1背景介绍

光纤激光器因其具有良好的光纤耦合性、波长选择性、高功率等优点, 引起了学者们的广泛注意,不同结构及特性的光纤激光器不断研制成功。具有任意偏振状态的光波都可以看成是两个*正交的偏振模合成的, 其在理想的轴对称光纤中传输时偏振态保持不变, 但由于光纤制造工艺及应力、温度等因素的影响, 使传输光纤产生双折射现象, 具有不同传输常数的两个正交偏振模式会产生模式耦合, 这种模式耦合的随机性就造成了输出光波偏振状态的不稳定。在光纤陀螺、光纤传感、非线性变频、相干光束组合等许多领域需要输出激光保持稳定的偏振特性, 因此研究具有单偏振输出特性及一定消光比的光纤激光器具有十分重要的意义, 单偏振光纤激光器已成为目前研究热点之一。 

光纤激光器的研究背景

光纤激光器的研究始于20世纪60年代。早在1961年,美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作,但由于相关条件的限制,其实验进展相对缓慢。1966年,华裔科学家高馄在他的论文中解决了石英光纤损耗的理论问题,提出了研制低损耗光纤的可能性。1970年,美国康宁公司研制成功了根低损耗光纤。而80年代英国southampton大学用MCVD法制成了低损耗的掺饵光纤,从而为光纤激光器带来了新的前景。近几年,光纤激光器成为激光领域的热门研究课题,在现代光通信、光传感、材料技术、生命科学及精密加工等领域广泛应用。与半导体激光器和固体激光器相比,其具有很多优点:抽运闭值低、转换效率高、散热效果好、调谐范围宽、耦合效率高、结构紧凑等。目前,光纤激光器的研究热点主要集中在窄线宽光纤激光器、高功率光纤激光器和超短脉冲光纤激光器等方面。而窄线宽光纤激光器又是光纤激光器发展的一个重要方向。它除了具有上述光纤激光器的特点外,还以其窄线宽、低噪声等优点广泛应用于光纤传感、光纤遥感、高精度光谱及光纤通信领域。

2光纤激光器的工作原理

光纤激光器主要由三部分组成:产生光子的增益介质、为光子提供正反馈并在增益介质中谐振放大的光学谐振腔和激励增益介质实现粒子数反转的泵浦源。

纤芯掺稀土离子的光纤作为增益介质, 两个反射镜放置在一段掺杂光纤的两端, 构成谐振腔。泵浦光经耦合系统从反射镜1 进入掺杂光纤, 掺杂光纤中的稀土离子吸收泵浦光的能量后发生能级跃迁并实现粒子数反转, 受激辐射出光子能量, 经过提供正反馈的谐振腔来回激励振荡, 当满足光强增益大于其损耗及相位改变量为2π整数倍的辐射光波将起振形成激光振荡, 从而产生激光, 经反射镜2 输出。

3单偏振光纤激光器实现方法

通常将输出激光只出现一种偏振态的激光器称为单偏振激光器。严格控制激光器各组成部分对光偏振状态的影响, 可以有效地实现单偏振激光输出。以下主要从掺杂光纤、偏振光学器件及激光谐振腔三方面介绍实现单偏振光纤激光器的常用方法, 保证输出激光具有良好的偏振特性及较高的消光比。

掺杂保偏光纤

选择掺杂保偏光纤作为增益介质的激光器是实现单偏振输出常用的方法。目前Andrea 提出了一种基于掺杂保偏光纤的新型结构光纤激光器,它采用掺铒保偏光纤作为增益

介质, 2 个FBG 和2 个反射镜共同组成谐振腔,FBG 构造的F —P 标准具实现纵模选择, 腔内嵌入偏振分束器和高反射镜可以获得两个正交偏振模式激光共享一个谐振腔, 有效地消除了噪声影响和空间烧孔效应。

利用掺杂保偏光纤设计的光纤激光器结构简单, 但掺杂保偏光纤价格昂贵、熔接工艺精度要求高、离子掺杂密度低, 尤其是单模单偏振光纤的带宽受限, 传输损耗大等因素, 使其应用受到了限制, 因此研究学者一直在探索使用普通掺杂光纤实现单偏振激光输出的方法。

偏振控制器

偏振控制器可以将输入的任意偏振态转变为任意特定偏振态输出, 常见的偏振控制器有方位角控制型偏振控制器、延迟量控制型偏振控制器和方位角-延迟量控制型偏振控制器三大类。因此通过在谐振腔中插入偏振控制器来选择振荡激光的偏振态, 从而保证输出激光长期保持偏振态不变。常规环形腔单偏振光纤激光器简化结构, 波分复用器（WDM）, 环行器和耦合器都是偏振无关的, 掺杂光纤是非保偏的, 只是简单地加入偏振控制器（PC）来实现偏振控制。

简单地加入PC 可以在一定程度上改善非保偏掺杂光纤构造的激光器的偏振特性, 偏振特性的改善程度主要取决于PC 的消光比, 具有较高消光比的PC 可以保证输出激光的良好偏振特性, 但这种方法会引起激光输出功率的明显波动。因此应对常规环形腔单偏振激光器进行改进, 如在行器反射臂上FBG 前加入具有饱和吸收特性的未泵浦掺杂光纤, 与FBG 反射波长形成驻波干涉, 当光功率和掺铒光纤长度合适时, 诱发空间烧孔现象, 形成自写入光纤光栅, 在抑制跳模实现纵模选择的同时, 抑制了边模激光, 使得输出功率稳定。

偏振分离反射腔

FBG 因具备很好的反射特性及光纤兼容性, 成为构造光纤激光器的常用器件。利用保偏FBG 和倾斜FBG 可以构成激光器偏振分离反射腔,以实现对激光偏振态的控制。

在高双折射光纤中写入FBG 制成的保偏FBG（PFBG）具有明显的各向异性反射率, 将其作为激光腔的反射镜构成偏振分离反射腔, 从而实现激光器的单偏振输出。文献[ 10] 报道了基于三光栅实现的新型单偏振双波长光纤激光器, 它由两个窄带普通FBG 和一个宽带PFBG 共同构成两个独立的光学谐振腔。在PFBG 中传输的光波被偏振分离, 因此PFBG 存在两个反射峰, 分别对应两个正交偏振态。使两个窄带普通FBG 的反射中心波长分别与PFBG 两个反射峰的波长相对应, 两个正交偏振态分别谐振在独立的腔中, 消除了模式竞争, 两端同时激射实现单偏振双波长激光输出, 消光比达46 .7 dB , 输出激光偏振度为98 .5 %。

倾斜FBG（TFBG）在大角度倾斜状况下其*的耦合辐射模具有偏振敏感特性 , 也已经成功地运用于光纤激光器中的偏振控制。文献[ 12] 提出了基于45°TFBG 的单偏振可调谐掺镱光纤激光器。输出波长为1 .06 μm , 功率大于6 dBm , 在25 nm 可调波长范围内, 偏振度大于99 .8 %。 

利用FBG 的光纤激光器虽然简单、有效, 但限制了激光输出功率, 大多只能用于低功率应用领域。为实现较大功率输出, 可以采用大模场面积掺杂光纤构造谐振腔[ 13-14] , 双包层结构光纤具有较大的纤芯直径和较小的数值孔径, 减少了光纤的功率密度,进而提高了产生非线性效应的阈值, 功率转换效率高, 所以当泵浦功率达到一定时可实现高功率激光稳定输出。

4频单偏振光纤激光器的研究意义

作为当代激光技术的核心之一,光纤激光器具有举足轻重的研究意义, 单频光纤激光器实现了激光窄线宽单纵模输出,具有较高的相干特性并满足低噪声要求,从而成为空间传感、相干通信和高密度光谱分析等领域应用光源的。普通的光纤激光器谐振腔内符合增益区阈值振荡条件的纵模很多且间隔小,输出光波极易形成模式跳变,同时相邻纵模会导致很强的拍频噪声[6]。因此单纵模光纤激光器应运而生,采取饱和吸收体、自注入反馈[7]、短腔法以及多谐振腔结构等选频措施,有效地抑制跳模,提高激光单色性及输出稳定性。近年来,各类结构的单频光纤激光器不断见诸报道,在激光雷达、空间探测、高精度传感系统、相干波束等领域相继得到了应用。为了满足精密分析和大功率应用,单频光纤激光器的输出方向性、稳定性和输出功率仍需进一步提升。

而激光器的偏振特性作为影响发射激光功率的重要因素,同样被视为重要研究分支。由于任意偏振状态的光波都可以看成是两个*正交的偏振模合成的,其在理想的轴对称光纤中传输时偏振态保持不变,但光纤制造工艺及应力、温度等外界环境因素会使传输光纤产生双折射现象。具备不同传输常数的两个正交偏振模式会产生模式亲合,引起光功率的相互转换,这种模式耦合的随机性就造成了输出光波偏振状态的不稳定。而在光纤陀螺、光纤传感、非线性变频、相干光束组合等许多领域对输出激光的偏振特性要求较高,因此研究具备单偏振输出特性及一定消光比的光纤激光器具有十分重要的意义,单偏振光纤激光器已成为目前研究热点之一。综上所述,单频单偏振光纤激光器具有重要的研究价值。 

5发展状况

单偏振、单频率的激光，主要用于进行相干合成或光谱合成。

在单偏振光纤激光器方面，美国密西根大学采用双包层结构的偏振保持光纤，实现了单偏振激光输出。其中内包层形状为八角形、纤芯直径20 μm、数值孔径0.06，高双折射△n=3×10-4。利用偏振保持光纤在弯曲状态下，纤芯中快轴、慢轴由于弯曲所致的不同轴向的损耗不同，来抑制一个轴向的传输光，从而实现单偏振的激光输出。并以双包层结构的光纤光栅和光纤端面为谐振腔，实现了输出功率405 W的单偏振，偏振度>19 dB的单横模激光输出，光束质量M2=1.1，光谱带宽1.9 nm，斜率效率为65.9%。

2006年，南安普敦大学实现了偏振度16 dB、光束质量M2=1.2、功率633 W的连续激光输出。并采用相同光纤，利用主振荡功率放大技术，实现了线宽60 KHz、偏振度16 dB、光束质量M2=1.1的单模、单偏振窄线宽的264 W激光输出[22]。南安普顿大学利用掺硼光纤引入双折射效应，实现单偏振激光输出。利用端面泵浦实现了147 W、斜率效率66%的连续激光输出，消光比约16 dB（偏振度95%）。