2μm波段多波长可调谐光纤激光器新研究

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1.引言
2μm波段掺铥光纤激光器工作在人眼安全波段、效率高、光束质量好，可广泛应用于激光医疗、传感、雷达和空间通信等领域，也可作为3--5μｍ中红外光参量振荡的泵浦源。近十年，掺铥光纤激光技术在高功率、宽调谐范围及脉冲激光领域已取得了快速的进展。多波长光纤激光器结构简单、成本低、稳定性好，在波分复用系统、分布式光纤传感系统、微波光子技术等方面具有很好的应用价值。获得多波长的方法主要有非线性偏振旋转效应和四波混频效应的多波长掺铥光纤激光器，非线性光纤环形镜的多波长掺铥光纤激光器。
本文提出了一种利用光纤马赫－曾德（M-Z）干涉仪滤波的多波长掺铥光纤激光器，并采用1573nm光纤激光泵浦一段4m长单模掺铥光纤的环形腔结构。实现了2μm波段1--3个波长的多波长激光输出，输出的单波长激光3dB线宽为0.048nm，边模抑制比为53dB。
2.实验结构与工作原理
基于光纤M-Z干涉仪滤波的多波长掺铥光纤激光器结构如图1所示，两个级联的2×2耦合器（3dB）构成的M-Z干涉仪，通过一个3dB耦合器接入激光环形腔，另一个3dB耦合器两端光纤连接作为Sagnac全反射镜，该结构构成了反射式滤波器。中心波长为1573nm光纤激光泵浦源通过一个1570/2000nm波分复用器（WDM）注入一段4m长单模掺铥光纤（TDF）中，掺铥光纤的数值孔径、1570nm处吸收、2000nm模场直径分别为0.15、15dB/m、10.5μm。掺铥光纤中Tm3+粒子受激辐射产生的背向增益经M-Z干涉仪滤波后，在输出耦合器90%端口反馈，在环形腔内不断放大而形成激光振荡，在10%端口输出，采用光谱分析仪（AQ6375）观测光谱。利用偏振控制器（PC）改变腔内激光偏振态，光隔离器保证环形腔内单方向通光。

光纤M-Z干涉滤波器由两个3dB光纤耦合器组成，初始输入光被耦合器1分为强度相等的两束光，在耦合器2的3、4端口干涉，耦合器2的3、4端口相连形成环路，干涉光沿环路返回耦合器1中再次干涉并输出。光纤M-Z干涉仪的滤波特性由耦合器的分光比和干涉仪两臂的臂长差共同决定。
3.实验结果与讨论
1573nm光纤激光器的输出功率为250mW，2μm波段的1895nm附近形成了多波长激光振荡，由于M-Z的梳状滤波周期较小，相近模式激光之间存在模式竞争。调节PC改变腔内激光偏振态来抑制一些波长振荡，1.9μm波段得到1--3个波长数的多波长激光输出。图2为1h内不同波长数的多波长激光输出光谱。其中，单波长激光中心波长为1895.5nm，3dB线宽约为0.048nm，边模抑制比为53dB；双波长激光波长间隔约为1nm，边模抑制比为50dB。可以看出，在60min内，单波长和三波长输出比较稳定，双波长在0.5nm范围内产生了漂移。



图3为60min内该多波长掺铥光纤激光器的功率稳定性，详细记录了输出波长数分别为1--3个时单个波长的功率变化，时间间隔为10min。可以看出，该多波长掺铥光纤激光器具有较好的功率稳定性。



4.结论
提出并实验研究了一种光纤马赫－曾德干涉仪滤波的环形腔多波长掺铥光纤激光器，1573nm光纤激光器泵浦一段4m长单模掺铥光纤。泵浦功率为250mW时，通过调节PC实现了2μm波段波长数为1--3的多波长激光输出。该多波长激光器具有窄线宽、高信噪比、较好的功率稳定性等特点。