1、第 40 卷 第 1 期量 子 电 子 学 报Vol.40 No.12023 年 1 月CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSJan.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.01.006基基基于于于石石石英英英玻玻玻璃璃璃掺掺掺铥铥铥光光光纤纤纤的的的单单单纵纵纵模模模DBR 光光光纤纤纤激激激光光光器器器的的的研研研制制制陈雨君1,2,姚 波2,刘昊炜2,魏珊珊2,毛庆和1,2(1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026;2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽
2、省重点实验室,安徽 合肥 230031)摘要:研制了一种具有频率调谐功能的 2 m 波段分布 Bragg 反射(DBR)型单纵模光纤激光器。该激光器基于石英玻璃单模掺铥光纤和 793 nm 半导体激光器泵浦源,其光电器件分离集成在 1U 机箱内。通过内置压电陶瓷(PZT),可实现对激光频率的快速调谐，调谐范围约 6 GHz;通过 TEC 温度控制,可实现对激光频率在 29 GHz范围内无跳模调谐。单纵模激光输出功率为 18.2 mW,输出激光信噪比大于 60 dB,泵浦转换效率达 27%。该激光器样机可望在高分辨光谱、量子信息以及非线性频率变换等领域发挥重要作用。关 键 词:激光技术;光纤激光
3、器;单纵模;激光频率调谐中 图 分 类 号:TN248.1文 献 标 识 码:A文章编号:1007-5461(2023)01-00056-06Development of single-longitudinal-mode DBR fiber laserbased on thulium-doped silica glass fiberCHEN Yujun1,2,YAO Bo2,LIU Haowei2,WEI Shanshan2,MAO Qinghe1,2(1 School of Environmental Science and Optoelectronic Technology,Univers
4、ity of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;2 Anhui Provincial Key Laboratory of Photonics Devices and Materials,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,HFIPS,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)Abstract:A 2m distributed Bragg reflection(DBR)single-longitudinal-mode fib
5、er laser with frequen-cy tuning function is presented.The laser is based on single-mode thulium-doped silica glass fiber andpumped by 793 nm semiconductor laser pump source,and its optoelectric devices are integrated into a1U chassis in a separate state.Fast frequency tuning of the laser can be real
6、ized through a built-in piezo-electric transducer(PZT),and the tuning range is about 6 GHz.The laser frequency can also be tunedwithout mode hopping in the range of 29 GHz through TEC temperature control.The output power of基金项目:国家重点研发计划(2017YFB0405100,2017YFB0405200),中国科学院战略性先导科技专项(B 类)(XDB21010300)
7、,国家自然科学基金(61805258,61377044),先进激光技术安徽省实验室主任基金(20191001),安徽省科技重大专项(201903a07020021)作者简介:陈雨君(1988-),江苏江阴人,研究生,主要从事单纵模光纤激光器方面的研究。E-mail:导师简介:毛庆和(1963-),安徽泾县人,博士,研究员,博士生导师,主要从事纤维光学、激光物理与器件及其应用技术等方面的研究。E-mail:收稿日期:20210323;修改日期:20210427通信作者。第 1 期陈雨君等:基于石英玻璃掺铥光纤的单纵模 DBR 光纤激光器的研制57the single-longitudinal-m
8、ode laser is 18.2 mW,the signal-to-noise ratio is greater than 60 dB,and thepump conversion efficiency is 27%.This laser prototype is expected to play an important role in thefields of high-resolution spectroscopy,quantum information and nonlinear frequency transformation.Key words:laser techniques;
9、fiber laser;single-longitudinal-mode;laser frequency tuning0引言2 m 波段单纵模、窄线宽光纤激光器在高分辨光谱1、大气环境探测2,3、量子信息4以及非线性频率变换5等领域具有重要应用,其主要有分布反馈(DFB)6,7、分布布拉格反射(DBR)8,9以及环形腔10,11等基本结构。其中,DBR 型结构具有单纵模运转稳定、结构紧凑等优势,应用最为广泛12。早期,受石英玻璃单模掺铥光纤掺杂浓度低的限制,DBR 型 2 m 波段单纵模光纤激光器中均采用双包层增益光纤13,14,与 DBR 腔中光纤 Bragg 光栅(FBG)之间难以实现高效
10、耦合,造成了泵浦阈值高、泵浦功率高、转换效率低等问题。为此,人们通过采用多组分玻璃光纤技术来提升单模掺铥光纤的掺杂浓度,进而使得允许采用单模掺铥光纤来构建 2 m 波段 DBR 单纵模光纤激光器,降低了对泵浦功率的要求,转换效率也获得了明显提升15。但是,多组分玻璃光纤存在与传统石英玻璃光纤熔接损耗大、熔接点机械强度差等不足,制约了多组分玻璃单模掺铥光纤激光器的实际应用。近年来,基于石英玻璃基质的单模掺铥光纤的掺杂浓度已得到了很大提高,793 nm 和 1610 nm 泵浦带的吸收已分别可达 27 dB/m 和16 dB/m16,这使人们又重新采用这种石英玻璃单模掺铥光纤来构建 2 m 波段
11、DBR 单纵模光纤激光器。2021 年,Zhang 等17采用 196 mW 的 786 nm 半导体激光器泵浦,基于石英玻璃的单模掺铥光纤构建了1989 nm 处输出功率达 13 mW 的 DBR 单纵模光纤激光器。尽管如此,这类掺铥光纤激光器依然存在泵浦阈值偏高、泵浦效率偏低等缺点,特别是具有频率调谐功能的单纵模光纤激光器还未见报道。本文报道了一种具有频率调谐功能的 2 m 波段 DBR 型单纵模光纤激光器。采用石英玻璃单模掺铥光纤和 793 nm 半导体激光器泵浦源,通过两次封装和 TEC 精密温控将所有光电器件集成在 1U 标准机箱内,构成了激光器样机。该样机可通过内置压电陶瓷(PZT
12、)实现对激光频率的快速调谐,还可通过TEC 精密温控实现对激光频率的大范围调谐,单纵模运转输出功率为 18.2 mW,泵浦转换效率为 27%。1激光器结构图 1(a)为所设计研制的 2 m 波段 DBR 型单纵模光纤激光器结构示意图。所用增益光纤为石英玻璃单模掺铥光纤(TDSF),其数值孔径、纤芯直径和吸收系数分别为 0.24、5.5 m 和 900 dB/m793 nm。该 TDSF 两端分别与具有不同反射特性的一对 FBGs 相熔接,构成 DBR 型光纤谐振腔。其中,高反射率FBG(HR-FBG)的中心波长、反射率、3 dB 带宽和栅区长度分别为 1942.7 nm、99.9%、0.33
13、nm 和 30mm,由与增益光纤模场相匹配的石英单模光纤刻写而成;低反射率 FBG(LR-FBG)由保偏单模匹配光纤刻写,用作激光耦合输出,其反射率、3 dB 带宽和栅区长度分别为 70%、0.07 nm 和 25 mm。由于双折射效应,该 LR-FBG 快慢轴反射中心波长不同,通过将慢轴中心波长选择为 1942.675 nm,使其处在 HR-FBG反射带的边缘,就可使得 LR-FBG 快轴反射波长处在 HR-FBG 反射带之外,进而构建出线偏振 DBR 光纤谐振腔18。基于这种光纤谐振腔特性,为了保证激光器的单纵模运转稳定并且输出功率尽可能地高,优化后的 TDSF 长度为 1.4 cm。该
14、DBR 光纤激光器由带单模尾纤的最高输出功率为 105 mW 的 793 nm激光二极管(LD)经保偏波分复用器(PM-WDM)泵浦,产生的线偏振单纵模激光经 1950 nm 保偏隔离器58量 子 电 子 学 报40 卷(PM-ISO)后输出,HR-FBG 尾部切割成斜 8,以抑制寄生振荡、提高稳定性。为实现对单纵模激光的频率调谐功能,采用环氧树脂胶将压电陶瓷(PZT)粘接在增益光纤侧面,通过电控拉伸 PZT,调节 DBR 腔长,对激光频率进行快速调谐。同时,通过物理接触的导热封装将构成激光器的光纤及其器件固定在黄铜热沉盒中,再将黄铜盒二次封装在聚四氟乙烯(PTFE)绝热盒内 如图 1(b),
15、这样,通过半导体制冷器(TEC)就可对二次封装盒内的黄铜热沉进行精密温控,进而实现对激光频率的大范围温度调谐。值得指出的是,这种二次封装技术和精密温度控制可有效抑制外部环境扰动对激光器单纵模运转的影响,有利于提升激光器的工作稳定性19。最后,采用光电分离封装方案,以减小电学模块产热和散热为准则,将激光器光学和电学部分集成在 1U 标准机箱中,集成样机具备 PZT 调谐端口以及控制温度、泵浦的通信端口,集成样机照片如图 1(c)所示。图 1(a)2 m DBR 单纵模光纤激光器结构示意图;(b)激光器 PTFE 绝热封装实物照片;(c)激光器集成样机照片Fig.1(a)Structure dia
16、gram of the 2 m DBR single-longitudinal-mode fiber laser;(b)Photo of laser packaged by PTFE;(c)Photo of the laser prototype2测试结果与讨论采用两次封装的光纤激光器在辅以精密温控后测得的单纵模运转状态极其稳定。图 2 为利用自由光谱范围为 1.5 GHz、精细度为 250 的 F-P 扫描干涉仪(Thorlabs,SA200-18B)测得的激光器在 25C 控制温度下输出单纵模激光特性。可见,激光器输出为单个纵模,并且,在提升泵浦功率或改变 TEC 控制温度的过程中,激光器均能保持稳定的单纵模运转。不仅如此,实验测得输出的单纵模激光为线偏振激光,偏振度高达 24 dB。图 3(a)为在 25C 温度控制下测得的输出激光功率随泵浦功率的变化。可见,激光器的泵浦阈值低至 38 mW,这得益于在激光器制作过程中,通过优化熔接参数有效降低了熔接点损耗,使得腔损耗也随之减小。当泵浦功率为 105 mW 时,输出功率达 18.2 mW,对应的泵浦转换效率约为 27%,表明该激光
