基于傾斜光柵的可調諧線偏振摻鐿光纖激光器

封面故事|楊錦民,林彥呂,黃千千,黃梓楠,邢志坤,閆志君,牟成博.基于傾斜光柵的可調諧線偏振摻鐿光纖激光器[J].光學學報,2020,40(3):0314003

光纖激光器因穩定性好、結構緊湊、光束質量高和成本低廉等優勢受到了研究人員的廣泛青睞。其中,鐿離子摻雜光纖具有增益帶寬寬、量子效率高和能級結構簡單等特點,成為研制高功率光纖激光器的首要選擇。此外,線偏振光纖激光器由于穩定的偏振特性,在光纖陀螺儀、相干光束合成、超連續譜產生等領域中得到了廣泛應用。

早些年實現線偏振激光輸出的方法主要采用空間布儒斯特窗,但該方法會破壞光纖激光器的全光纖結構,削弱其在結構緊湊方面的優勢。在諧振腔內插入光纖起偏器是一種簡單可行的方法,然而傳統的起偏器件采用雙折射晶體、偏振薄膜等,制備工藝復雜、成本較高,因此需要尋求一個全光纖化的起偏器件以實現高性能線偏振光的輸出。

上海大學特種光纖與光接入網重點實驗室的牟成博教授華中科技大學閆志君副教授針對這一問題,提出了一種全光纖化起偏器——45°傾斜光纖光柵,采用其作為腔內起偏器,成功實現了高達35 dB消光比的1µm波段線偏振光輸出。并通過實驗室自制的溫控系統對光纖布拉格光柵(FBG)進行加熱處理,實現了中心波長在1065.92 nm到1066.87 nm范圍內的連續可調,波長調諧狀態下的激光器的偏振消光比保持在30 dB以上。

45°傾斜光纖光柵的結構如圖1所示。由于紫外刻寫的光纖光柵引起的折射率變化極小,通常在10-4~10-5之間,可以近似認為纖芯折射率不變,由斯涅爾定律計算得到光纖光柵中布儒斯特角為45°,即當光以45°角入射時,反射光(s光)的偏振方向與折射光(p光)互相垂直。45°傾斜光纖光柵具有高偏振相關損耗、低插入損耗、結構緊湊、制作工藝簡單等優點,可以作為全光纖化起偏器。

非偏振光傳輸通過45°傾斜光纖光柵時,s偏振光輻射出纖芯而p偏振光繼續向前傳輸,經過多次折射率調制之后,最終在光柵的另一端得到高純度的線偏振光。

圖1 45°傾斜光纖光柵原理圖

基于45°傾斜光纖光柵的線偏振摻鐿光纖激光器實驗裝置如圖2所示,激光器為線性結構,由窄帶FBG和Sagnac反射環構成諧振腔。激光通過45°傾斜光纖光柵產生高偏振度的線偏振光,由耦合器將激光輸出至諧振腔外,并通過偏振無關隔離器保證其單向傳輸,再接入偏振控制器與檢偏器以及一臺光譜儀,對激光器輸出的激光進行偏振度測量。

圖2 線偏振摻鐿光纖激光器實驗裝置圖

調節諧振腔外偏振控制器可以改變線偏振光的偏振方向,不同偏振方向的偏振光通過檢偏器的透過比不同,以此來計算得到輸出激光的偏振消光比(PER)。當偏振方向與檢偏器方向平行時激光將有最大透過率,而偏振方向與檢偏器方向垂直時激光的透過率最小,從而得到了功率最高及最低時的傳輸譜,如圖3所示。實驗結果表明,激光的偏振消光比約為35dB,偏振度超過99.9%,表明輸出激光為高偏振度的線偏振光。

圖3 輸出激光的偏振消光比

采用實驗室自制的溫控系統對FBG進行加熱處理,研究FBG的溫度對輸出激光中心波長的影響,得到了激光器輸出光譜隨FBG反射波長調諧圖如圖4(a)所示。從25 ℃加熱到145 ℃,輸出激光的中心波長從1065.9 nm向長波方向連續調諧至1066.9 nm,且這種調諧是可逆的。在25 ℃—145 ℃范圍內,選取8個溫度值對輸出激光的偏振消光比進行測量,結果如圖4(b)所示。輸出激光PER均保持在30 dB以上,偏振度高于99.9%,這表明波長調諧對輸出激光的偏振度影響不大。

圖4 溫控狀態下光譜中心波長調諧圖以及PER穩定性測量

后續工作還包括搭建放大系統對種子源進行放大,以滿足線偏振激光器在高功率激光行業的應用需求。
 

延伸閱讀:

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