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主动调Q全光纤激光器的发展评述

导读: 调Q光纤激光器的研究始于20世纪80年代中期。人们最先把已有的体Q开关应用于光纤激光器。

  引言

  调Q 光纤激光器的研究始于20 世纪80 年代中期。人们最先把已有的体Q 开关应用于光纤激光器,由于体Q 开关与光纤和腔镜的耦合效率较低,再加之耦合时需要透镜等分立式的光学元件,调Q 光纤激光器的实验装置显得比较复杂,光路对准值误差敏感,系统的失调灵敏度也较高。避免上述问题的根本途径就是研究开发调Q 全光纤激光器。20 世纪90 年代初,国外研究者们发现了光纤中基于背向受激布里渊散射( stimulated Brillouin scattering,SBS) 效应的自调Q 现象。在适当的参量和调节下,背向散射光形成比较稳定的纳秒量级脉冲光,引起光纤谐振腔的Q 值周期性地发生突变,相当于Q 开关周期性地调节光纤谐振腔的品质因数。基于SBS 效应的被动调Q全光纤激光器呈现出迅速发展的势头。紧接着,基于双光束干涉原理的主动光纤型Q 开关也为调Q 全光纤激光器的发展提供了新思路。国内南开大学和中国科学院上海光精密机械研究所等单位开展了大量研究工作,并取得了成果。国外学者对调Q 全光纤激光器的研究也一度出现了热潮。纵观国内外研究状况,调Q 全光纤激光器的研究集中于SBS 效应的被动调Q 或双光束干涉原理的主动调Q 方面,对其它被动或主动调Q 全光纤激光器的研究很少。基于SBS 效应的被动调Q 全光纤激光器的缺点是重复频率不稳定且不易调节,基于双光束干涉原理的主动调Q 全光纤激光器的可控性和开关效果( 属于慢Q 开关) 也相对较差。从目前情况看,主动调Q 全光纤激光器的发展并不完美,原因是可用的主动光纤型Q 开关仍然存在诸多缺陷。

  将传统工艺上非常成熟的声光或电光Q 开关光纤化或许是解决问题的可行途径。但就目前国内外研究状况和相关技术水平看,研究开发光纤型的声光或电光Q 开关( 尤其是波导型而非尾纤型) 应该是一项非常具有挑战性和开创性的科研工作。

  1 全光纤化是调Q 光纤激光器发展的鲜明特色

  光纤激光器谐振腔的光纤化是调Q 全光纤激光器发展的重要一步,谐振腔的光纤化应归功于光纤布喇格光栅( fiber Bragg grating,FBG) 的出现。早期,光纤激光器的谐振腔由反射镜或光纤端面的反射膜与耦合透镜组成,非光纤化的谐振腔存在耦合效率低和封装困难等问题,光纤端面的反射膜在振荡功率或抽运功率较高时容易损坏,严重制约着光纤激光器输出功率的提高。1989 年,美国的MELTZ 等人利用相干紫外光从光纤侧面成功写入了FBG,FBG 代替反射镜或反射膜成为光纤激光器研究的热点。FBG 是一种低损耗的波长选择器件,它的使用简化了光纤激光器的结构( 见图1) ,提高了光纤激光器的信噪比,压窄了输出激光的线宽,改善了激光光束质量,并可以通过施加应力或改变温度实现一定范围内的波长调谐。由于FBG 的使用,具有谐振腔功能的工作光纤与半导体抽运源的尾纤通过锥形光纤( 尺寸一致时可不用)能很容易地熔接为一体( 见图1) ,光纤之间的熔接克服了双色镜与透镜组耦合损耗大的缺点,不但可以降低光纤激光器的阈值,而且大大提高整体的光光转换效率,同时也便于光纤激光器的实用化与商品化。

图1 基于FBG 的连续波全光纤激光器

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