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单纵模光纤光栅激光器的设计

2007-01-19 18:05
Hsiao Chen
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北京理工大学信息科学技术学院   高雪松

摘要:窄线宽光纤激光器在光纤通信、光纤传感和光谱测量等领域有着广泛应用,本文介绍了一种实现窄线宽光纤激光器的线宽压缩方法,并采用双包层铒-镱共掺光纤作为增益介质,976nmLD激光器作为泵浦源,短直腔结构,光纤光栅作为腔镜,实现中心频率在1550nm附近的单频激光输出,讨论了其关键技术和影响因素。

关健词:光纤激光器 压窄线宽 光纤光栅 腔形分析

1 引  言
窄线宽光纤激光器是光纤激光器发展的一个主要方向,以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感及材料技术等领域。如果只让一个纵模振荡,则构成单频激光器,单纵模光纤激光器一般可以采用短直腔、环形腔或复合腔结构来实现,也可以通过在腔内加入饱和吸收体、采用非相干技术、加入F-P标准具或使用光纤光栅等方法来抑制其它纵模起振与跳模现象。利用单频输出的激光器作为水听器、激光陀螺和自由空间光通信系统的理想光源,不仅光束质量高,而且相干性能好,稳定性强,一直被众多科研单位所关注。

2 单纵模光纤激光器的设计
采用双包层铒-镱共掺光纤作为增益介质,976nmLD激光器作为泵浦源,短直腔结构,光纤光栅作为腔镜,实现中心频率在1550nm附近的单频激光输出。

采用双包层Er3+-Yb3+双掺杂光纤,短直腔结构,高反射率光纤光栅做腔镜实现单频输出。在Er3+-Yb3+光纤中Yb3+离子吸收1μm附近泵浦光,将能量转移给Er3+离子实现1.5μm光放大。Yb3+离子吸收截面大,可实现高浓度掺杂,Er3+-Yb3+光纤对泵浦光吸收能力比普通掺铒光纤高出三个数量级。Yb3+离子在1μm附近吸收带较宽(0.94μm~1.06μm)[3],故短光纤就能吸收泵浦光能量,而短腔长利于实现单频。如图1所示,泵浦源为光纤耦合输出中心波长976nmLD,百mW输出功率,增益介质为短掺杂光纤,两端分别焊接全反射和部分反射(反射率分别在98%以上和89%)光纤光栅作为端镜形成谐振腔。


(1)光纤谐振腔结构设计
全光纤型掺Er-Yb光纤激光器谐振腔由一对平行设置的光纤光栅反射镜组成。若输入、输出光场分别为E0、Ei,令两个反射镜的透射率和反射率分别为t1、r1和t2、r2,掺Er-Yb光纤长度及损耗系数分别为L和α,则出射光强与入射光强之比为[4]
 

可知,当腔长为激光半波长的整数倍时,各级反射波与入射波会相干相长出现谐振。该条件与(2)式中 的条件一致。
 


若激光谐振腔腔长为L,若L足够小使得纵模间隔大于阈值以上增益谱线的半宽度,可确保只有一个纵模的增益高于阈值,激光振荡即可产生单频。如图2所示,激光产生单频振荡满足公式:
 

 

(2)LD泵浦源与温控技术
光纤激光器的特性对泵浦源性能的依赖性很强。例如泵浦效率,寿命,尺寸和价格等都直接影响最终器件的性能。而相比较而言,光纤激光器掺杂光纤的制备成本较低,稳定和寿命较长。所以泵浦源的选择对光纤激光器和放大器的研制具有决定性的影响。

光纤激光器最佳抽运的选择标准是:(1)抽运效率高;(2)激发态吸收(ESA)效应要小。通常以σESA/σ0的比值大小来衡量ESA的影响程度,其中σESA,σ0分别代表掺杂光纤的激发态吸收截面和基态吸收截面。显然比值σESA/σ0越小越好。最佳抽运波长是980nm和532nm。波长为532nm的抽运光源可以选用YAG倍频固体激光器。但由于该光源体积庞大,故只能在实验室使用。波长为980nm附近的抽运光源可以选用大功率LD,由于器件体积小、效率高,因此是理想的抽运光源。

采用高功率LD作为泵浦源具有很多优点:(1)可实现高功率输出;(2)光纤耦合输出便于与增益光纤进行耦合;(3)可靠性高;(4)其几何宽面使得激光器断面上的光功率密度很低且通过活性面的电流密度亦很低;(5)泵浦二极管可靠运转一般超过100万小时的寿命。

由于LD的工作波长随器件温度的变化漂移很大,而Yb3+在976nm处的吸收峰带宽仅8nm,为使泵浦光工作波长与光纤吸收谱相匹配,需要精心设计LD温控系统,使其工作波长的漂移量控制在吸收峰半宽度范围之内(≤±2nm)。本方案采用高精度数控电路进行控温与调节,目前控温精度可达到0.050C左右。

(3)光纤光栅技术
Bragg光栅产生的原理是利用光纤具有光敏特性,在周期性光强作用下沿着光纤轴向方向感生周期性折射率变化。光折变效应由已知的Kramers-Kronig关系式得出。另外,光纤纤芯材料结构释放诱导应力及构型畸变对光折变效应的产生也有重要影响。如果用特定波长的激光干涉条纹从侧面辐照光纤,光纤内的折射率就会随着光强的空间分布发生相应的周期性变化并保存下来,成为光纤光栅。光纤的光敏性是在光纤中形成Bragg光栅的关键。将光纤需制作光栅的部分去掉保护层,然后置于(20~150)×105Pa的氢气高压容器中,氢气浓度23000~85000PPM(1 PPM定义为每个SIO2分子有10-6molH2),在常温(21~75℃)下渗氢数百小时或数天。氢载处理后的光纤光敏性可提高几十倍到几百倍,折射率改变可达10-2数量级[5]。
光纤Bragg光栅具有谐振波长 (也称中心波长或Bragg波长),它的反射谱是 函数。Bragg光栅相当于一个以 为中心的窄带滤波器,并具有两个重要参数:带宽 和峰值反射率Rmax。通过改变光纤Bragg光栅的周期和折射率可获得不同的 、 和R,也即光栅的周期、长度及折射率调制深度决定了光栅带宽及窄波长范围内反射率的高低,从而使Bragg光栅适用于不同的领域。
光纤芯中的折射率调制周期Λ由下式给出:
 

理论分析表明,在透射情况下,光功率在两个波之间“振荡”。适当地选择光纤光栅的长度,就可使能量完全转换。在反射情况下,两个波之间无光功率振荡,入射波振幅和反射波振幅两条曲线几乎是重合的。如果光栅长度足够长,能量就能由入射波完全转换到反射波。进一步增加光栅长度也不会有更大的影响。在这种情况下,光栅长度的调整完全不是临界的,只要光栅长度足够长,总会达到光功率完全转换的结果。因而,通过控制光栅强度和光栅长度,目前光纤光栅的反射率可从0.1%-99.7%。

在短腔光纤光栅激光器中,由两个布拉格光栅组成的激光振荡腔制作工艺相对于采用一个布拉格光栅与一个介质反射镜的方式简单得多。本实验采用同一模板写入一对光栅。为了提供足够的激光输出,选择其中一个低反射率的布拉格光栅作为激光输出端,另一高反射率布拉格光栅为反射镜。布拉格光栅的峰值反射率Rmax可表示为:
 

因此,利用(8)~(11)式可以确定光栅反射率和布拉格波长,光栅长度等参数。

(4)光纤端面处理与精密调整技术
用于实验的激光系统采用端泵方式,为提高泵浦光的入纤效率,要求泵浦光入射端的光纤端面有尽可能好的光学质量,同时作为输出腔镜的光纤端面更要求有高平整度、高光洁度,且与光纤的轴线垂直。因此,实验中对光纤端面的处理是非常关键的技术。由于双包层光纤的结构与常规光纤差别很大,所以常规光纤切割刀很难加工出质量完好的光纤端面。这里采用光学研磨的办法对光纤端面进行精细加工,用高倍体视显微镜进行检测,以保证光纤端面的质量。
系统中使用精密调整架夹持光纤和其它光学元件,必要时粘合或焊接。为防止震动对实验系统的干扰,整个系统置于防震光学平台上,并调节系统的各部件精确对准。

3 影响因素的讨论
基质材料的影响。基质对稀土元素光谱的影响主要表现在两个方面。一是引起Stark分裂。对于给定的电子跃迁,光谱上将出现精细结构。二是使能级加宽。一般存在两种主要的加宽机制:一是声子加宽;二是基质电场对能级的微扰所引起的加宽。给定泵浦功率下增益与线宽成反比。加宽机制对增益饱和的程度和输出谱线结构带来影响。尽管目前尚不清楚对光纤激光器影响的程度究竟如何,但可以肯定的认为加宽机制与基质组分有关。

重掺杂的影响。工作介质掺杂浓度极低时,如果入射光子数超过掺杂离子数,处于基态离子可能被耗尽,信号放大受到离子数抑制。单纯提高掺杂离子的浓度会带来两个问题。一是浓度猝灭;二是稀土元素离子在玻璃矩阵之内晶体化。因此存在一个最佳掺杂比,目前这部分工作的研究正在进行之中。所采用的Er3+-Yb3+光纤掺杂浓度为700ppm左右。

各部分器件焊接的影响。各部分器件须焊接在一起才能稳定工作,焊接过程是很重要的技术环节。由于该过程具有不可逆性,因此在该过程中控制损耗,保证焊接质量非常重要。该过程的细节参数和技术指标,以及测量方法,目前了解的不是很清楚,且该过程的随机性很大,很多细节不可预知。具体操作时需要对指标、工艺以及加工条件、洁净度指标等环节进行量化标定。

4 总结
本文介绍了一种实现窄线宽光纤激光器的腔形结构及制作方法,采用双包层Er3+-Yb3+共掺光纤作为增益介质,976nmLD激光器作为泵浦源,短直腔结构,腔长3cm,光纤光栅作为腔镜,实现中心频率在1550nm附近的单频激光输出的方案,讨论了端面泵浦、光纤光栅、光纤端面处理和精密调整等影响激光器性能的关键技术和制作方法,并对各种影响因素进行了分析和比较。

参考文献
[1]刘东峰,杜戈果,陈果夫,王贤华。掺Er3+光纤环腔激光器的初步研究,光子学报,第27卷第9期,1998年9月
[2]杨青,俞本立,甄胜来等,可调谐掺铒光纤环形腔单纵模激光器,安徽大学学报(自然科学版),2003,27(2):49
[3]H.M.Pask, R.J.Carman, D.C.Hanna, A.C.Tropper, C.J.Mackechnie, P.R.Barber and J.M.Dawes. Ytter-bium-doped silica fibre lasers:versatile sources for the 1-1.2μm region. IEEE J.Sel. Topics Quantum. Elec-tron.,1995,1:2
[4]郭玉彬,菊池和朗. 基于光纤Bragg 光栅的掺饵光纤激光器[J]. 中国激光,2000,,27(7): 581~585
[5]裴 丽,宁提纲,谢增华,简水生。光纤光栅制作方法,光纤与电缆及其应用技术,2000年第5期

 

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