掺Yb3+环形光纤激光器的双波长可调谐特性

张继荣, 王 雷, 唐 毅, 徐晓峰, 康智慧, 戴振文

(吉林大学 物理学院, 相干光与原子分子光谱教育部重点实验室, 长春 130012)

双波长及多波长光纤激光器在许多领域应用广泛, 如波分复用技术、 光纤传感系统、 光学仪器测试和光信号处理等[1-4]. 目前已报道多种运行机制的双波长光纤激光器, 如双腔掺铒光纤激光器[5]、 四光纤光栅配合双腔光纤激光器[6]、 双峰值反射光栅光纤激光器[7]和基于高精细度光纤滤波器的双波长光纤激光器等[8]. 若能在双波长的基础上实现可调谐, 则将大幅度提高激光器的应用价值和实用性. 但目前对可调谐双波长光纤激光器的研究报道较少[9-10]. 此外, 在室温下实现光纤激光器多波长输出方案较多, 如在腔内插入周期性多波长滤波器[11-12]等.

利用非线性偏振旋转技术, 在环形光纤激光器中可实现稳定的可调谐双波长和多波长输出[13-14]. 本文构建了基于非线性偏振旋转被动锁模原理的掺Yb3+环形光纤激光器, 研究其双波长宽带的可调谐性, 并实现了2～7个波长的输出. 利用该原理的多波长光纤激光器可实现28个波长同时输出[15], 但本文采用的实验装置结构简单, 无需增加腔长或使用双折射光纤即可实现7个波长同时输出.

1 双波长可调谐特性

图1 掺Yb3+环形光纤激光器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of Yb3+-doped ring fiber laser

掺Yb3+光纤环形激光器的实验装置如图1所示. 由图1可见, 环形腔由中心输出波长为973 nm的激光二极管、 长度为74 cm的高掺杂浓度的掺Yb3+光纤(对975 nm的吸收为250 dB/m, 数值孔径为0.11)、 1个偏振无关光隔离器、 2个光纤准直器、 一个980 nm/1 060 nm波分复用器(WDM)、 2个1/4波片(QWP)、 1个1/2波片(HWP)和1个偏振分光棱镜(PBS)组成. 实验中保持980 nm抽运激光功率200 mW, 通过调整1/4和1/2波片的方位角, 实现了双波长可调谐输出. 利用光谱分析仪测量激光的输出波长, 所得等幅双波长输出和非等幅双波长输出分别如图2和图3所示. 由图2和图3可见, 等幅输出的调谐宽度为13 nm, 不等幅输出的调谐宽度为5 nm. 双波长的波长间隔约为19 nm, 间隔变化小于2 nm, 间隔约为19 nm的重复性最好, 可调谐性最佳.

图2 等幅双波长输出时的可调谐性Fig.2 Tunability of equal-amplitude dual-wavelength output

图3 不等幅双波长输出时的可调谐性Fig.3 Tunability of unequal-amplitude dual-wavelength output

图4 双波长输出时总输出功率随波长的变化关系Fig.4 Power of a dual-wavelength output as a function of wavelength

实验结果表明, 图1中PBS左侧1/4波片主要起波长调谐作用, 右侧1/2和1/4波片主要起双波长相对幅度调节作用. 双波长激光的波长为1 026～1 065 nm, 宽度为39 nm. 在调谐过程中, 向长波方向调谐时输出功率减小, 这是由于掺Yb3+光纤的增益曲线不平坦, 最大增益在1 030 nm附近, 其两侧增益逐渐减小所致. 图3中的长波强度无法调节到与短波相当, 这是由于长波波长距最大增益位置较远, 谐振腔的滤波作用无法弥补2个信号光的增益偏差所致.

当泵浦功率为300 mW时, 激光器输出功率随波长的变化曲线如图4所示, 其中波长为激光强度大的波长. 由图4可见, 当最大输出功率为87.8 mW时, 其转换效率为29%, 当最小输出功率为10.6 mW时, 其转换效率为3.5%. 不同波长下的转换效率相差较大, 这是由于不同波段激光增益存在差别所致.

2 泵浦功率对双波长输出的影响

下面考察泵浦功率对1 029 nm和1 048 nm双波长输出的影响. 当泵浦功率为200 mW时, 调节PBS前面的波片使2个波长等幅输出后, 分别降低和增加泵浦功率观察波长的变化规律, 结果如图5所示. 由图5可见: 当泵浦功率增加时, 短波长功率相对减小, 长波长功率相对增强, 同时2个波长均向短波方向移动; 当泵浦功率降低时, 其结果完全相反; 两种情况下的双波长间隔基本不变.

图5 不同泵浦功率下双波长的输出谱Fig.5 Spectra of dual-wavelength output at different pump powers

激光器的滤波特性受泵浦功率影响较大, 这是由于泵浦功率改变, 腔内的2个信号光和残余泵浦光的光强均随之改变, 导致光纤中的自相位调制和交叉相位调制也随之改变[16], 从而2个信号光在PBS输出前的偏振态发生改变, 最终导致双波长的位置和强度随泵浦功率的改变而有规律地变化. 本文由泵浦功率变化引起的波长漂移以及相对强度的变化可通过调节腔内波片恢复到之前的状态.

3 连续多波长的输出特性

在非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器结构的基础上可实现多波长输出[17]. 本文利用图1所示的实验装置, 在适当泵浦功率下调节波片, 实现了2～7个波长的输出, 如图6所示.

图6 不同泵浦功率下多波长的输出谱Fig.6 Spectra of multi-wavelength output at different pump powers

其中: 图6(A)为双波长输出, 泵浦功率为35～340 mW, 最大输出功率为5 mW; 图6(B)为三波长输出, 泵浦功率为43～106 mW, 最大输出功率为3 mW; 图6(C)为四波长输出, 泵浦功率为53～130 mW, 最大输出功率为4 mW; 图6(D)为五波长输出, 泵浦功率为71～161 mW, 最大输出功率为6 mW; 图6(E)为六波长输出, 泵浦功率为86～220 mW, 最大输出功率为9 mW; 图6(F)为七波长输出, 泵浦功率为106～256 mW, 最大输出功率为25 mW. 由图6可得如下规律: 激光器可输出波长的数目与泵浦功率有关, 更多的波长输出需要更高的泵浦功率; 总输出功率与输出波长数目成正比. 由图6可见, 激光器的转换效率较低, 这是因为偏振滤波系统对高强度光的损耗较大所致; 当泵浦功率高于或低于上述泵浦区间时, 个别谱线会消失; 调节PBS右侧1/2波片可控制各激光谱线的相对强度.

综上, 本文构建了基于非线性偏振旋转机理的掺Yb3+环形光纤激光器系统, 获得了调谐宽度为13 nm的等幅双波长激光输出和调谐宽度为5 nm的不等幅双波长输出, 并考察了泵浦功率对1 029 nm和1 048 nm双波长输出特性的影响. 利用该激光系统实现了2～7个波长的输出, 测量了其泵浦功率区间及最大输出功率, 并分析了多波长的输出规律.

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