光纤激光器讲座2

调Q光纤激光器

锁模光纤激光器吕福云2008年12月18日调Q光纤激光器

Q开关光纤激光器是近几年激光领域最具活力的研究课题之一。自1986年Alcock首次将调Q技术引入光纤激光器以来，因为其具有结构紧凑，抗环境干扰能力强，工作稳定，插入损耗小等优点，调Q光纤激光器已经在世界范围内得到了广泛的关注，特别是在激光测距、激光打标和内雕、激光医疗、光纤分布式传感系统和光时域发射计等应用中有更广泛前景。近年来，由于工业和军事的需求，光纤激光器调Q技术的研究逐渐向全光纤、窄线宽、窄脉宽、高能量的方向发展。一、调Q光纤激光器的最新研究进展

1、声光调Q

2、电光调Q

3、可饱和吸收体调Q

4、光纤中受激布里渊散射调Q

5、全光纤调Q

二、实用化调Q光纤激光器的研制方案

1、带光纤耦合的声光Q开关

2、实用化声光Q开关Yb3＋光纤激光器

3、人眼安全实用化声光Q开关光纤激光器1、声光调Q

声光调Q一直吸引着科研工作者的兴趣，近年来有许多声光调Q光纤激光器实验的报道，其中较典型的是2001年H.L.Offerhaus小组所做的实验.实验条件：

36m长大模面积掺镱光纤.泵浦为工作波长915nm的光束整形二极管阵列。实验结果：在500Hz重复频率下可产生2.3mJ的单脉冲，平均输出功率大于5W。脉冲宽度在100ns到几个µs范围内，且随着脉冲能量增加而减小.－－2001年1、声光调Q2、电光调Q重复频率1KHz，输出脉冲峰值功率400mW，线宽小于60MHz，脉宽接近1µs

1999年H.H.Kee小组将电光Q开关引入掺铒光纤激光器中，实现了稳定的窄线宽激光输出

3、可饱和吸收体调Q

2003年，M.Laroclte等人通过饱和吸收体调Q实现了输出波长可调谐的铒镱共掺光纤激光器。当泵浦功率为2.75W时，得到调Q脉冲能量达60µJ，脉宽3.5ns，相应的峰值功率高于10kW，重复频率为5kHz，输出的激光波长在1532nm至1563nm间可调。此激光器的显著特点是得到的激光脉宽窄。3、可饱和吸收体调Q4、光纤中受激布里渊散射调Q

在2.4W泵浦下，得到重复频率180kHz，峰值功率1kW，脉宽小于1ns的激光输出。

2004年G.Ravet等人首次将RS-SBS效应应用到喇曼光纤激光器上窄线宽、宽调谐混合Q开关双包层光纤激光器April1,2003/Vol.28,No.7/OPTICSLETTERS5372003年南开大学脉冲泵浦和增益光纤中的SBS效应单脉冲能量143.1mJ

脉宽5ns波长调谐范围15.7-THz（1080－1140nm）光谱线宽0.04nm峰值功率105kW的双包层光纤激光器2003年，南开大学重复频率在500Hz－8.3kHz,在8.3kHz时，最大峰值功率为105kW,平均功率3.5W，脉冲能量0.5mJ，线宽1.6nm，中心波长1098nm，脉宽～5ns。IEEEPHOTONICSTECHNOLOGYLETTERS,VOL.15,NO.5,MAY2003724OPTICSLETTERS/Vol.29,No.7/April1,2004可调谐高功率、高能量混合Q开关双包层光纤激光器2004年南开大学脉冲宽度4.2ns调谐波长范围

1080.8－1142.7nm线宽0.05nm峰值功率175kW单脉冲能量1.57mJ

5、全光纤调Q

非光纤型调Q装置插入光纤激光器谐振腔中，增加了插入损耗，同时这些装置与光纤之间的光耦合效率很低，使激光器的阈值泵浦功率大大增加，泵浦效率降低。为解决这一问题，一些科研人员利用焊接尾纤技术或使用U型架实现了这些装置的光纤化，还有人采用全光纤调Q方式，如Sagnac环调Q、周期可调的FBG调Q、光纤型饱和吸收体调Q等。光纤激光器的调Q技术正朝着全光纤化的趋势发展。5、几种全光纤调Q激光器Ⅰ.基于声波调制的光纤衰减器调Q的光纤激光器Ⅱ.可饱和吸收体调Qa.掺杂光纤作为可饱和吸收体调Qb.晶体作为可饱和吸收体调QⅢ．带有光纤Bragg光栅的环形镜实现全光纤调Q

a.Michelson干涉仪型

b.马赫—曾特干涉仪型Ⅳ.调节FBG周期实现激光调QⅠ基于声波调制的光纤衰减器调Q的光纤激光器该激光器在290mW泵浦功率下平均输出功率为38mW，单脉冲能量7.6µJ，脉宽150ns

，峰值功率50.7W,斜率效率为13.1%。Ⅱ可饱和吸收体调Q

——a掺杂光纤作为可饱和吸收体调Q

随着泵浦功率的增加，脉冲宽度由6.4µs下降至3.0µs，而重复频率由38kHz升至84kHz。b晶体作为可饱和吸收体调Q实验测得，在1560.12nm处激光阈值功率为19.3mW。当超过振荡阈值，泵浦功率升至20.5mW时，得到稳定的高斯状脉冲，脉冲宽度依赖于泵浦功率，在3µs至15µs之间变化。Ⅲ带有光纤Bragg光栅的环形镜实现全光纤调Q

aMichelson干涉仪型

当重复频率为8kHz的正弦信号加到PZT上，泵浦功率为80mw时，有稳定的光脉冲输出，3dB带宽0.7nm，脉宽1.0µs，峰值功率1.267W。b马赫—曾特干涉仪型

2003年，Minghai小组在980nm泵浦30mW和1480nm泵浦40mW下，产生脉冲峰值功率3.4W，平均功率1.8mW，重复频率800Hz，脉宽500ns，线宽25MHz

Ⅳ调节FBG周期实现激光调Q在76mW泵浦功率下，该激光器在18.5kHz重复频率下运转，脉宽2.5-3µs

，平均输出功率360mW，斜率效率达到26%。2002年N.A.Russo等人利用光纤Bragg光栅实现了一种新颖的调Q方式2005年P.Pérez-Millán小组研制了一种相似的调Q激光器结构主动Q开关的调节范围1Hz-125kHz。在600mW的泵浦功率下，在1kHz重复频率，脉冲峰值功率超过1W，脉宽小于200ns。MT（磁致收缩传感器）磁致收缩传感器

小结1、实现窄线宽的调Q光纤激光器需要有压窄线宽机制

DBR光纤激光预激射或未泵浦光纤做饱和吸收体选取单纵模压窄线宽2、实现重复频率可调需要主动Q开关机制

声光Q开关、电光Q开关、迈克尔逊和M－Z干涉仪、周期性调制光纤损耗、磁的和电的调制光纤光栅常数以及周期性的调制增益等。3、实现窄脉宽目前的方法是引入SBS和RS实用化要求：1、1064nm波段脉宽5－10ns

单脉冲能量～mJ

重复频率10kHz－几十kHz

线宽（军用）0.01nm2、人眼安全波段脉宽3－5ns

单脉冲能量10µJ～

mJ

重复频率10kHz－几十kHz

线宽（军用）0.01nm

二、实用化调Q光纤激光器的研制方案

1、光纤耦合声光Q开关设计方案

AOM光纤型声光Q开关2、实用化声光Q开关Yb3＋光纤激光器LaseroutputAOM976nmpumpOpticalisolatorWDM3dBcouplercirculatorEr-dopedfiberFibergratingAOM976nmPumpEr:YbdopedfiberFBGWDM3dBcouplerLaseroutputFiberloopmirror3、人眼安全实用化声光Q开关光纤激光器

锁模光纤激光器锁模光纤激光器可作为高速通信系统的光源，有着光明的前途。高速光纤通信要求超短脉冲光源的脉宽为ps，重复频率1GHz－100GHz，同时输出波长可调谐，因此研究工作集中在：高重复速率谐波锁模技术；多波长和可调谐锁模光纤激光器；锁模光纤激光稳频技术；输出脉冲窄化和超连续谱光纤激光器。

●日本NTT采用有理数谐波锁模技术，重复频率达到200GHz，采用色散渐减Er光纤放大器进行绝热孤子压缩可使脉宽小于100fs，他们还利用重复频率6.3GHz、脉宽3.5ps的主动锁模激光器作泵浦，经放大后泵浦3km单模色散位移光纤，获得了宽200nm，强度平坦的超连续光谱。

●

S.Li等人报道色散调谐波长技术使主动锁模激光的调谐范围达12.1nm。●

南开大学在锁模光纤激光器方面作了诸多的研究工作：利用光纤产生超短光脉冲的方法基于Bragg光纤光栅调谐的锁模光纤激光器实验结果:

波长：1558.4nm,脉宽：50ps

调谐范围：1553.92nm～1561.27nm图3.24

基于有理数谐波的锁模光纤激光器实验结果：波长：1556.00nm,脉宽：39.23ps图3.25基于啁啾光栅色散的锁模光纤激光器

实验结果：波长：1555.12nm,脉宽：60ps,啁啾度：5.2图3.26双波长主动锁模光纤激光器

实验结果：波长：1552.24nm，1559.32nm；脉宽：60.0psRFdriver图3.27一、非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器工作原理：

工作原理图从偏振相关隔离器输出的光波，通过PC1后变成椭圆偏振光,沿椭圆快慢轴偏振的两束光经过掺铒光纤得到增益放大时，将产生不同的非线性相移，偏振态发生旋转。另外,光纤本身的双折射也使光场的偏振态发生旋转。通过调整PC2的状态,使脉冲峰值部分损耗最低，通过隔离器继续振荡，脉冲前后沿部分损耗较大,从而使脉冲窄化，实现锁模。非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器理论研究初始输入条件：任意噪声脉冲；在掺铒光纤传输，满足耦合非线性薛定谔方程(2.3.1)和(2.3.2)；在单模光纤中传输，方程（2.3.1）、（2.3.2）中的增益项为零；通过数值模拟方法，得到单孤子脉冲和束缚态孤子脉冲两个稳态解。(2.3.1)(2.3.2)图2-3-2稳定单孤子光脉冲的强度谱

图2-3-4稳定束缚态孤子光脉冲的强度谱束缚态孤子也称为孪生孤子，它同时产生，同时消失。两种静态解非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器的实验研究实验装置图实验装置:掺铒光纤长度：8m

掺杂浓度980ppmLD工作波长:1480nm

最大输出功率:200mW实验结果1.单孤子光脉冲

Time(50ns/div)Intensitymv/div20图2-4-2单孤子光脉冲激光器工作相当稳定锁模阈值35.6mW重复频率12.5MHz谱宽7.8nm脉宽352fs时间带宽积0.34孤子光脉冲的时谱积0.315峰值功率1.57kwTime50ns/divIntensitymv/div20当泵浦功率较高时，多孤子光脉冲极易形成，但并不稳定。通过调整PCs,当一较强的CW与孤子光谱共存时，准谐波锁模形成，并且相当稳定。实验结果

2.单孤子准谐波锁模光脉冲图2-4-33阶准谐波锁模Time50ns/divIntensitymv/div20图2-4-4稳定的8阶谐波锁模进一步调整PCs的状态当CW变得不稳定时，谐波锁模形成。实验结果

3.稳定的单孤子谐波锁模光脉冲阶数8阶稳定性很稳定图2-4-5噪声光脉冲实验结果