基于马赫曾德尔干涉仪的可调谐掺镱光纤激光器.doc

基于马赫-曾德尔干涉仪的可调谐掺镱光纤激光器摘要：通过使用一个由两个3dB光纤耦合器构成的光纤马赫-曾德干涉仪作为内腔滤波器，展示了一个调谐范围超过20 nm的可调谐掺Yb环形腔全光纤激光器。在下文中将会详细叙述制作马赫-曾德光纤干涉仪的技术。光纤激光器在1050 nm1071 nm的频率范围内具有稳定的mW量级的输出功率，频带抑制率超过45dB，而且带宽小于0.1 nm。关键词：可调谐光纤激光器；环形腔光纤激光器；掺镱光纤；马赫-曾德干涉仪连续波（CW）和脉冲高功率光纤激光器在近几年取得了很大的进展。在所有的高功率光纤激光器中，掺Yb光纤激光器因为它们较高功率量级和效率而尤为重要。这些光纤激光器可以用作次级激光的基本泵浦源来完成谐波或参数转换。这主要是考虑到高光线质量与光纤激光器有联系。光纤激光器可以实现一个合理范围内的较宽的可调谐性，例如，掺Er光纤激光器波长范围有100 nm，但却被限制在一个小的范围内。和光纤激光器相比，光学参量振荡器（OPO）是一种可以在红外光谱区提供更宽的调谐范围的可调谐激光器。一般的，OPO的波长调谐可以通过调整所包含的非线性晶体的相位匹配角度或一些周期区域反向非线性光学晶体的光栅周期譬如PPLN和PPMgLN。如果泵浦激光器（可以是固体激光器或光纤激光器）调谐范围很宽，那么OPO的输出可以很快速的进行调谐。因此，一个由主震荡功率放大器（MOPA）构成的可调谐掺Yb光纤激光器泵浦的OPO将会有敏捷的宽的可调谐性。参考以前可调谐波长掺铒光纤激光器可以通过多种方法实现的工作，包括光纤法布里-伯罗（FFP）调谐滤波器，宽范围内可调谐布拉格光纤光栅和多层薄膜干涉带通滤波器的应用。这些应用于掺铒光纤激光器系统的光栅或滤波器在市场上可以买到而且通常成本低廉。例如，工作在1550 nm带宽的FFP可调谐滤波器拥有超过100 nm的自由光谱范围，因此制作一个掺 Er光纤激光器会很容易的覆盖一个款的调谐范围。与上面所提到的技术相比，一个工作在1 m带宽的掺Yb光纤激光器的调谐方法实因为在1m波长范围附近的内腔滤波器的限制而施起来很困难。工作在1m的FFP滤波器比那些工作在1.5m的滤波器昂贵很多，而且仅具有一个很窄的调谐范围。尽管曾经报道过一个用声光滤波器作为可调谐滤波器的外腔波长可调谐掺Yb光纤激光器，但是它包含大体积的光学组件并且使用起来太复杂。另外，由可调谐布拉格光纤光栅（FBG）构成的掺Yb光纤激光器覆盖了很宽的45 nm可调谐范围，展示了很好的表现。然而它的长期可持续性需要进一步的测试因为对布拉格光纤光栅应用高应力很可能会损坏布拉格光纤光栅。本文展示了最近在由马赫-曾德干涉仪作为内腔滤波器构成的持续可调谐掺Yb光纤激光器发展方面的工作。马赫-曾德干涉仪作为可调谐成分起决定激光器振荡波长的作用。这种全光纤激光器仅由几件普通的光学器件组成而且很容易构造。它为发展一种由二极管激光器泵浦的低成本高效率的可调谐光纤激光器提供了可能性，这种激光器具有高调谐率，中等功率，并且在1m附近具有窄线宽。这种激光器具有较广的可调谐性，可以作为高功率掺Yb光纤放大器的种源。它可能会适合于全光纤调Q环形激光系统，而这种激光系统对测距，刚度测量和激光定位器比较有吸引力。光纤激光器在1050 nm1071 nm的频率范围内具有稳定的mW量级的输出功率，频带抑制率超过45dB，而且带宽小于0.1 nm。另外它可以作为有主震荡功率放大器（MOPA）结构的包层泵浦高功率掺Yb光纤放大器的小的种源来达到广的调谐性。掺Yb光纤980nm LDWDM耦合器隔离器L150%50%L250%50%PC输出耦合器马赫-曾德干涉仪10%输出图1 基于马赫-曾德干涉仪的环形掺Yb光纤激光器原理图环形可调谐光纤激光器的结构如图1所示。激光共振器由一片长度1m的掺Yb光纤和用两个中心波长在1064nm的3dB光耦合器简单构成的马赫-曾德干涉仪组成。掺Yb光纤充当增益介质在包层直径为4m和25m分别具有在波长976nm吸收系数45dB/m。工作在976nm最大输出功率为100mW的带尾纤的激光二极管叠加到环形腔而泵浦源通过一个980/1060nm波分多路复用（WDM）耦合器。环形腔中包含一个光频隔离器来确保激光单向波长运行。一个光纤偏振控制器应用于腔内来弥补谐振器元素的残余双折射。激光发射输出提取自中心波长在1064nm的10:90输出耦合器。激光输出频谱通过一个光学频谱分析仪（OSA，AQ6317C，from Ando）检测并测量。环形光纤激光器中包含光纤马赫-曾德干涉仪对于实现稳定的宽的可调谐性是必不可少的。马赫-曾德干涉仪在环形光纤激光器中的特性曾在其应用于掺Er光纤激光器输出多波长激光的实验中研究过。通常，两个干涉仪的路径长度是不同的，如图1所示。光束在通过两个马赫-曾德干涉仪时的相位差如下式，=0L1-L2=0L (1)0是光在光纤中的传播常数，L=L1-L2是在两个干涉仪中的光程差。对于我们实验中所采用的3dB的耦合器，假定光在光纤输入口被均等的分进两个臂内，在干涉仪的输出口重组。因此，如果我们忽略耦合损耗，干涉仪的传送可以简单的写为，T=1-cos2 (2)因为与有联系，可以得到由两个3dB的耦合器构成的光纤马赫-曾德干涉仪的透射谱的特点是一系列在频域等距的传输峰值而且取决于L。波长间隔，即相邻透射峰之间，=2nL (3)N是激光模式的有效折射率，是在自由空间中的激光波长。相邻透射峰之间的间隔规定了干涉仪的调谐范围。当干涉仪被配置于环形光纤激光器，激光输出波长与透射峰位置一致。通过实现调整干涉仪的路径差，然后轻微的伸展干涉仪的短臂减小两个干涉仪之间的路径差L来实现调谐。在两个干涉仪路径差一定的情况下，可以保证激光稳定震荡在一个特定的波长。为了使光纤激光器调谐范围最大化，详细说明马赫-曾德干涉仪的特性很重要，因为它是在这个激光系统中限定激光调谐范围和随着时间变化激光稳定输出的关键光学器件。马赫-曾德干涉仪的应用方式如下。其中一个干涉仪的臂（大约10厘米）特意做的比另一个长并且分成两片，然后用熔接工具（爱立信FSU 975）对齐但不要交叠。掺Yb光纤在功率为30mW的发射泵浦下的荧光谱由美国光学协会（OSA）测定。掺Yb光纤在1030nm到1130nm范围内有较宽的荧光谱，在1063nm达到峰值。然后测量穿过光纤干涉仪的来自掺Yb光纤的荧光信号，如图2所示，由透射峰谱的波长间隔评价值，根据公式（3），我们可以估计路径差L0。如果估计的调谐范围因为夸大的而比预期的窄，应该用一种在文献（14）中提到的光纤劈开技术把额外的路径差去掉。重复之前的过程直到获得的满足应用要求，然后接合两个臂的光纤末端来完成马赫-曾德干涉仪的结构。通过对马赫-曾德干涉仪的短臂应用张力来实现激光调谐。在目前的报告中，路径差L0大约36m。在我们的实验中达到的调谐范围大约21nm，从1050.3nm到1071.5nm，如图3所示。这样的一个调谐范围与图2（b）中展示的测量到的干涉仪的反应透射峰值相一致。激光输出特性是在980nm在泵浦光率为75mW的情况下研究的。激光带宽测量为0.07nm如图4所示。可以发现性噪比（SNR）要大于45dB。激光输出功率大约2.5mW，激光边坡效率经计算接近3.3%，这个估计值通过增加输出耦合器的输出比率并且优化光纤长度和泵浦光率可以在未来得到明显提升。因为在实验中激光腔并不能去除实验环境的干扰，在实验中观察到一些模式跳跃现象。可以通过把马赫-曾德干涉仪放进一个机械阻尼振荡基去除空气和机械震荡来提高激光操作的稳定性。通过把L减至10m水平而使调谐范围延展至80nm变为可能，但对影响光纤激光器稳定操作的环境噪音必须进一步消除。最近报道的一种纳米光纤马赫-曾德干涉仪提供了一种更宽激光调谐范围、稳定激光操作的可能性，因为其在两个干涉仪臂较小的路径差和其不受空气噪音的影响。总之，一种新型的工作在1064nm持续可调谐环形掺Yb光纤激光器得到发展，实现调谐波长范围达20nm。这种可调谐光纤激光器使用了一个光纤马赫-曾德干涉仪作为其调谐构件，可以很容易的指定激光操作在某一确定的波长。本文分析了这种可调谐光纤激光器的工作原理，对通过改变光纤马赫-曾德干涉仪的路径差来获得宽的调谐能力的技术也作了详细叙述。通过实验论证得到激光波长调谐范围从1050.3nm到1071.5nm，而且这还可以通过减小干涉仪臂的路径差及减轻环境噪音影响得到进一步的拓展。激光输出功率在整个调谐范围内大于2mW，边带抑制率大于45dB，输出激光带宽小于0.1nm。参考书目：1 C. 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