Er3+-Yb3+共掺杂光纤环型腔被动谐波锁模激光器

　　在Er³⁺-Yb³⁺共掺杂光纤激光器中,Yb³⁺离子的掺入既可解决高浓度Er³⁺带来的浓度猝灭效应,提高了泵浦功率,又可以使吸收谱大大加宽(800~1 100 nm),从而提高泵浦效率。因此Er³⁺-Yb³⁺共掺杂光纤是一种很有前景的激光增益介质。

　　进入20世纪90年代,各种锁模光纤激光器相继推出。利用非线性偏振旋转效应产生可饱和吸收机制的被动锁模激光器,其阈值低,结构简单,易于自启动。采用Er3+-Yb3+共掺杂,输出1.55μm的超短光脉冲,在时分复用光通信技术中具有重要的应用前景。

　　国外有很多对Er-Yb共掺杂锁模激光器的研究报道。M.E.Fermann等人[1-3]连续几年报道了Er-Yb共掺杂包层光纤锁模激光器;2001年,P.W.Turner等人[4]用35 W,915 nm泵浦Er-Yb共掺光纤,Q调制获得15.55μJ的高能量脉冲激光运转;2004年,S.C.Zeller用短腔Er³⁺-Yb³+共掺杂被动锁模玻璃激光器[5]获得50 GHz,2 ps的超短光脉冲,为超高速光通信提供了高速率的光源。日本目前有10个公司生产飞秒光纤激光器,Er³⁺-Yb³⁺共掺杂光纤是其中重要的一种。

　　虽然Er-Yb共掺杂被动锁模激光在国内报道并不多,但掺Er、掺Yb的被动谐波锁模的研究成果时有报道。如林宏奂等人研究了掺Yb的被动谐波锁模激光器,观察到了4阶谐波锁模脉冲[6]。中科院西安光机所利用掺Er被动锁模光纤激光器实现了高阶谐波锁模[7]。更值得一提的是南开大学物理系在2006年[8],用6个LD同时泵浦Er-Yb光纤,用Sagnac环作为波长选择,当泵浦功率为719 mW时,锁模平均功率319 mW,重复频率7.937 MHz,脉冲峰功率大于10 W。

　　本文报道一个被动谐波锁模Er3+-Yb3+共掺光纤激光器的实验研究。在一个普通的光纤环形腔中,利用光纤的非线性偏振旋转效应,通过改变泵浦功率,精确调整偏振控制器,实现了基波和被动谐波锁模。对于高阶谐波锁模,不仅观察到了稳定的二阶、三阶谐波脉冲序列,而且在示波器上观察到谐波的相互转换、形成过程和更高阶的不稳定谐波序列脉冲;与此同时还实现了Q调制锁模和Q调制脉冲运转。文章介绍了这些实验结果并简单地分析了两种锁模原理。

　　1　实验装置及原理

　　1.1　实验装置

　　图1是一个非线性偏振旋转Er³⁺-Yb³⁺共掺杂光纤锁模激光器的实验结构图。其中增益光纤为康宁公司生产的Er³⁺-Yb³⁺增益光纤,长度为1 m,在976 nm处的吸收系数为9.6 dB/m,2个偏振控制器PC1和PC2用以改变光的偏振角度,ISO为偏振相关光纤隔离器,这几个器件共同组合产生非线性偏振旋转效应,等效为快可饱和吸收体,对腔内光脉冲起选择、窄化作用,形成稳定的超短脉冲输出。实验中,使用连接有硅快速光电探测器的带宽为200 MHz的Tek数字示波器(TDS2022B)观测激光输出的时域特性,使用多功能光谱分析仪(Anritus MS9001A)观测激光的频谱特性并通过打印机输出,使用微功率计AI9402A测量激光输出功率。