光纖激光振蕩器歷來就不是一個特別好的單頻光源,主要原因是它們的長度太長,激光器的縱模間隔很小,識別非常困難。盡管,超過100W的單頻輸出已經(jīng)從經(jīng)放大的光纖振蕩器中得到,但是這些系統(tǒng),放大后的自發(fā)輻射噪聲很高。此外,它們還很復雜和昂貴。

圖1.環(huán)形激光器采用4個無芯硅石光纖維泵浦,這些光纖圍繞著激活光纖,將泵浦光的消失場耦合到激活光纖之中。 該圖©OSA。
近,位于Tucson的Arizona光學中心的研究人員,從環(huán)形結(jié)構(gòu)的未經(jīng)放大的光纖振蕩器中,獲得了1W的單頻輸出功率,輸出波長為1.5μm。他們說,這是以前用該方法獲得的 大輸出功率的5倍。
環(huán)形結(jié)構(gòu)是使科學家們得到高功率輸出的關鍵之一。另一個關鍵是采用了重摻雜磷酸鹽玻璃纖維, 使他們能將光纖的長度縮短到了0.6m左右,從而增加了縱模間隔。第三個關鍵是添加了另外一個用來選擇單頻的頻率識別元件。

圖2.單個光纖布拉格光柵的反射率,具有約7.5GHz(紅線)的帶寬。在加入第二個光柵時,這一對光柵起的作用就像是一個低精度的法布里-珀羅標準具,它的反射峰要窄得多(綠線)。通過用壓電傳感器來調(diào)整光柵周期,研究人員可使反射峰適合于所選縱模的需要(藍線)。垂直的箭頭代表激光器的縱模, 縱模間隔為340MHz。
整個光學系統(tǒng)包括:一個環(huán)形光纖, 一個確保在環(huán)中單向振蕩的光學循環(huán)器,和一個將光反射到循環(huán)器光纖的布拉格光柵(圖1)。在這個安排中,第一個光柵主要為諧振腔提供反饋;第二個光柵則是為了提高諧振腔的頻率識別能力。
環(huán)形結(jié)構(gòu)對單頻激光器是有好處的,因為它避免了空間燒孔效應。這種燒孔效應通常會在線性腔中發(fā)生,當二個相反傳播的波發(fā)生干涉形成駐波時,就會燒孔效應。在駐波的節(jié)點電場為零, 而且節(jié)點的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不會對輸出功率作貢獻。在光纖環(huán)形激光器中,只存在沿順時針單向傳播的波,不可能形成駐波。所有反轉(zhuǎn)的粒子都對激光輸出功率有貢獻。

圖3.波長為1.5μm的輸出功率隨975nm輸入功率線性增加。插圖表明:放大的自發(fā)輻射背景為60分貝,比信號水平低,該結(jié)果比通常用振蕩-放大結(jié)構(gòu)得到的結(jié)果要清楚得多。
縱模之間的頻率間隔與激光器長度成反比,光纖激光器一般有幾米長,以確保有足夠的激活離子(即有足夠的單通增益)讓激光器達到閾值。對這種擁擠不堪的縱模(例如,對一個3米長光纖的激光器來說,相鄰縱模間隔僅為50MHz)結(jié)構(gòu)來說,想從中挑選一個縱模是非常困難的。
為了避開這一麻煩,研究人員采用了高濃度激活離子的光纖,這樣就可以縮短諧振腔的長度。他們將一根長11cm的包泵、重參雜(1%Er3+,8%Yb3+)磷酸鹽玻璃光纖疊接光纖環(huán)中,使諧振腔長度縮短到60cm左右,從而使縱模間隔增加到340MHz。
但是,這樣的間隔對于單頻的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)來說,仍然不夠大。將光反射到循環(huán)器中的光纖布拉格光柵進一步提高了諧振腔的頻率識別功能,使3分貝的帶寬達到7.5GHz。但這樣做,又使縱模間經(jīng)常發(fā)生跳模。為了消除跳模,研究人員便在裝置中增加了第二個光纖布拉格光柵。這兩個光柵一起,構(gòu)成了一個低精度的法布里-珀羅標干涉儀,它的反射峰間隔等于由它的自由光譜范圍(free spectral range*)。
這些單個的反射峰比來自單光柵的反射峰窄得多,從而為挑選單縱模提供了足夠的頻率識別能力(圖2)。在這個實驗裝置中,放在光纖布拉格光柵之間的壓電傳感器允許研究人員將反射峰精確地設定在所要的縱模上。
激光器的輸出功率隨輸入功率線性增加,直到 大值1W(圖3)。在700mW以下的任何功率下運轉(zhuǎn),均不會出現(xiàn)跳模。因為沒有采用熱穩(wěn)定裝置,因此,在700mW以上運轉(zhuǎn)時,他們觀察到了緩慢的跳模,這是由熱引起的諧振腔長度漂移所引起的。他們相信:這一現(xiàn)象可通過在腔中添加穩(wěn)定裝置消除。