陳龍輝，謝 芳，郭曉蕾，郭哲燦

(北京交通大學(xué) 理學(xué)院 物理系，北京 100044)

引 言

光纖激光器因體積小、重量輕、可彎曲纏繞、成本低、抗干擾性強(qiáng)、抽運(yùn)熒光的光譜較寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通訊[1-2]、激光加工[3-6]、精密測(cè)量[7-10]、激光導(dǎo)航[11-12]、生物[13-16]、醫(yī)學(xué)[17-18]等領(lǐng)域。在精密測(cè)量領(lǐng)域，以激光器作為光源的激光干涉測(cè)量技術(shù)因其非接觸測(cè)量方式、高精度、高分辨率等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮著不可替代的作用。但由于激光干涉信號(hào)存在相位模糊問題，使激光干涉測(cè)量的量程限制在半波長(zhǎng)范圍，難以對(duì)臺(tái)階高度和絕對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量。然而，在工業(yè)、科研、航空航天等領(lǐng)域，需要對(duì)臺(tái)階高度和絕對(duì)距離進(jìn)行非接觸高精度測(cè)量。利用兩個(gè)波長(zhǎng)的激光以及3個(gè)波長(zhǎng)的激光參與干涉測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)臺(tái)階高度和絕對(duì)距離的高精度非接觸測(cè)量。為了得到足夠大的量程以及足夠高的測(cè)量精度，需要參與測(cè)量的波長(zhǎng)之間的間隔根據(jù)被測(cè)量的大小進(jìn)行調(diào)諧。雖然人們一直對(duì)多波長(zhǎng)激光器進(jìn)行研究，例如COWLE等人[19]早在1996年就提出結(jié)合受激布里淵散射效應(yīng)的多波長(zhǎng)光纖激光器的研究，以摻鉺光纖中的線性增益效應(yīng)與單模光纖中的非線性布里淵增益效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了多波長(zhǎng)布里淵激光器；LU等人[20]于2009年提出基于啁啾莫爾光柵和半導(dǎo)體光放大器的多波長(zhǎng)光纖激光器研究，利用透射梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇，但是它們?nèi)匀缓茈y滿足相關(guān)測(cè)量要求。

針對(duì)這一問題，本文中提出并研究了能同時(shí)發(fā)出多波長(zhǎng)單縱模激光，波長(zhǎng)的數(shù)目和各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔可以根據(jù)測(cè)量需求任意調(diào)節(jié)的多波長(zhǎng)光纖激光器。該激光器包含多個(gè)光纖激光諧振腔，每個(gè)激光諧振腔利用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，利用光纖光柵作為波長(zhǎng)選擇元件。改變激光諧振腔數(shù)即可改變輸出波長(zhǎng)數(shù)；改變光纖光柵的布喇格波長(zhǎng)，即可改變對(duì)應(yīng)諧振腔發(fā)出的激光波長(zhǎng)值。利用光纖耦合器構(gòu)成復(fù)合子腔，使得每個(gè)激光諧振腔都是復(fù)合諧振腔，從而每個(gè)激光諧振腔都輸出單縱模激光。

1 多波長(zhǎng)單縱模光纖激光器原理

1.1 雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器

雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器的原理如圖1所示。980nm抽運(yùn)光源發(fā)出的光經(jīng)過3dB耦合器C1后被分為兩路，一路光經(jīng)過波分復(fù)用器(wavelength division multiplexer,WDM)WDM1和摻鉺光纖(erbium-doped fiber,EDF)EDF1，激發(fā)出1550nm波段的熒光,此熒光經(jīng)過環(huán)形器(circulator,CIR)CIR1到達(dá)光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating,FBG)FBG1。滿足FBG1布喇格波長(zhǎng)的光被其反射回來，再次經(jīng)過CIR1、3dB耦合器C2、C3和C4、1∶9耦合器C、環(huán)形器CIR3、光纖光柵FBG3、光纖隔離器(isolator,ISO)以及WDM1，又通過EDF1，光強(qiáng)被放大，此光經(jīng)過CIR1到達(dá)FBG1，再次被FBG1反射，重復(fù)以上路徑，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，從1∶9耦合器C的一端輸出波長(zhǎng)為FBG1的布喇格波長(zhǎng)的激光，輸入光譜儀檢測(cè)。另一路光經(jīng)過波分復(fù)用器WDM2和摻鉺光纖EDF2，激發(fā)出1550nm波段的熒光,此熒光經(jīng)過環(huán)形器CIR2到達(dá)光纖光柵FBG2。滿足FBG2布喇格波長(zhǎng)的光被其反射回來，再次經(jīng)過CIR2、3dB耦合器C2、C3和C4、1∶9耦合器C以及CIR3，到達(dá)FBG3。由于FBG3的布喇格波長(zhǎng)與FBG2的布喇格波長(zhǎng)相同，光到達(dá)FBG3后即被其反射回來，再次經(jīng)過CIR3、WDM2和EDF2，光強(qiáng)被放大，此光經(jīng)過CIR2到達(dá)FBG2，再次被FBG2反射，重復(fù)以上路徑，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，從1∶9耦合器C的一端輸出波長(zhǎng)為FBG2的布喇格波長(zhǎng)的激光，輸入光譜儀檢測(cè)。

Fig.1 Diagram of dual wavelength single longitudinal mode fiber laser

3dB耦合器C3和C4的作用是構(gòu)成復(fù)合子諧振腔，使每個(gè)激光諧振腔都成為復(fù)合激光諧振腔，從而使得每個(gè)激光諧振腔都輸出單縱模激光。3dB耦合器C3和C4構(gòu)成3個(gè)子腔，分別是C3構(gòu)成的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1的子腔、C4構(gòu)成的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)2的子腔，以及由C3和C4組合構(gòu)成的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1+L2的子腔。

每個(gè)子腔的縱模間隔分別為：

(1)

式中，c為光速，n為光纖的折射率，L1，L2和L1+L2分別為3個(gè)子腔的腔長(zhǎng)。

根據(jù)游標(biāo)效應(yīng)，子腔串聯(lián)加入激光諧振腔后，每個(gè)激光諧振腔的縱模間隔擴(kuò)大為主腔縱模間隔與Δν1,Δν2和Δν3的最小公倍數(shù)。只要使每個(gè)激光諧振腔的縱模間隔不小于光纖光柵的反射譜寬，即可使每個(gè)激光諧振腔發(fā)出單縱模激光。

1.2 三波長(zhǎng)單縱模光纖激光器

三波長(zhǎng)單縱模光纖激光器是在雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)激光諧振腔,其工作原理如圖2所示。分別以FBG1,FBG2,FBG3為波長(zhǎng)選擇元件構(gòu)成3個(gè)激光環(huán)行諧振腔。每個(gè)激光環(huán)行諧振腔的路徑與圖1中的激光環(huán)行諧振腔的路徑相似。

Fig.2 Schematic diagram of three wavelength single longitudinal mode fiber laser

與圖1所示系統(tǒng)相同，圖2中的3dB耦合器C1和C2的作用是構(gòu)成復(fù)合子諧振腔，與每個(gè)激光環(huán)行諧振腔共同作用，使每個(gè)激光環(huán)行諧振腔都輸出單縱模激光。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器的研制

如圖1所示的雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器中，F(xiàn)BG1的布喇格中心波長(zhǎng)為1543.214nm，3dB帶寬為0.043nm，反射率為50%；FBG2的布喇格中心波長(zhǎng)為1554.552nm，3dB帶寬為0.042nm，反射率為50%；FBG3的布喇格中心波長(zhǎng)為1554.550nm，3dB帶寬為0.6nm，反射率為99.9%以上；EDF1和EDF2的長(zhǎng)度約為1m。由FBG1反射的光經(jīng)過FBG3時(shí)透射，在對(duì)應(yīng)的激光諧振腔傳輸，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，從1∶9耦合器C的一端輸出波長(zhǎng)為λ1=1543.212nm的激光；由FBG2反射的光經(jīng)過FBG3時(shí)被反射，在對(duì)應(yīng)的激光諧振腔傳輸，當(dāng)增益大于損耗時(shí)，從1∶9耦合器C的同一端輸出波長(zhǎng)為λ1=1554.552nm的激光。輸出雙波長(zhǎng)激光由光譜儀檢測(cè)，如圖3所示。

Fig.3 Spectrum of dual wavelength single longitudinal mode fiber laser

由于兩個(gè)波長(zhǎng)的激光分別由兩個(gè)激光諧振腔形成，每個(gè)激光諧振腔都有各自的摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，所以兩個(gè)波長(zhǎng)之間沒有模競(jìng)爭(zhēng)，都有穩(wěn)定的功率。為了測(cè)試每個(gè)波長(zhǎng)的功率穩(wěn)定性，將兩個(gè)波長(zhǎng)的光分開，如圖4所示。FBG4的布喇格波長(zhǎng)與FBG1的布喇格波長(zhǎng)相同，兩個(gè)波長(zhǎng)的光分別透過FBG4，及被FBG4反射。

Fig.4 Power measurement of each wavelength

分別用光功率計(jì)探測(cè)兩個(gè)波長(zhǎng)的功率，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。兩個(gè)波長(zhǎng)的功率變化范圍分別不超過±0.22μW 和±0.20μW，兩個(gè)波長(zhǎng)的功率都很穩(wěn)定。

Fig.5 Variations of the power of two wavelengths within 60min

利用光譜儀分別對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在4h內(nèi)，兩個(gè)波長(zhǎng)值的最大變化量不大于0.01nm，波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)10-6。

Fig.6 Variations of two wavelengths within 4h

設(shè)計(jì)利用外差光纖馬赫-曾德爾干涉實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證每個(gè)波長(zhǎng)的激光是否是單縱模。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，以研制的雙波長(zhǎng)光纖激光器作為光源，聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率為1.2MHz，將雙波長(zhǎng)光纖激光器的兩個(gè)波長(zhǎng)先后輸入光纖馬赫-曾德爾干涉儀。

Fig.7 Heterodyne interference verification of single longitudinal mode

當(dāng)在雙波長(zhǎng)光纖激光器的諧振腔中沒有嵌入由3dB耦合器構(gòu)成的復(fù)合子腔時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的外差干涉信號(hào)如圖8所示。外差干涉信號(hào)的幅值不斷地變化，說明激光器同時(shí)輸出多個(gè)縱模激光，探測(cè)到的外差干涉信號(hào)是每一個(gè)縱模的外差干涉信號(hào)的疊加。

然后，在激光諧振腔中嵌入兩個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)3dB耦合器構(gòu)成3個(gè)激光諧振子腔。3個(gè)諧振子腔分別是由兩個(gè)3dB耦合器構(gòu)成的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1=40mm和L2=45mm的兩個(gè)子腔，以及這兩個(gè)子腔共同構(gòu)成腔長(zhǎng)為L(zhǎng)3=85mm的第3個(gè)子腔。此時(shí)，激光諧振腔的縱模間隔是這3個(gè)子腔的縱模間隔與激光主諧振腔的縱模間隔的最小公倍數(shù)。

Fig.8 Heterodyne interferometric signal with laser cavity without sub-cavities

3個(gè)子腔的縱模間隔分別為：

(2)

激光主諧振腔的長(zhǎng)度為1.8m，主諧振腔的縱模間隔為Δν=c/(nL)=1.149×108Hz。激光主諧振腔的縱模間隔與3個(gè)子腔的縱模間隔的最小公倍數(shù)為6.651×109Hz，嵌入兩個(gè)3dB耦合器構(gòu)成的子腔以后，激光諧振腔的縱模間隔擴(kuò)大。兩個(gè)激光諧振腔的波長(zhǎng)選擇元件FBG1和FBG2的布喇格波長(zhǎng)的3dB帶寬約為0.043nm，對(duì)應(yīng)的頻率寬為5.369×109Hz。激光縱模間隔大于波長(zhǎng)選擇元件的反射譜帶寬，所以，激光諧振腔中只能一個(gè)縱模起振并形成激光。

將嵌入兩個(gè)3dB耦合器構(gòu)成的子腔的光纖激光器作為光源，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，探測(cè)器探測(cè)到的外差干涉信號(hào)如圖9所示。外差干涉信號(hào)的幅值恒定不變，說明這是一個(gè)激光縱模產(chǎn)生的外差干涉信號(hào)。由此可知，此雙波長(zhǎng)光纖激光器實(shí)現(xiàn)了單縱模輸出。

Fig.9 Heterodyne interferometric signal with laser cavity after embedding a subcavity

2.2 三波長(zhǎng)單縱模光纖激光器的研制

在雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)激光環(huán)行諧振腔，構(gòu)成原理如圖2所示的三波長(zhǎng)單縱模光纖激光器。在第3個(gè)激光諧振腔中，波長(zhǎng)選擇元件FBG3的布喇格中心波長(zhǎng)為1548.051nm，3dB帶寬為0.041nm，反射率均為55%，F(xiàn)BG4的布喇格中心波長(zhǎng)與FBG3的布喇格中心波長(zhǎng)相同，3dB帶寬超過0.6nm，反射率99.9%以上。當(dāng)980nm抽運(yùn)光源輸出功率約400mW時(shí)，從1∶9耦合器C的一個(gè)端口輸出三波長(zhǎng)激光，由光譜儀檢測(cè)，如圖10所示。

Fig.10 Spectrum of three-wavelength single longitudinal mode fiber laser

同樣地，利用檢測(cè)雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器各個(gè)波長(zhǎng)的功率穩(wěn)定性的方法，測(cè)試三波長(zhǎng)單縱模激光器的每個(gè)波長(zhǎng)的功率穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果如圖11所示，三波長(zhǎng)激光的功率變化范圍分別不超過0.20μW,0.17μW,0.22μW，輸出功率非常穩(wěn)定。

Fig.11 Variations of the power of three wavelengths within 60min

同樣地，利用檢測(cè)雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器各個(gè)波長(zhǎng)穩(wěn)定性的方法，測(cè)試三波長(zhǎng)單縱模激光器的每個(gè)波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。測(cè)量結(jié)果如圖12所示。測(cè)試期間3個(gè)波長(zhǎng)的最大漂移量均小于0.01nm，每個(gè)波長(zhǎng)的穩(wěn)定性均達(dá)10-6。

同樣地，利用與雙波長(zhǎng)單縱模光纖激光器相同的方法，驗(yàn)證了此三波長(zhǎng)光纖激光器每個(gè)波長(zhǎng)均是單縱模激光。

Fig.12 Variations in two wavelengths within 4h

3 結(jié) 論

提出并研究了一種能同時(shí)發(fā)出多波長(zhǎng)激光且每個(gè)波長(zhǎng)都是單縱模的多波長(zhǎng)光纖激光器,其波長(zhǎng)的數(shù)目和各個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔可以根據(jù)測(cè)量需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用光纖及光纖器件搭建多個(gè)環(huán)行激光諧振腔，該激光器實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)的激光的同時(shí)輸出。在穩(wěn)定性方面，其輸出的單個(gè)波長(zhǎng)的功率保持穩(wěn)定；在4h內(nèi)，各個(gè)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)穩(wěn)定性甚至可以達(dá)到達(dá)0.008nm。