博文

《光学学报》2020年第3期封面故事:基于倾斜光栅的可调谐线偏振掺镱光纤激光器

已有 2360 次阅读 2020-2-25 16:50 |系统分类:论文交流

基于倾斜光栅的可调谐线偏振掺镱光纤激光器

封面故事|杨锦民,林彦吕,黄千千,黄梓楠,邢志坤,闫志君,牟成博.基于倾斜光栅的可调谐线偏振掺镱光纤激光器[J].光学学报,2020,40(3):0314003

光纤激光器因稳定性好、结构紧凑、光束质量高和成本低廉等优势受到了研究人员的广泛青睐。其中，镱离子掺杂光纤具有增益带宽宽、量子效率高和能级结构简单等特点，成为研制高功率光纤激光器的首要选择。此外，线偏振光纤激光器由于稳定的偏振特性，在光纤陀螺仪、相干光束合成、超连续谱产生等领域中得到了广泛应用。

早些年实现线偏振激光输出的方法主要采用空间布儒斯特窗，但该方法会破坏光纤激光器的全光纤结构，削弱其在结构紧凑方面的优势。在谐振腔内插入光纤起偏器是一种简单可行的方法，然而传统的起偏器件采用双折射晶体、偏振薄膜等，制备工艺复杂、成本较高，因此需要寻求一个全光纤化的起偏器件以实现高性能线偏振光的输出。

上海大学特种光纤与光接入网重点实验室的牟成博教授同华中科技大学闫志君副教授针对这一问题，提出了一种全光纤化起偏器——45°倾斜光纤光栅，采用其作为腔内起偏器，成功实现了高达35 dB消光比的1μm波段线偏振光输出。并通过实验室自制的温控系统对光纤布拉格光栅（FBG）进行加热处理，实现了中心波长在1065.92 nm到1066.87 nm范围内的连续可调，波长调谐状态下的激光器的偏振消光比保持在30 dB以上。

45°倾斜光纤光栅的结构如图1所示。由于紫外刻写的光纤光栅引起的折射率变化极小，通常在10-4~10-5之间，可以近似认为纤芯折射率不变，由斯涅尔定律计算得到光纤光栅中布儒斯特角为45°，即当光以45°角入射时，反射光（s光）的偏振方向与折射光（p光）互相垂直。45°倾斜光纤光栅具有高偏振相关损耗、低插入损耗、结构紧凑、制作工艺简单等优点，可以作为全光纤化起偏器。

非偏振光传输通过45°倾斜光纤光栅时，s偏振光辐射出纤芯而p偏振光继续向前传输，经过多次折射率调制之后，最终在光栅的另一端得到高纯度的线偏振光。

图1 45°倾斜光纤光栅原理图

基于45°倾斜光纤光栅的线偏振掺镱光纤激光器实验装置如图2所示，激光器为线性结构，由窄带FBG和Sagnac反射环构成谐振腔。激光通过45°倾斜光纤光栅产生高偏振度的线偏振光，由耦合器将激光输出至谐振腔外，并通过偏振无关隔离器保证其单向传输，再接入偏振控制器与检偏器以及一台光谱仪，对激光器输出的激光进行偏振度测量。

图2 线偏振掺镱光纤激光器实验装置图

调节谐振腔外偏振控制器可以改变线偏振光的偏振方向，不同偏振方向的偏振光通过检偏器的透过比不同，以此来计算得到输出激光的偏振消光比（PER）。当偏振方向与检偏器方向平行时激光将有最大透过率，而偏振方向与检偏器方向垂直时激光的透过率最小，从而得到了功率最高及最低时的传输谱，如图3所示。实验结果表明，激光的偏振消光比约为35dB，偏振度超过99.9%，表明输出激光为高偏振度的线偏振光。

图3 输出激光的偏振消光比

采用实验室自制的温控系统对FBG进行加热处理，研究FBG的温度对输出激光中心波长的影响，得到了激光器输出光谱随FBG反射波长调谐图如图4(a)所示。从25 ℃加热到145 ℃，输出激光的中心波长从1065.9 nm向长波方向连续调谐至1066.9 nm，且这种调谐是可逆的。在25 ℃—145 ℃范围内，选取8个温度值对输出激光的偏振消光比进行测量，结果如图4(b)所示。输出激光PER均保持在30 dB以上，偏振度高于99.9%，这表明波长调谐对输出激光的偏振度影响不大。