低阈值光纤激光器稳频特性研究

张荫民，祝连庆

(北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心光电测试技术北京市重点实验室，北京100192)

1 引言

频率稳定的光纤激光器在高精度光谱、光学测量和光纤传感方面具有广泛的应用［1－2］。由于光纤具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、可多路复用等多项突出优点，分布式光纤水听器、传感器、测距与定位设备引起科研工作者的极大兴趣。而这些设备正常工作的前提是使用可靠的光纤激光光源，因此如何提高光纤激光的频率稳定性是关键所在。实现激光频率稳定输出主要是如何消除跳模和抑制频率漂移，其途径主要可分为两大类。一种是基于消除空间烧孔效应的线形腔光纤激光器［3］，另一种是采用行波环形腔结构获得稳频激光输出［4］。对于线形腔而言，想要获取稳定的激光输出一般采用缩短腔长增加腔内相邻纵模间隔来实现，如超短腔分布式布拉格反射(DBR)光纤激光器［5］和分布式反馈(DFB)光纤激光器［6］，但这需要极高浓度的掺杂光纤和精密加工技术，使得制作技术难度加大，输出功率不高，不利于工程化。而行波环形腔结构因其谐振腔较长，腔内相邻纵模间隔偏小，容易出现跳模现象。为此多种技术被广泛应用于长线形腔和环形腔结构的光纤激光器来优化激光稳定输出，如腔内消相干技术［7］，F －P 滤波技术［8］，腔外光注入或自反馈光注入技术［9］，反馈光纤环技术［10］等。但是这些稳频技术的引入使得激光器的结构变得复杂、激光腔内损耗变大，激光器能量转换效率低下。

为了实现光纤激光器的稳定输出，本文将锥形光纤饱和吸收体(SA)与环形腔结构光纤激光器相结合，以较短的光纤饱和吸收体和锥形滤波的协同作用实现稳频，得到稳定的激光输出，激光阈值为7.58 mW，激光线宽小于8 kHz。

2 设计原理与系统组成

2.1 饱和吸收体的选频原理

光纤饱和吸收体是采用在光纤激光器谐振腔内插入一段未泵浦的掺杂光纤，利用谐振腔内两束相向传播的光波在该掺杂光纤形成驻波干涉。根据Kramers－Kronig关系式可知，折射率和吸收系数成反比［11］。在SA中形成驻波干涉后，其光强沿SA轴向周期性变化，此时SA对激光的吸收随着干涉光强的强弱不同而变化，在光强较大处产生吸收饱和现象，其吸收系数较小，而在光强较弱处的吸收系数则比较大，从而导致在SA轴向形成吸收系数周期性变化的空间分布，也就是说在SA中形成折射率的周期性变化，其结果可等效为在SA中写入了一种窄带宽的布拉格光纤光栅［12］。当该等效光栅的带宽小于激光器相邻纵模间隔时，仅有一个纵模可以形成稳定振荡，从而实现激光的稳定输出。

等效光纤光栅的带宽Δf可以表示为［13］:

2.2 锥形光纤滤波原理

当光束通过第一个光纤锥形结构时，光纤纤芯中的基模会有一部分耦合到包层模中，所激发起的包层模会沿着剥掉涂覆层的光纤传播，当其传输到第二个光纤锥形结构时，部分包层模又耦合进入纤芯。由于纤芯和包层的折射率不同，原始纤芯模与重新耦合进入的纤芯模间形成干涉。从而在透射谱中可以观察到振荡图样，达到滤波的目的。其模型可以采用双光束干涉方程来描述［14］:

其中，I为干涉信号的强度;I1，I2分别为在纤芯和包层中光传播强度;L为干涉长度;ncoeff，ncl

eff分别为纤芯和包层的有效折射率;λ为自由空间光波长。

根据上式可得，当相位满足π的奇数倍时，干涉图样具有极小值，亦即对应透射振荡谱的波谷位置，则有:

其中，λva为k级干涉波谷的中心波长;k为整数。由此可知，只要适当设计锥形光纤的结构，就可以实现对特定波长的滤波作用。

2.3 稳频光纤激光器的系统组成

稳频光纤激光器的系统组成如图1所示。掺饵光纤EDF1的长度为3.25 m，其在980 nm波长处的吸收系数为16.5 dB/m;EDF2在1550 nm波长处的吸收系数为2 dB/m;泵浦源采用波长为976 nm的光纤耦合半导体激光器;2×2光纤耦合器的分光比为90∶10;光纤光栅的布拉格反射峰中心波长为1545 nm。本文中采用后向泵浦的方式，易于实现高转换效率，976 nm的泵浦光经过WDM耦合进入EDF1，形成粒子数反转后产生自发辐射光，自发辐射光经过光环行器后进入一段结构化的未泵浦光纤EDF2中，进而经过光纤光栅的反射选频实现激光纵模的选择。反射光再次经过光环行器和偏振控制器，90%的光经过耦合器后作为反馈继续在腔内传输，经过一系列的受激辐射放大，锥形化光纤饱和吸收体和光纤光栅的激光纵模选择，最终形成稳定的激光振荡。满足该环形振荡条件的10%的光经过耦合器形成激光输出。

图1 基于结构化光纤饱和吸收体的环形腔光纤激光器系统示意图Fig.1 Schematic diagram of fiber ring laser system based on tapered fiber saturable absorber

3 激光稳频特性实验研究

3.1 光纤饱和吸收体激光纵模选择特性

当系统中没有EDF2，即无SA的情况下，采用Bayspec光纤光栅解调仪(波长分辨率为1 pm)对激光输出的稳定性进行了检测，如图2所示。可以看出，无SA条件下，输出激光波长随时间变化产生明显波动，波长漂移量最大为3 pm。而当系统中引入5 m SA时，激光输出稳定性明显提升，波长漂移量仅为1 pm，并且波长变化的频率变小。分别对这两种激光进行了延时自外差拍频实验研究。无SA时，在0～600 MHz范围内，存在多模振荡而形成的多个强烈的拍频信号，如图3(a)所示。说明激光器工作在多纵模状态或单纵模短时稳定状态，因为该实验装置的谐振腔工作在行波状态，可断定系统此时的跳模非常严重，也就是说单纵模的稳定运转时间极为短暂。图3(b)为图3(a)的局部放大图，可知，其频率间隔为8.8 MHz。考虑到光纤激光器环形腔的腔长约为23 m，其自由光谱范围 FSR=8.8 MHz，两者基本一致。而当加入5 m SA时，在600 MHz范围内只有在100 MHz处存在单一的拍频谱线，如图3(c)所示，表明光纤激光器跳模现象得到了有效抑制，实验装置处于单频运转状态。调整偏振控制器PC至最佳位置，在1 h内拍频谱线信号稳定，未出现跳模现象。

由上述讨论可知，引入SA可以明显提升光纤激光器的稳频特性。根据公式(1)计算可得，SA的长度越长，所得等效光纤的带宽越窄，对激光器实现单纵模稳定振荡越有利。但是过长的SA长度，必然会使系统的阈值提升，降低光纤激光器的转换效率。另一方面，过长的SA，也会导致谐振腔的长度增加，从而减小纵模间隔，增强模式竞争，引起激光跳模现象。针对上述问题，对系统进行下述改进，实现低阈值光纤激光器的稳定输出。

图2 有无光纤饱和吸收体的激光波长稳定性Fig.2 Output wavelength stability of the fiber laser with and without fiber saturable absorber

3.2 锥形SA激光纵模选择特性

将未泵浦光纤EDF2的长度缩短至1 m，并对其进行拉锥操作后作为SA熔接至系统中，改进后的SA形状如图1中的局部放大图所示，两个锥形SA的腰区直径R为25 μm，两个锥区间的距离L为23 mm。针对长度为1 m的有无锥形结构SA的激光输出稳定性进行了测试，结果如图4所示。

图3 拍频信号谱线图(a)无SA;(b)无SA局部放大图;(c)5m SAFig.3 Electrical spectrum of the beating signal:(a)no SA;(b)detail with enlarged scale of no SA;(c)5m SA

图4 常规光纤SA与结构化光纤SA的激光波长稳定性Fig.4 Output wavelength stability of the fiber laser with normal fiber SA and tapered fiber SA

可知，两者激光输出波长的波动范围均为1 pm，但含有2个锥区的SA激光输出波长波动的变化频率要小很多。从图5的拍频谱线也可以看出，无锥形SA的拍频信号为多谱线结构，相比于无SA时其激光谐振腔内可起振的纵模数量减少，跳模现象得到一定抑制，但跳模依然存在;而锥形化SA的拍频谱线仅在100 MHz处存在，表明激光器的跳模得到进一步抑制，有效延长了光纤激光器单频运转时间。这说明在长度较短SA和其结构锥形化的协同作用下，可有效抑制激光跳模，实现光纤激光频率稳定输出。入射到FBG的光束和经其反射光束在SA中形成驻波干涉，由于SA较短，使得某些纵模的干涉最强，导致SA的饱和吸收，形成空间烧孔效应，而其他纵模得到有效抑制。这些干涉较强的纵模往返通过锥形结构时，经其干涉滤波，仅有某一特定纵模被优势选择在腔内形成稳定振荡，最终形成稳定的激光输出。

3.3 激光线宽与光谱特性

采用延时自外差方法［15］对改进后的激光线宽进行测试。线宽测量系统由2支3 dB 1×2光纤耦合器、中心频率为100 MHz的声光调制器、50 km单模光纤、带宽为12.5 GHz的光电探测器和具有频谱分析功能的力科示波器(WaveRunner 610 Zi)组成。该示波器的频率测量范围为0 Hz～1 GHz，最小带宽分辨率为0.1 Hz，测量动态范围为47 dB。图6为扫频中心频率为100 MHz时得到的拍频信号，经测量其3 dB线宽为8 kHz。激光输出光谱如图7所示，在不同的泵浦驱动电流下，得到稳定的输出谱线，其谱线3 dB带宽不受泵浦驱动电流增加的影响，光谱仪分析所得激光输出波长为1544.6760 nm，信噪比大于60 dB。

图5 拍频信号谱线图(a)1m常规光纤SA;(b)1m锥形结构光纤SAFig.5 Electrical spectrum of the beating signal:(a)1m normal fiber SA;(b)1m tapered fiber SA

图6 50 km光纤延迟线测量的自外差信号Fig.6 Heterodyne signal by 10km delay fiber

图7 不同泵浦驱动电流下光纤激光器输出光谱图Fig.7 Output spectrum of fiber laser under different pump driving current

4 结论

采用环形行波腔结构，以短光纤饱和吸收体和其锥形化结构的协同作用，构建了频率稳定的光纤激光器，降低了光纤激光器的阈值。实验结果表明，该激光处于稳定的单频运转状态，无跳模现象发生，其3 dB线宽小于8 kHz，光谱输出信噪比优于60 dB。

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