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1背景介紹

光纖激光器因其具有良好的光纖耦合性、波長選擇性、高功率等優(yōu)點, 引起了學(xué)者們的廣泛注意,不同結(jié)構(gòu)及特性的光纖激光器不斷研制成功。具有任意偏振狀態(tài)的光波都可以看成是兩個*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(tài)保持不變, 但由于光纖制造工藝及應(yīng)力、溫度等因素的影響, 使傳輸光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象, 具有不同傳輸常數(shù)的兩個正交偏振模式會產(chǎn)生模式耦合, 這種模式耦合的隨機(jī)性就造成了輸出光波偏振狀態(tài)的不穩(wěn)定。在光纖陀螺、光纖傳感、非線性變頻、相干光束組合等許多領(lǐng)域需要輸出激光保持穩(wěn)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激光器具有十分重要的意義, 單偏振光纖激光器已成為目前研究熱點之一。 

光纖激光器的研究背景

光纖激光器的研究始于20世紀(jì)60年代。早在1961年,美國光學(xué)公司的E.Snitzer等就在光纖激光器領(lǐng)域進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作,但由于相關(guān)條件的限制,其實驗進(jìn)展相對緩慢。1966年,華裔科學(xué)家高餛在他的論文中解決了石英光纖損耗的理論問題,提出了研制低損耗光纖的可能性。1970年,美國康寧公司研制成功了根低損耗光纖。而80年代英國southampton大學(xué)用MCVD法制成了低損耗的摻餌光纖,從而為光纖激光器帶來了新的前景。近幾年,光纖激光器成為激光領(lǐng)域的熱門研究課題,在現(xiàn)代光通信、光傳感、材料技術(shù)、生命科學(xué)及精密加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與半導(dǎo)體激光器和固體激光器相比,其具有很多優(yōu)點:抽運(yùn)閉值低、轉(zhuǎn)換效率高、散熱效果好、調(diào)諧范圍寬、耦合效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等。目前,光纖激光器的研究熱點主要集中在窄線寬光纖激光器、高功率光纖激光器和超短脈沖光纖激光器等方面。而窄線寬光纖激光器又是光纖激光器發(fā)展的一個重要方向。它除了具有上述光纖激光器的特點外,還以其窄線寬、低噪聲等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于光纖傳感、光纖遙感、高精度光譜及光纖通信領(lǐng)域。

2光纖激光器的工作原理

光纖激光器主要由三部分組成:產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)、為光子提供正反饋并在增益介質(zhì)中諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵增益介質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦源。

纖芯摻稀土離子的光纖作為增益介質(zhì), 兩個反射鏡放置在一段摻雜光纖的兩端, 構(gòu)成諧振腔。泵浦光經(jīng)耦合系統(tǒng)從反射鏡1 進(jìn)入摻雜光纖, 摻雜光纖中的稀土離子吸收泵浦光的能量后發(fā)生能級躍遷并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 受激輻射出光子能量, 經(jīng)過提供正反饋的諧振腔來回激勵振蕩, 當(dāng)滿足光強(qiáng)增益大于其損耗及相位改變量為2π整數(shù)倍的輻射光波將起振形成激光振蕩, 從而產(chǎn)生激光, 經(jīng)反射鏡2 輸出。

3單偏振光纖激光器實現(xiàn)方法

通常將輸出激光只出現(xiàn)一種偏振態(tài)的激光器稱為單偏振激光器。嚴(yán)格控制激光器各組成部分對光偏振狀態(tài)的影響, 可以有效地實現(xiàn)單偏振激光輸出。以下主要從摻雜光纖、偏振光學(xué)器件及激光諧振腔三方面介紹實現(xiàn)單偏振光纖激光器的常用方法, 保證輸出激光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(zhì)的激光器是實現(xiàn)單偏振輸出常用的方法。目前Andrea 提出了一種基于摻雜保偏光纖的新型結(jié)構(gòu)光纖激光器,它采用摻鉺保偏光纖作為增益

介質(zhì), 2 個FBG 和2 個反射鏡共同組成諧振腔,FBG 構(gòu)造的F —P 標(biāo)準(zhǔn)具實現(xiàn)縱模選擇, 腔內(nèi)嵌入偏振分束器和高反射鏡可以獲得兩個正交偏振模式激光共享一個諧振腔, 有效地消除了噪聲影響和空間燒孔效應(yīng)。

利用摻雜保偏光纖設(shè)計的光纖激光器結(jié)構(gòu)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帶寬受限, 傳輸損耗大等因素, 使其應(yīng)用受到了限制, 因此研究學(xué)者一直在探索使用普通摻雜光纖實現(xiàn)單偏振激光輸出的方法。

偏振控制器

偏振控制器可以將輸入的任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馓囟ㄆ駪B(tài)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蕩激光的偏振態(tài), 從而保證輸出激光長期保持偏振態(tài)不變。常規(guī)環(huán)形腔單偏振光纖激光器簡化結(jié)構(gòu), 波分復(fù)用器（WDM）, 環(huán)行器和耦合器都是偏振無關(guān)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(xiàn)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(gòu)造的激光器的偏振特性, 偏振特性的改善程度主要取決于PC 的消光比, 具有較高消光比的PC 可以保證輸出激光的良好偏振特性, 但這種方法會引起激光輸出功率的明顯波動。因此應(yīng)對常規(guī)環(huán)形腔單偏振激光器進(jìn)行改進(jìn), 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(dāng)光功率和摻鉺光纖長度合適時, 誘發(fā)空間燒孔現(xiàn)象, 形成自寫入光纖光柵, 在抑制跳模實現(xiàn)縱模選擇的同時, 抑制了邊模激光, 使得輸出功率穩(wěn)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(gòu)造光纖激光器的常用器件。利用保偏FBG 和傾斜FBG 可以構(gòu)成激光器偏振分離反射腔,以實現(xiàn)對激光偏振態(tài)的控制。

在高雙折射光纖中寫入FBG 制成的保偏FBG（PFBG）具有明顯的各向異性反射率, 將其作為激光腔的反射鏡構(gòu)成偏振分離反射腔, 從而實現(xiàn)激光器的單偏振輸出。文獻(xiàn)[ 10] 報道了基于三光柵實現(xiàn)的新型單偏振雙波長光纖激光器, 它由兩個窄帶普通FBG 和一個寬帶PFBG 共同構(gòu)成兩個獨(dú)立的光學(xué)諧振腔。在PFBG 中傳輸?shù)墓獠ū黄穹蛛x, 因此PFBG 存在兩個反射峰, 分別對應(yīng)兩個正交偏振態(tài)。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(yīng), 兩個正交偏振態(tài)分別諧振在獨(dú)立的腔中, 消除了模式競爭, 兩端同時激射實現(xiàn)單偏振雙波長激光輸出, 消光比達(dá)46 .7 dB , 輸出激光偏振度為98 .5 %。

傾斜FBG（TFBG）在大角度傾斜狀況下其*的耦合輻射模具有偏振敏感特性 , 也已經(jīng)成功地運(yùn)用于光纖激光器中的偏振控制。文獻(xiàn)[ 12] 提出了基于45°TFBG 的單偏振可調(diào)諧摻鐿光纖激光器。輸出波長為1 .06 μm , 功率大于6 dBm , 在25 nm 可調(diào)波長范圍內(nèi), 偏振度大于99 .8 %。 

利用FBG 的光纖激光器雖然簡單、有效, 但限制了激光輸出功率, 大多只能用于低功率應(yīng)用領(lǐng)域。為實現(xiàn)較大功率輸出, 可以采用大模場面積摻雜光纖構(gòu)造諧振腔[ 13-14] , 雙包層結(jié)構(gòu)光纖具有較大的纖芯直徑和較小的數(shù)值孔徑, 減少了光纖的功率密度,進(jìn)而提高了產(chǎn)生非線性效應(yīng)的閾值, 功率轉(zhuǎn)換效率高, 所以當(dāng)泵浦功率達(dá)到一定時可實現(xiàn)高功率激光穩(wěn)定輸出。

4頻單偏振光纖激光器的研究意義

作為當(dāng)代激光技術(shù)的核心之一,光纖激光器具有舉足輕重的研究意義, 單頻光纖激光器實現(xiàn)了激光窄線寬單縱模輸出,具有較高的相干特性并滿足低噪聲要求,從而成為空間傳感、相干通信和高密度光譜分析等領(lǐng)域應(yīng)用光源的。普通的光纖激光器諧振腔內(nèi)符合增益區(qū)閾值振蕩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(dǎo)致很強(qiáng)的拍頻噪聲[6]。因此單縱模光纖激光器應(yīng)運(yùn)而生,采取飽和吸收體、自注入反饋[7]、短腔法以及多諧振腔結(jié)構(gòu)等選頻措施,有效地抑制跳模,提高激光單色性及輸出穩(wěn)定性。近年來,各類結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器不斷見諸報道,在激光雷達(dá)、空間探測、高精度傳感系統(tǒng)、相干波束等領(lǐng)域相繼得到了應(yīng)用。為了滿足精密分析和大功率應(yīng)用,單頻光纖激光器的輸出方向性、穩(wěn)定性和輸出功率仍需進(jìn)一步提升。

而激光器的偏振特性作為影響發(fā)射激光功率的重要因素,同樣被視為重要研究分支。由于任意偏振狀態(tài)的光波都可以看成是兩個*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(tài)保持不變,但光纖制造工藝及應(yīng)力、溫度等外界環(huán)境因素會使傳輸光纖產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。具備不同傳輸常數(shù)的兩個正交偏振模式會產(chǎn)生模式親合,引起光功率的相互轉(zhuǎn)換,這種模式耦合的隨機(jī)性就造成了輸出光波偏振狀態(tài)的不穩(wěn)定。而在光纖陀螺、光纖傳感、非線性變頻、相干光束組合等許多領(lǐng)域?qū)敵黾す獾钠裉匦砸筝^高,因此研究具備單偏振輸出特性及一定消光比的光纖激光器具有十分重要的意義,單偏振光纖激光器已成為目前研究熱點之一。綜上所述,單頻單偏振光纖激光器具有重要的研究價值。 

5發(fā)展?fàn)顩r

單偏振、單頻率的激光，主要用于進(jìn)行相干合成或光譜合成。

在單偏振光纖激光器方面，美國密西根大學(xué)采用雙包層結(jié)構(gòu)的偏振保持光纖，實現(xiàn)了單偏振激光輸出。其中內(nèi)包層形狀為八角形、纖芯直徑20 μm、數(shù)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(tài)下，纖芯中快軸、慢軸由于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(xiàn)單偏振的激光輸出。并以雙包層結(jié)構(gòu)的光纖光柵和光纖端面為諧振腔，實現(xiàn)了輸出功率405 W的單偏振，偏振度>19 dB的單橫模激光輸出，光束質(zhì)量M2=1.1，光譜帶寬1.9 nm，斜率效率為65.9%。

2006年，南安普敦大學(xué)實現(xiàn)了偏振度16 dB、光束質(zhì)量M2=1.2、功率633 W的連續(xù)激光輸出。并采用相同光纖，利用主振蕩功率放大技術(shù)，實現(xiàn)了線寬60 KHz、偏振度16 dB、光束質(zhì)量M2=1.1的單模、單偏振窄線寬的264 W激光輸出[22]。南安普頓大學(xué)利用摻硼光纖引入雙折射效應(yīng)，實現(xiàn)單偏振激光輸出。利用端面泵浦實現(xiàn)了147 W、斜率效率66%的連續(xù)激光輸出，消光比約16 dB（偏振度95%）。