環形腔激光器

近年來，可調諧環形腔光纖激光器以其成本低、插入損耗低、輸出功率高，轉換效率高和結構簡單等優點，越來越受到研究人員的青睞。滿足特殊需求性能優良的商用可調諧環形腔光纖激光器已經量產，並被廣泛應用到光學精密測量、光纖通信、光纖傳感器和高分辨率光譜測量等領域。當前可調諧環形腔光纖激光器利用可調諧光纖光柵濾波器，可調諧帶通濾波器，可調諧法布里-珀羅(F-P)濾波器和聲光可調諧濾波器對光纖環形腔進行調諧，從而改變輸出激光波長。可調諧光纖環形腔激光器利用摻餌光纖增益作為介質，利用光纖光柵或者稜鏡改變諧振波長，達到光纖環形腔調諧的目的。可調諧環形腔光纖激光器實現調諧方法有兩種，一種是基於温度調諧，調諧範圍寬，但是調諧速度比較慢，而且温度不易精確控制和記錄，上升調諧曲線和下降調諧曲線不能重合，並且調諧曲線是非線性的，因此基於温度的可調諧環形腔光纖激光器線性度和重複性差，精確度低。另一種是基於壓電陶瓷(PZT)調諧，調諧速度快，但調諧範圍窄。壓電瓷具有磁滯和蠕變特性，因此基於壓電陶瓷的可調諧環形腔光纖激光器具有較差的重複性和線性度 ^[1]  。

單頻激光器由於具有良好的頻譜特性， 在精密計量、 光頻標、 光通信、 高分辨光譜學等領域中得到了廣泛的應用。其中， 自 Kane等提出單塊非平面環形腔（ NPRO） 激 光 器 之 後， 由 於 其 具 有 單 塊一體化結構特有的穩定性高、 結構緊湊、 線寬窄等優點， 國內外 對 這 種 結 構 的 激 光 器 開 展 了 大 量 研 究。在最初 Kane等 設 計 的 結 構 中， 非 平 面 角 為90°， 具有大的 加 工 釋 放 公 差， 但 需 要 較 大 的 磁 場。隨 後，Trutna等提出了 非 平 面 角 約 為1°的 近 非 平 面 環形腔結構， 大大降低了激光器對施加磁場的要求， 但在上述兩種 結 構 的 基 礎 上， 提 出 了 非 平 面 角 為45°的半非平面環形腔結構， 在降低所需磁場要求的同時也改善了對晶體加工公差的精度要求。在理論方面， Nilsson等提出了分析和設計單塊非平面環形腔的偏振匹配理論， 北京理工大學對偏振膜系的選擇進行了相關研究。實驗方面， 已經實現了 調 Q輸出、 調諧輸 出、 對 強 度 噪 聲 和 頻 率 噪 聲 的抑制， 北京 理 工 大 學 採 用 激 光 二 極 管（ LD） 抽 運的單塊 非 平 面 環 形 腔 Nd…YAG 激 光 器， 獲 得 了1．876 W的1064nm 單頻激光輸出， 對應的光－光轉換效率為53．4% ^[2]  。

抽運激光器經過 980 nm 端口與光波分複用器連接，抽運光經過光波分複用器的公共端進入長度為 10 m的摻餌光纖進行放大，接着進入環形器的 1 端口，光從環形器的 2 端口進入光纖光柵，滿足布拉格條件的反射光經過環形器的 3端口進入耦合器的 30%的一端，耦合器的分光比為 70%的一端與光波分複用器的 1550 nm 端口相連，組成光纖激光器的環形腔。耦合器的另一端與光譜分析儀(OSA)相連，用來監測輸出激光。為了研究環形腔光纖激光器的調諧特性，將光纖光柵固定在壓電陶瓷上，壓電陶瓷的伸縮由壓電陶瓷驅動器控制。壓電陶瓷驅動器的驅動電壓變化時，控制壓電陶瓷伸長或縮短，光纖光柵隨之伸長或縮短，從而改變環形腔光纖激光器的出射波長，達到調諧的目的，可調諧環形腔光纖激光器的波長改變由光譜分析儀監測和記錄 ^[1]  。

磁滯和蠕變是壓電陶瓷的固有特性，壓電陶瓷在電解質和電磁的大信號情況下顯示出磁滯特性。壓電材料中晶體偏振效應和分子效應導致壓電陶瓷的磁滯現象。蠕變是驅動電壓為零時，壓電陶瓷位移隨時間變化的一種現象。當壓電陶瓷驅動電壓變化時，剩餘極化強度繼續變化，導致壓電陶瓷對目標位置的緩慢變化。為了補償和修正壓電陶瓷的磁滯和蠕變引起的位移偏移，固定在壓電陶瓷上的薄膜電阻阻值變化對應壓電陶瓷的應變變化。4 個薄膜電阻組成惠斯登電橋，由驅動電源進行供電控制。當電橋電阻阻值發生變化時，電壓變化轉換成位移變化的模擬信號。在壓電陶瓷閉環控制中，壓電陶瓷伸長或縮短髮生誤差時，應變電橋的電阻值發生變化，電橋外部電路電壓變化轉變成位移變化反饋給驅動系統，然後由驅動系統根據位移誤差大小，調整驅動電壓，從而實現對壓電陶瓷磁滯和蠕動的補償和修正 ^[1]  。

測量激光器線寬的方法包括延時零拍法和延時自外差法以及其他非平衡光纖干涉儀測量方法。利用外差法測量可調諧環形腔光纖激光器的線寬，光纖激光器出射激光通過 50/50 分束器分為兩路，一路激光經過 20 km 單模光纖延遲線，另一路激光直接通過 100 MHz 聲光調製器，然後兩路光經過光纖耦合器會合，由光電探測器檢測。利用延遲自外差法測量的可調諧環形腔光纖激光器的線寬測量譜圖，環形腔光纖激光器的線寬約為 4 kHz。窄線寬可以保證光纖激光器的長相干距離，可以作為光頻域分佈式光纖傳感器的適用光源，實現長距離分佈式光纖傳感的相干檢測 ^[1]  。

首先對壓電陶瓷開環控制的環形腔光纖激光器的調諧特性進行測量和研究，當驅動電壓增加或減小時，環形腔光纖激光器的出射波長由光譜分析儀測量。為了觀測環形腔光纖激光器的調諧特性，實驗分為兩步： 1) 壓電陶瓷驅動電壓從 0 V 增加到 150 V，步長為 10 V，環形腔光纖激光器對應各驅動電壓的出射波長由光譜分析儀測量並記錄； 2) 壓電陶瓷驅動電壓從 150 V 降低到 0 V，步長為 10 V，環形腔光纖激光器對應各驅動電壓的出射波長同樣由光譜分析儀測量並記錄。整個測量過程重複 3 次，最後得到 3 條完整的環形腔光纖激光器的閉合調諧曲線。接着研究了壓電陶瓷閉環控制的環形腔光纖激光器的調諧特性，測量過程與壓電陶瓷開環控制測量過程相同，只是壓電陶瓷的調節範圍變為 0~90 μm 之間 ^[1]  。

基於壓電陶瓷開環控制的環形腔光纖激光器，電壓上升調諧曲線，點線表示電壓下降調諧曲線。同樣符號代表一個完整的調諧過程，環形腔光纖激光器出射波長的 3 個完整調諧循環。隨着驅動電壓的變化，上升調諧曲線和下降調諧曲線都是非線性的， 3 條上升調諧曲線互不重合，同一個完整循環，上升調諧曲線和下降調諧曲線彼此不重合。壓電陶瓷開環控制的環形腔可調諧光纖激光器具有非線性輸出，較差的重複性和明顯的磁滯回線，主要原因是壓電陶瓷具有固有的磁滯和蠕變特性。隨着驅動電壓的變化，上升調諧曲線和下降調諧曲線都是線性的， 3 條上升調諧曲線互相重合， 3 條下降調諧曲線互相重合。同一個完整循環，上升調諧曲線和下降調諧曲線彼此重合。壓電陶瓷閉環控制的環形腔可調諧光纖激光器具有線性輸出和較好的重複性，主要原因是粘附在壓電陶瓷上的應變電橋補償和修正了磁滯和蠕變特性帶來的非線性 ^[1]  。

最後對壓電陶瓷閉環控制的可調諧環形腔光纖激光器的波長穩定性和功率穩定性進行了測量和研究。環形腔中光纖光柵伸長 60 μm，並保持穩定 2 h，環形腔光纖激光器出射波長的波動性和功率波動性分別由波長計和光譜分析儀記錄和分析 ^[1]  。

環形腔可調諧光纖激光器的波長穩定性定義為在固定驅動電壓下，波長偏移隨着時間變化的函數。固定驅動電壓下線性可調諧光纖激光器的波長穩定性圖，光纖光柵伸長 60 μm，光纖激光器的中心波長為 1523.398 nm, 保持 2 h 穩定，可調諧光纖激光器的波長波動數據由多波長計記錄。線性可調諧環形腔光纖激光器的波長波動為±0.01 nm，最大偏移值為 0.008 nm。環形腔可調諧光纖激光器的功率穩定性定義為在固定驅動電壓下，輸出功率偏移隨着時間變化的函數。圖 6 就是固定驅動電壓下線性可調諧光纖激光器的功率穩定性圖，光纖光柵伸長 60 μm，光纖激光器的輸出功率為-10.60 dBm, 保持 2 h 穩定，可調諧光纖激光器的輸出功率波動數據由光譜分析儀記錄。線性可調諧環形腔光纖激光器的輸出功率波動為±0.3 dB，最大偏移值為 0.18 dB ^[1]  。