單縱模激光器介紹

輸出激光模式既是單縱模又是單橫模的激光器。單縱模是指諧振腔內(nèi)只有單一縱模(單一頻率)進行振蕩;

單橫模又稱基橫模，是指光強在光橫截面上的分布為高斯分布。

獲得單縱模的主要方法有:

1.短腔長法，縮短諧振腔長使縱模間隔大于增益曲線。

2.色散腔法，在諧振腔內(nèi)加入棱鏡或光柵構(gòu)成色散腔，使只有某一特定頻率的縱模能夠振蕩。

3.標準具法，在諧振腔內(nèi)插入一參數(shù)合適的標準具，使只有單一縱模能通過標準具振蕩。

4.濾光片法，在腔內(nèi)插入一雙折射濾光片，使通過濾光片的光頻率間隔大于增益線寬。獲得單橫模的主要方法是采取適當措施抑制高階橫模，保證諧振腔內(nèi)只有基橫模能夠振蕩。

例如在腔內(nèi)加人小孔光欄，減小腔費涅爾數(shù)，用直角棱鏡代替腔全反鏡，采用非穩(wěn)腔或臨界腔，使用軟邊光欄或軟邊反射鏡等。

隨著研究的不斷深入,鎖模光纖激光器的種類也不斷豐富,所利用的鎖模技術(shù)也不盡相同。我們根據(jù)鎖模方式的不同可以將鎖模光纖激光器大致分為三種-一是主動鎖模,一是被動鎖模,還有混合鎖模光纖激光器。

主動鎖模光纖激光器利用的鎖模方式一般是引入外界信號使激光器腔體內(nèi)的參量達到周期性變化。其特點是,在腔體內(nèi)加入調(diào)制器件或注入外部光脈沖,主動調(diào)制腔內(nèi)光波以達到鎖模的目的?，F(xiàn)在普遍研究的主動鎖模光纖激光器一般有典型的基于調(diào)制器的鎖模光纖激光器、有理數(shù)諧波鎖模(RHML, Rational Harmonic Mode Lock)光纖激光器以及注入型鎖模(Injection Mode Lock)光纖激光器。

20世紀80年代中期,英國南安普頓大學的研究人員首創(chuàng)出第一臺主動鎖模光纖激器。若不考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,1996年,日本的Yoshida等人提出了能產(chǎn)生重復頻率高達200GHz有理數(shù)諧波鎖模脈沖的激光器。2000年,H.Avramopoulos的研究小組研究出能產(chǎn)生多波長輸出的注入型主動鎖模激光器,可同時輸出10個波長的脈沖,重復頻率為30GHz,脈寬7ps[i6]。同年的OFC會議上,此小組又一次報道了他們研制的性能提高后的注入型激光器,重復頻率提高到40GHz,調(diào)諧范圍為20mn。

用主動鎖模光纖激光器產(chǎn)生的鎖模脈沖形狀對稱且重復速率高,其中心波長可調(diào)諧,也比較容易實現(xiàn)高階諧波鎖模,而且能夠直接產(chǎn)生無頻率啁嗽近似變換極限的光脈沖。然而,直接利用調(diào)制器的主動鎖模光纖激光器由于調(diào)制頻率的限制,對脈沖重復頻率的提高影響較大;另外,鎖模脈沖和其峰值功率對外界環(huán)境要求較高,外界的干擾常常會導致輸出脈沖波形不穩(wěn)定。激光器腔體內(nèi)偏振態(tài)起伏、腔長浮動以及超模噪聲等因素都會對激光器輸出的光脈沖產(chǎn)生影響有時為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要增加一些額外的措施。而且,調(diào)制器的使用在腔體內(nèi)引入了附加損耗,而調(diào)制器本身是一個非光纖元器件,也使得激光器不能進行全光纖集成。

被動鎖模光纖激光器是利用飽和吸收體、非線性光纖環(huán)形鏡(NOLM, Nonlinear Optical Loop Mirror)> 光纖的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR, Nonlinear Polarization Rotation)等方法來產(chǎn)生鎖模脈沖的。

可飽和吸收效應早在20世紀70年代就被應用于被動鎖模。主要是利用光脈沖在通過吸收體時,其邊緣部分的損耗會大于中央部分,光脈沖被不斷窄化的原理來形成鎖模。利用的可飽和吸收材料通常是半導體吸收介質(zhì)(如InGaAsP等),所以這種結(jié)構(gòu)并不是全光纖結(jié)構(gòu)。利用可飽和吸收產(chǎn)生的光脈沖脈寬一般為ps級或fs級,容易實現(xiàn)光脈沖的自啟動,能夠使重復頻率達到較穩(wěn)定的狀態(tài)。非線性光纖環(huán)形鏡進行被動鎖模,利用的是在腔內(nèi)進行的非線性效應的作用產(chǎn)生的光脈沖在親合器處分開,形成相反方向傳輸且幅值相同的兩個部分,由于自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)等作用,產(chǎn)生非線性相移。而由于EDFA放置不對稱,兩部分分別產(chǎn)生的相移量不同,兩部分同時再次進入到耦合器時,相干疊加后就會出現(xiàn)自幅度調(diào)制的脈沖窄化。在功能上,這種效應與可飽和吸收體相似,有時被并稱為加成脈沖鎖模(APM)。這種光纖激光器一般采用"8"字型結(jié)構(gòu)。根據(jù)獲得相向傳輸?shù)膬墒獾姆椒ú煌?還可以分為非線性光學環(huán)形鏡(NOLM)、非線性放大環(huán)形鏡(NALM)和色散非均衡環(huán)形鏡等。

利用主動或被動方式鎖模的激光器,因為結(jié)構(gòu)、元件等因素都有其相應的缺點和難以解決的問題。所以,可以在同一激光器腔體內(nèi)綜合兩種以上的鎖模技術(shù)來實現(xiàn)鎖模,以得到窄脈寬,高重復頻率且輸出穩(wěn)定的孤子脈沖序列。這種類型的激光器一般采用"8"字形結(jié)構(gòu),通常是在"8"字型被動鎖模結(jié)構(gòu)的其中一臂上加入主動鎖模調(diào)制器件。

主被動混合的鎖模光纖激光器可以結(jié)合兩種鎖模激光器的優(yōu)點,但不可避免的也遺留了一些缺點,如因引入主動鎖模,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)全光纖集成等,這些問題還需要進一步的研究完善。