基于自锁模的全光纤调Q激光器的设计

曾晶，任海兰

（武汉邮电科学研究院 湖北 武汉430074）

基于自锁模的全光纤调Q激光器的设计

曾晶，任海兰

（武汉邮电科学研究院 湖北 武汉430074）

基于锁模光纤激光器研究现状，及最新的全光纤化调Q方法，本文采用光纤的非线性偏转（NPR）效应进行自锁模，以及窄带滤波器与光纤布拉格光栅FBG进行调Q的技术。创新性的将这两种技术相连接以构建低重频、窄脉宽的全光纤激光器系统。通过所搭建的系统试验，最终得到脉宽在纳秒量级，脉冲间隔为80n（重频12.5MHz）左右的锁模脉冲。

自锁模；调Q；FBG调谐；NPR效应；全光纤激光器

光纤激光器以效率高、功率大、灵活、体积小等特性得到了人们的青睐［1］。目前，单脉冲能量在微焦量级、重复频率在千赫兹量级的激光在微机械加工以及眼科、牙科等医疗方面有很好的应用前景，而现今主要集中在调Q、锁摸来实现低重频、窄脉冲的性能。

1 光纤激光器的锁模技术研究进展

目前利用锁模技术，可以得到单脉冲能量1 uJ～1m J的激光脉冲，但其重复频率一般高达10～100 MHz［2］。国内外研究者为了保证获得足够的相移，一般采用的较长光纤。

俄国激光系统实验室Sergey Kobtsev等人通过加长光纤长度的方式，其装置图如图1所示，利用该装置得到了Repeat frequency 77 kHz，Impulse peak power 3.9 uJ的脉冲激光。但这种方法所需光纤长达3.8 km［3］。

图1 利用长纤长度减少重频的自锁模激光器

光纤较长使得其受温度和压力的影响变得很明显，在某些应用场合中，对激光器保持稳定性很不利。因此，一方面是要尽量缩短光纤的长度，另一方面要降低其重频，这就要依靠调Q技术来加以控制。

为了得到低重复频率的锁摸激光的输出，C.Cuadrado-Laborde等人将主动调Q技术与自锁摸技术结合起来。其结构如图2［4］。

图2 通过加长光纤长度降低重频的自锁模激光器

利用FBG调Q输出锁摸脉冲。当实验中只有锁摸输出时，得到了Pulse width700 ps，Impulse peak power530 mW，Repeat frequency4.1MHz的激光输出。而当调Q锁摸输出时，得到Repeat frequency在千赫兹量级，Pulse width0.68uJ的激光输出。

2 All-fiber Q-sw itch laser的常用调Q方法

实现全光纤化调Q最简单的方法是FBG调谐［5］。其结构如图 3，主要依靠对光纤布拉格光栅的调谐实现对 Laser resonator损耗（Q值）的调节。

图3 FBG构成的Q开关

根据FBG反射中心波长公式：

改变光栅栅格间距（比如伸缩，侧压）或者改变有效折射率，都会使得中心波长发生移动。当构成Laser resonator的两个FBG反射峰重合时，Laser resonator处于低损耗高Q值的状态［6］；当其中一个FBG因拉伸或其他原因中心Prague wave length发生移动时，两个FBG就不再构成Laser resonator，则激光器处于高损耗低Q值状态。如果对FBG进行高频调谐，就可以实现调Q。 利用该装置，选用长度大于2m的光纤，Pump Power大于180mV，M.V.Andres等人得到的输出Impulse peak power达到几瓦水平，同时Repeatfrequency达到200 kHz［7］。

另外一种调Q是利用磁制伸缩材料构成的调制器进行FBG调谐，其中磁制伸缩材料构成的调制器结构图4。M.V. Andres等人将该调制器放在装置图4中，进行调Q［8］。装置图如5［9］所示。

图4 磁致伸缩材料构成的FBG调制器及其控制电路

图5 利用磁致伸缩调制器设计的全光纤调Q激光器

此系统可得到输出Single pulse大于10 uJ，Pulsewidth约200 ns，Impulse peak power可大于50W［10］。

3 基于自锁模的All-fiber Q-sw itched laser的设计

3.1 设计目的及方法概述

利用光纤的非线性偏转（NPR）效应进行自锁模以及通过窄带滤波器与FBG结合进行调Q的相关技术，并将二者结合，实现低重频、窄脉宽的All-fiber Q-switched laser。

在self-mode-locking的实现上，通过Polarized isolator与Polarization controller的结合，可实现激光器的窄脉冲输出［11］。调Q方面，主要利用FBG与磁致伸缩材料结合后，光纤光栅FBG的反射波长可调谐来实现主动调Q，因此实现输出的低重频。

3.2 锁模方案

根据光纤的非线性双折射效应，利用非线性偏振旋转效应来实现self-mode-locking［12］。

将一个 Polarized isolator（PI） 放在两个 Polarization controller（PC1）和（PC2）之间作为自锁模元件，再插入全光纤构成的环形腔中，起到隔离和偏振的效果［13］。调节PC1可使得经过PI输出后的激光脉冲光为线偏振光，再经过PC2后又转变为椭圆偏振光［4］。在环形光路中，随着激光脉冲的传播，其偏振态会发生非线性地变化。这是由自相位调制和交叉相位调制产生的相移强加于正交偏振器件所引起［14］。

两个Polarization controller（PC1、PC2）和Polarized isolator（PI）相结合，实现脉冲中心高强度的部分通过，两侧低强度的部分被减弱。这样，经过全光纤环形腔的循环后，脉冲宽度将变窄一些，多次循环后就可以输出一个脉宽极窄的脉冲。

3.3 调Q方案

根据Bragg conditionλ=2nΛ可知，光纤光栅的反射中心波长由光纤有效折射率n，栅格间距Λ决定［15］。窄带滤波器可用来限定特定波长的光波在极窄线宽内通过。利用二者对于光波波长的这种敏感特性，就可以构成一个Q开关。这部分还需要用到的一个器件就是光纤环形器，其1端、3端分别作为该单元的输入端、输出端与光纤环形腔相接，2端后接窄带滤波器，其后接一半反半透的光纤光栅，该光纤光栅之后是整个激光器的输出端。

以输出光波长为1 530 nm为例说明Q开关的过程，此时Narrow band filter的通光中心波长为1 530 nm。当有光波经环形器1端进入该单元后，首先通过Narrow band filter，大部分波长偏离1 530 nm较大的光波被其吸收，只有波长在1 530 nm附近极窄线宽范围内的光波能够通过。通过的光波将到达光纤光栅，由于光纤光栅受Giantmagnetostrictivemateria（GMM）的伸缩控制，而GMM的伸缩受加在其上的调制信号控制，故其反射中心波长会随着调制信号不断变化。当光纤光栅的反射中心波长为1 530 nm时，对应于Q“打开”状态，反射后的光波再经过窄带滤波器时仍可正常通过，进而由环形器的3端回到Optical loopmirror中继续被放大、压缩脉宽，而那些不在光纤光栅反射中心波长范围内的光波就会透过光纤光栅损耗掉了，不会回到Optical loopmirror中被继续放大；当1 530 nm的光波经过放大、压缩脉宽到一定程度的时候，就可以通过调节加在GMM的调制信号，使光纤光栅的反射中心波长在一瞬间不在是1 530 nm，对应于Q“关闭”状态，此时经过放大、压缩脉宽后的1 530 nm光波就会透过光纤光栅形成激光输出，然后调制信号又马上回到原来的大小，重复Q“打开”与“关闭”的过程，实现主动调Q。结合实验室中现有的条件，磁致伸缩材料对于光纤光栅能够实现稳定、精确地控制，保证Q开关“打开”与“关闭”的时间时机准确。

3.4 系统整体

调Q技术实现的激光器重频可控，但脉宽较宽在几百纳秒量级，自锁模技术可实现皮秒至纳秒量级的窄脉宽输出，但重频较高，且不可控。

将两种技术相结合实现窄脉宽、低重频的All-fiber Q-switched laser，装置图如图6所示。环形器、窄带滤波器、FBG（附有磁致伸缩传感器）构成了调Q部分。通过调节加在磁致伸缩传感器上的磁场就可以实现对FBG反射中心波长的调谐，进而实现Q开关的“打开”与“关闭”。自锁模部分则是通过将一个Polarized isolator（PI）放在两个Polarization controller（PC）间来构成。再经过EDF进行增益放大，后输出激光。

图6 基于自锁模的全光纤调Q激光器

4 结束语

利用所搭建的基于自锁模的全光纤调Q激光器，已获得脉宽在纳秒量级，脉冲间隔为80 n（即重频为12.5 MHz）左右的锁模脉冲。整个腔长L=15.5 m，平均折射率n=1.5，根据脉冲间隔t=nL/c，可得重频t=77.5 ns。

该系统设计主要创新点在于既通过QML L（Q-switched mode-locked laser）技术实现窄脉宽、低重频光纤激光器的全光纤化，又通过将光纤光栅与窄带滤波器的结合使用来实现更加精细化的Q开关。

该系统在搭建和实现存在一些不足。例如DCF本身的损耗要比SMF大，插入DCF的长度与其色散效果需取折中。由于NPR效应对光纤内运行的光强有着强烈地依赖，以致于每次变化泵浦功率时均需要对PC进行调节。

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Design of all-fiber Q-sw itch laser based on self-mode-locked

ZENG Jing，REN Hai-lan
（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

Based on the latest research progressofmode-locked fiber laser，aswellasmethodsofQ-switch，a new laser system is proposed，NPR effect is for selfmode locking，narrow band filter and FBG is for Q-switch.Combining the twomethods，we build a system，then，through experimentswe getmode-locked laserwith pulsewidth in nanosecond，pulse interval in 80N.

self-mode-locked；Q-switch；fiber bragg grating；nonlinear deflection；fiber laser

TN242

A

1674－6236（2016）20-0075-03

2015-11-01 稿件编号：201511001

曾 晶（1990—），女，湖北汉川人，硕士研究生。研究方向：通信与信息系统、激光技术。