环形光纤激光器眼睛安全波段单频输出1W

2005/6/22/8:19来源:慧聪激光光电子网作者:Zgshan 译
    光纤激光振荡器历来就不是一个特别好的单频光源,主要原因是它们的长度太长,激光器的纵模间隔很小,识别非常困难。尽管,超过100W的单频输出已经从经放大的光纤振荡器中得到,但是这些系统,放大后的自发辐射噪声很高。此外,它们还很复杂和昂贵。

图1.环形激光器采用4个无芯硅石光纤维泵浦,这些光纤围绕着激活光纤,将泵浦光的消失场耦合到激活光纤之中。 该图©OSA。

    图1.环形激光器采用4个无芯硅石光纤维泵浦,这些光纤围绕着激活光纤,将泵浦光的消失场耦合到激活光纤之中。 该图©OSA。

   最近,位于Tucson的Arizona光学中心的研究人员,从环形结构的未经放大的光纤振荡器中,获得了1W的单频输出功率,输出波长为1.5μm。他们说,这是以前用该方法获得的最大输出功率的5倍。
   环形结构是使科学家们得到高功率输出的关键之一。另一个关键是采用了重掺杂磷酸盐玻璃纤维, 使他们能将光纤的长度缩短到了0.6m左右,从而增加了纵模间隔。第三个关键是添加了另外一个用来选择单频的频率识别元件。

图2

    图2.单个光纤布拉格光栅的反射率,具有约7.5GHz(红线)的带宽。在加入第二个光栅时,这一对光栅起的作用就像是一个低精度的法布里-珀罗标准具,它的反射峰要窄得多(绿线)。通过用压电传感器来调整光栅周期,研究人员可使反射峰适合于所选纵模的需要(蓝线)。垂直的箭头代表激光器的纵模, 纵模间隔为340MHz。

    整个光学系统包括:一个环形光纤, 一个确保在环中单向振荡的光学循环器,和一个将光反射到循环器光纤的布拉格光栅(图1)。在这个安排中,第一个光栅主要为谐振腔提供反馈;第二个光栅则是为了提高谐振腔的频率识别能力。
    环形结构对单频激光器是有好处的,因为它避免了空间烧孔效应。这种烧孔效应通常会在线性腔中发生,当二个相反传播的波发生干涉形成驻波时,就会烧孔效应。在驻波的节点电场为零, 而且节点的粒子数反转不会对输出功率作贡献。在光纤环形激光器中,只存在沿顺时针单向传播的波,不可能形成驻波。所有反转的粒子都对激光输出功率有贡献。

图3

    图3.波长为1.5μm的输出功率随975nm输入功率线性增加。插图表明:放大的自发辐射背景为60分贝,比信号水平低,该结果比通常用振荡-放大结构得到的结果要清楚得多。

    纵模之间的频率间隔与激光器长度成反比,光纤激光器一般有几米长,以确保有足够的激活离子(即有足够的单通增益)让激光器达到阈值。对这种拥挤不堪的纵模(例如,对一个3米长光纤的激光器来说,相邻纵模间隔仅为50MHz)结构来说,想从中挑选一个纵模是非常困难的。

   为了避开这一麻烦,研究人员采用了高浓度激活离子的光纤,这样就可以缩短谐振腔的长度。他们将一根长11cm的包泵、重参杂(1%Er3+,8%Yb3+)磷酸盐玻璃光纤叠接光纤环中,使谐振腔长度缩短到60cm左右,从而使纵模间隔增加到340MHz。

   但是,这样的间隔对于单频的稳定运转来说,仍然不够大。将光反射到循环器中的光纤布拉格光栅进一步提高了谐振腔的频率识别功能,使3分贝的带宽达到7.5GHz。但这样做,又使纵模间经常发生跳模。为了消除跳模,研究人员便在装置中增加了第二个光纤布拉格光栅。这两个光栅一起,构成了一个低精度的法布里-珀罗标干涉仪,它的反射峰间隔等于由它的自由光谱范围(free spectral range*)。

    这些单个的反射峰比来自单光栅的反射峰窄得多,从而为挑选单纵模提供了足够的频率识别能力(图2)。在这个实验装置中,放在光纤布拉格光栅之间的压电传感器允许研究人员将反射峰精确地设定在所要的纵模上。

    激光器的输出功率随输入功率线性增加,直到最大值1W(图3)。在700mW以下的任何功率下运转,均不会出现跳模。因为没有采用热稳定装置,因此,在700mW以上运转时,他们观察到了缓慢的跳模,这是由热引起的谐振腔长度漂移所引起的。他们相信:这一现象可通过在腔中添加稳定装置消除。
 
* 译者注:free spectral range=c/2L,c为真空光速,L为腔长。
















 

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