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高质量种子源光纤激光器技术研发历程

连续光种子源光纤激光器的性能决定了高功率全光纤MOPA激光系统的激 光输出光谱、线宽和频率稳定性等特性。作为高质量的种子光源必须首先具有窄线宽、高稳定性和高信噪比,然后再追求可以满足不同应用需要的其他功能特性,如波长可调谐、单/双波长可切换以及双波长间隔可调谐等。在过去的二十多年时间里,研究者们一直在寻求可以实现单频窄线宽激光输出的方法,也陆续提出了基于不同技术的单频窄线宽光纤激光器,尤其是在1.5μm波段的掺铒光纤激光器,因为其所在波段为光纤通信低损耗窗口,考虑到长距离通信和传感的需求,对于激光输出相干特性要求很高,需要激光具有较窄的线宽,使得掺铒光纤激光器在窄线宽方面发展比较迅速,线宽也达到了kHz量级的水平。在近几年,研究者们开始对具有不同性能的单频窄线宽光纤激光器进行研究,也开始不断追求输出激光的高稳定性和高信噪比等特性。

  1.1单频窄线宽光纤激光器研究与发展

  早在1986年,Jauncey等人就已经提出了窄线宽的概念,他们使用掺钕光纤结合光纤Bragg光栅在1084nm处得到了激光输出,经过使用Fourier转换Michelson干涉仪测量,得到激光输出线宽为16GHz;然而,由于只是使用了线腔结构,腔长较长,激光器没有实现单频运转。

  直到1990年,Iwatsuki才首次真正地得到了单频窄线宽的激光输出,使用的是环形腔结构,配合一个1 nm谱宽带通滤波器,使用15m长掺饵光纤作为增益介质,成功得到了单频激光输出,并且首次使用延迟自外差干涉仪 (Delayed Self-Heterodyne Interferometer, DSHI)对激光线宽进行了测量,线宽达到1.4 kHz,是截至当时线宽最窄的激光器,而且该激光器还提供2.8nm的波长可调谐范围 。

  1991年,Gowle等人提出了一种新型的环行腔光纤激光器,通过使用分布Bragg反射镜作为波长初选滤波器,在1552nm波长处得到了稳定的单频激光输出,使用延迟自外差法测量得到激光线宽小于10 Hz,测量分辨率受限于使用的25km延迟线长度。

  同年,Park等人也提出了基于环形腔结构的单频激光器,在谐振腔内使用了两个Fabry-Perot (F-P)滤波器,该激光器输出具有当时最高的稳定性,阈值仅为1OmW,而且具有宽达30nm的可调谐范围;然而,激光器的输出信噪比较低,仅为35dB,而且研究者们并没有对激光器的线宽特性进行测量。

  1992年,Laporta等人利用铒/镱共掺磷酸盐玻璃光纤制作了腔长仅为 2.5mm长的超短腔光纤激光器,在1532.2nm波长处得到了15mW的激光输出,测得的线宽小于lOkHz。

  同年,Zyskind等人也报道了短腔光纤激光器,通过在掺铒光纤上直接写入一对Bragg光栅制作了腔长仅为2cm的谐振腔,利用F-P干涉仪测量激光器处

  于单频运转状态,由于分辨率限制,他们只是证明了激光的线宽小于6MHz,没有对其实际线宽进行进一步的研究。

  1993年,Chernikov等人分别提出了单波长和双波长短腔光纤激光器,两种激光器都可以运行在单频状态;提出的单波长激光器输出线宽为30kHz,双波长激光器输出线宽为16kHz,频率间隔为59GHz。

  1994年,Horowitz等人首先报道了使用未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体进行多纵模抑制,经验证模式抑制效果显著:基于线形腔结构实现了单频窄线宽激光输出,线宽仅为几kHz。同年,Kringlebotn等人通过在铒/镱共掺光纤上写入相移Bragg光栅首次制作了DFB单频光纤激光器,使用的有源光纤长度为2cm,输出功率为2mW,但是没有对激光器的线宽特性进行研究。

  1995年,Cheng等人报道了基于饱和吸收体的环形腔单频掺铒光纤激光器,在1535nm处得到了6.2mW的激光输出,线宽小于950Hz,但是激光器的长期稳定性较差。同年,Guy等人通过在环形腔中加入相移Bragg光栅作为超窄带滤波器制作了光纤激光器,在1550 nm波长处得到了线宽小于2kHz的激光输出,这也是世界上首个使用光纤Bragg光栅作为窄带滤波器的报道。

  1996年,Gloag等人报道了使用光纤Bragg光栅作为波长初选滤波器的Sagnac型环形腔光纤激光器,在1530nm处得到了1.6mW的单频激光输出,受测量分辨率限制,线宽小于37kHz。

  同年,Chang等人首次报道了使用扭模技术实现单频激光输出,提出的激光器使用了三个偏振控制器(PC),输出波长为1534nm,线宽小于l0 kHz。

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