光纖的兩端, 構成諧振腔。泵浦光經耦合系統從反射鏡1 進入摻雜光纖, 摻雜光纖中的稀土離子吸收泵浦光的能量後發生能級躍遷並實現粒子數反轉, 受激輻射出光子能量, 經過提供正反饋的諧振腔來回激勵振盪, 當滿足光強增益大於其損耗及相位改變數為2π整數倍的輻射光波將率先起振形成雷射振盪, 從而產生雷射, 經反射鏡2 輸出。
3 單偏振光纖雷射器實現方法
通常將輸出雷射只出現一種偏振態的雷射器稱為單偏振雷射器。嚴格控制雷射器各組成部分對光偏振狀態的影響, 可以有效地實現單偏振雷射輸出。以下主要從摻雜光纖、偏振光學器件及雷射諧振腔三方面介紹實現單偏振光纖雷射器的常用方法, 保證輸出雷射具有良好的偏振特性及較高的消光比。
摻雜保偏光纖
選擇摻雜保偏光纖作為增益介質的雷射器是實現單偏振輸出最常用的方法。目前Andrea 提出了一種基於摻雜保偏光纖的新型結構光纖雷射器,它採用摻鉺保偏光纖作為增益
介質, 2 個FBG 和2 個反射鏡共同組成諧振腔,FBG 構造的F —P 標準具實現縱模選擇, 腔內嵌入偏振分束器和高反射鏡可以獲得兩個正交偏振模式雷射共享一個諧振腔, 有效地消除了噪聲影響和空間燒孔效應。
利用摻雜保偏光纖設計的光纖雷射器結構簡單, 但摻雜保偏光纖價格昂貴、熔接工藝精度要求高、離子摻雜密度低, 尤其是單模單偏振光纖的頻寬受限, 傳輸損耗大等因素, 使其套用受到了限制, 因此研究學者一直在探索使用普通摻雜光纖實現單偏振雷射輸出的方法。
偏振控制器
偏振控制器可以將輸入的任意偏振態轉變為任意特定偏振態輸出, 常見的偏振控制器有方位角控制型偏振控制器、延遲量控制型偏振控制器和方位角-延遲量控制型偏振控制器三大類。因此通過在諧振腔中插入偏振控制器來選擇振盪雷射的偏振態, 從而保證輸出雷射長期保持偏振態不變。常規環形腔單偏振光纖雷射器簡化結構, 波分復用器(WDM), 環行器和耦合器都是偏振無關的, 摻雜光纖是非保偏的, 只是簡單地加入偏振控制器(PC)來實現偏振控制。
簡單地加入PC 可以在一定程度上改善非保偏摻雜光纖構造的雷射器的偏振特性, 偏振特性的改善程度主要取決於PC 的消光比, 具有較高消光比的PC 可以保證輸出雷射的良好偏振特性, 但這種方法會引起雷射輸出功率的明顯波動。因此應對常規環形腔單偏振雷射器進行改進, 如在行器反射臂上FBG 前加入具有飽和吸收特性的未泵浦摻雜光纖, 與FBG 反射波長形成駐波干涉, 當光功率和摻鉺光纖長度合適時, 誘發空間燒孔現象, 形成自寫入光纖光柵, 在抑制跳模實現縱模選擇的同時, 抑制了邊模雷射, 使得輸出功率穩定。
偏振分離反射腔
FBG 因具備很好的反射特性及光纖兼容性, 成為構造光纖雷射器的常用器件。利用保偏FBG 和傾斜FBG 可以構成雷射器偏振分離反射腔,以實現對雷射偏振態的控制。
在高雙折射光纖中寫入FBG 製成的保偏FBG(PFBG)具有明顯的各向異性反射率, 將其作為雷射腔的反射鏡構成偏振分離反射腔, 從而實現雷射器的單偏振輸出。文獻[ 10] 報導了基於三光柵實現的新型單偏振雙波長光纖雷射器, 它由兩個窄帶普通FBG 和一個寬頻PFBG 共同構成兩個獨立的光學諧振腔。在PFBG 中傳輸的光波被偏振分離, 因此PFBG 存在兩個反射峰, 分別對應兩個正交偏振態。使兩個窄帶普通FBG 的反射中心波長分別與PFBG 兩個反射峰的波長相對應, 兩個正交偏振態分別諧振在獨立的腔中, 消除了模式競爭, 兩端同時激射實現單偏振雙波長雷射輸出, 消光比達46 .7 dB , 輸出雷射偏振度為98 .5 %。
傾斜FBG(TFBG)在大角度傾斜狀況下其獨特的耦合輻射模具有偏振敏感特性 , 也已經成功地運用於光纖雷射器中的偏振控制。文獻[ 12] 提出了基於45°TFBG 的單偏振可調諧摻鐿光纖雷射器。輸出波長為1 .06 μm , 功率大於6 dBm , 在25 nm 可調波長範圍內, 偏振度大於99 .8 %。
利用FBG 的光纖雷射器雖然簡單、有效, 但限制了雷射輸出功率, 大多只能用於低功率套用領域。為實現較大功率輸出, 可以採用大模場面積摻雜光纖構造諧振腔[ 13-14] , 雙包層結構光纖具有較大的纖芯直徑和較小的數值孔徑, 減少了光纖的功率密度,進而提高了產生非線性效應的閾值, 功率轉換效率高, 所以當泵浦功率達到一定時可實現高功率雷射穩定輸出。
4 頻單偏振光纖雷射器的研究意義
作為當代雷射技術的核心之一,光纖雷射器具有舉足輕重的研究意義, 單頻光纖雷射器實現了雷射窄線寬單縱模輸出,具有較高的相干特性並滿足低噪聲要求,從而成為空間感測、相干通信和高密度光譜分析等領域套用光源的首選。普通的光纖雷射器諧振腔內符合增益區閾值振盪條件的縱模很多且間隔小,輸出光波極易形成模式跳變,同時相鄰縱模會導致很強的拍頻噪聲[6]。因此單縱模光纖雷射器應運而生,採取飽和吸收體、自注入反饋[7]、短腔法以及多諧振腔結構等選頻措施,有效地抑制跳模,提高雷射單色性及輸出穩定性。近年來,各類結構的單頻光纖雷射器不斷見諸報導,在雷射雷達、空間探測、高精度感測系統、相干波束等領域相繼得到了套用。為了滿足精密分析和大功率套用,單頻光纖雷射器的輸出方向性、穩定性和輸出功率仍需進一步提升。
而雷射器的偏振特性作為影響發射雷射功率的重要因素,同樣被視為重要研究分支。由於任意偏振狀態的光波都可以看成是兩個完全正交的偏振模合成的,其在理想的軸對稱光纖中傳輸時偏振態保持不變,但光纖製造工藝及應力、溫度等外界環境因素會使傳輸光纖產生雙折射現象。具備不同傳輸常數的兩個正交偏振模式會產生模式親合,引起光功率的相互轉換,這種模式耦合的隨機性就造成了輸出光波偏振狀態的不穩定。而在光纖陀螺、光纖感測、非線性變頻、相干光束組合等許多領域對輸出雷射的偏振特性要求較高,因此研究具備單偏振輸出特性及一定消光比的光纖雷射器具有十分重要的意義,單偏振光纖雷射器已成為目前研究熱點之一。綜上所述,單頻單偏振光纖雷射器具有重要的研究價值。
5 發展狀況
單偏振、單頻率的雷射，主要用於進行相干合成或光譜合成。
在單偏振光纖雷射器方面，美國密西根大學採用雙包層結構的偏振保持光纖，實現了單偏振雷射輸出。其中內包層形狀為八角形、纖芯直徑20 μm、數值孔徑0.06，高雙折射△n=3×10-4。利用偏振保持光纖在彎曲狀態下，纖芯中快軸、慢軸由於彎曲所致的不同軸向的損耗不同，來抑制一個軸向的傳輸光，從而實現單偏振的雷射輸出。並以雙包層結構的光纖光柵和光纖端面為諧振腔，實現了輸出功率405 W的單偏振，偏振度>19 dB的單橫模雷射輸出，光束質量M2=1.1，光譜頻寬1.9 nm，斜率效率為65.9%。
2006年，南安普敦大學實現了偏振度16 dB、光束質量M2=1.2、功率633 W的連續雷射輸出。並採用相同光纖，利用主振盪功率放大技術，實現了線寬60 KHz、偏振度16 dB、光束質量M2=1.1的單模、單偏振窄線寬的264 W雷射輸出[22]。南安普頓大學利用摻硼光纖引入雙折射效應，實現單偏振雷射輸出。利用端面泵浦實現了147 W、斜率效率66%的連續雷射輸出，消光比約16 dB（偏振度95%）。
