受激布里渊激光器及其应用

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热度0票  浏览201次 时间：2020年5月11日 15:52

刘 乐

（国家知识产权局专利局电学部 100088）

摘 要：布里渊光纤激光器在很多领域有巨大的应用前景，包括密集波分复用光纤通信系统、微波信号的产生、光纤陀螺、光纤传感和可控慢光等。本文介绍了布里渊光纤激光器的研究进展，并讨论了其发展的当前问题和未来前景。

关键词：受激布里渊散射；布里渊光纤激光器；光子晶体光纤1.引言

受激布里渊散射（SBS）是光纤中普遍存在的非线性现象，限制了光纤所能传输的最大光强，是高功率窄线宽光纤激光器设计过程中所要考虑的首要问题。为了提高光纤传输功率，可以通过频率或相位调制增加频带宽度，使用非均匀分布的光纤或者利用光纤布拉格光栅等。此外，偏振复用技术也可以用于抑制SBS。相对于其负面作用，光纤SBS因其固有的低阈值功率、超窄线宽增益和极高的转换效率，是布里渊光纤放大器（FBA)和布里渊光纤激光器（BFL)的理论基础，这些光学仪器能够在慢光缓存、光纤传感和分布式光纤传感、光滤波器、相干光学通信和精密激光加工等领域发挥自己的优势

[1] 。

2.国内外研究现状

早在1976年，K.O.Hill等人就提出了BFL，自此以后一直是人们研究的热点。1991年，麻省理工学院的S.P.Smith等人利用单频He-Ne激光器作为BFL的泵浦源，实现了频谱宽度为2kHz的传统结构型环形BFL，其中布里渊阈值为120μ W，斜率效率为25%。

2003年，韩国先进科学技术研究所的J.C.Yong等人提出利用不平衡的马赫-曾德尔干涉仪作为耦合器环形BFL，得到了输出功率为3.18mW,线宽小于1kHz的激光输出 [2] 。2007年，马来西亚大学的M.R.Shirazi等人首次提出了一种新型的环形BFL。该激光环形腔仅允许一阶布里渊斯托克斯光的产生，且泵浦光在腔内仅循环一次，该结构被称为单通环形腔结构。在相同的泵浦功率下，该结构相比传统的布里渊环形腔更易实现较高的功率输出，实验中得到了中心波长为1550.1nm，线宽为30kHz，最大功率为0.5dBm的激光输出。2009年，北京航空航天大学的P.Zhang等人利用单通环形腔结构得到了高效率激光输出，其中光-光转换效率达到55%，最大输出功率为22mW，线宽5MHz。2010年，美国罗彻斯特大学的W.Guan等人对单频混合布里渊掺镱光纤激光器进行了数值模拟，理论模拟结果表明激光器的最高输出功率可以达到5W，边模抑制比可以高于8dB [3] 。2010年，法国里尔科技大学的F.Mihelic等人采用布里渊单通环形腔结构实现了基于布里渊光纤激光器的超高分辨光谱分析，得到kHz以下的光谱分辨率，此方法已成功应用于DFB半导体激光器和布里渊光纤激光器的线宽特性分析中。

2012年，日本静冈大学的X.Chen等人报道了在500m长的激光谐振腔中使用一段未泵浦的掺铒光纤作为可饱和吸收体进行多纵模的抑制，其模式抑制效果显著，并在实验中成功实现了线宽为20kHz的单纵模激光输出。2013年，上海交通大学的G.Wang等人利用单通环形腔结构实现了中心波长在1540-1570nm可调谐、输出功率为1.04W、光谱信噪比为75dB、线宽为6kHz的单频激光输出。2014年，上海交通大学的Y.

Luo等人同样采用单通环形腔结构实现了2μ m波段的单频布渊光纤激光器，得到了输出功率为1.08W、信噪比为62dB、线宽为8kHz的单频激光输出。2015年，上海交通大学的L.Zhang等人利用腔内插入可饱和吸收体实现了布里渊光纤激光器单纵模输出，并重点分析了激光器在大范围内可协调的光学双态特性 [4] 。

3.关键技术及应用

3.1布里渊调Ｑ光纤激光器

脉冲光纤激光器作为一种新型光源在激光测距、光通信及光传感等领域具有广阔的应用前景。在某些应用场合，为了兼顾灵敏度、测量精度和最长监测距离，脉冲光源要求具备低重复频率、窄脉冲宽度和高峰值功率的特点。对于普通调Q光纤激光器，提高峰值功率的一个有效途径是减少与腔长成正比的脉冲宽度，但是缩短腔长势必减少腔内能量的储存，从而降低脉冲峰值功率。由于光纤中的SBS具有相位共轭、脉宽压缩、阈值低和后向散射等优点，可有效地提高激光的输出峰值功率，改善光束质量。不足的是，与其他被动调Ｑ激光器一样，瑞利散射和受激布里渊散射实现的被动调Q光纤激光器的输出不稳定，表现为脉冲峰值功率和重复周期都有较大的抖动。

为了解决这一问题，2003年南开大学的樊亚仙等提出在瑞利散射和受激布里渊散射实现的被动调Q光纤激光器中采取脉冲泵浦方式，令所有脉冲具有相同的起始条件，得到了稳定的脉冲输出

[2] 。同时，吕福云和樊亚仙等对包层泵浦调Q光纤激光器的SBS调Q、声光主动调Q以及主被动混合调Q进行了一系列实验研究，得到了脉宽2ns、峰值功率200kW、重复频率为千赫 兹的稳定脉冲输出，实验所得结果比外国同类腔结构的调Q光纤激光器输出峰值功率高了一个量极 [5] 。

3.2多波长布里渊光纤激光器

多波长光纤激光器因其在光纤传感、光谱分析仪以及系统检测领域的广泛应用而备受关注，特别是随着密集波分复用（DWDM）技术的发展，多波长光纤激光器由于其结果简单、易于与光纤连接等特点而成为光通信系统中的重要光源。在室温下实现稳定的多波长光纤激光器的方法很多，其中最关键的技术是如何抑制掺杂光纤的均匀增益展宽效益。2005年，Song和 Zhan等提出一种自激发的多波长布里渊光纤激光器。利用萨尼亚克反射镜的滤波作用和 SMF中 Rayleigh的 动态分布反馈效应，在没有窄线宽布里渊泵浦的情况下，实现了自激发多波长输出 [3] 。2007年，Zhang等提出一种可调谐的自激发的多波长布里渊光纤激光波长。通过调节双折射萨尼亚克环镜的滤波特性，可以调谐多波长布里渊光纤激光波长，波长间隔等于布里渊频移。利用Sagnac环镜的直接透射输出，还能提高多波长布里渊光纤激光器的转换效率和输出功率。2008年，huang等报道了具有约200波长输出，调谐波长可达到约45nm 的多波长布里渊光纤激光器。南开大学的司立彬等报道了大功率多波长可转换双包层光纤激光器，在25W的976nm激光泵浦下，得到功率为6W的多波长输出 [4] 。

3.3 布里渊窄线宽光纤激光器

窄线宽光纤激光器是光纤激光器的一个主要研究方向，它以线宽窄、低噪声等优点而广泛应用于光纤传感、光纤遥感以及光纤通信等领域。如果只允许一个纵摸振荡，则形成单频激光器，其输出光具有极高的时间相干性。目前，研究人员已经提出了多种压窄线宽的方法，主要有3种： ① 用波长选择 器件（如可调滤波器、布拉格光栅、光纤环形镜、偏 振控制器等）限制增益谱内起振的纵模数，让满足特定条件的少数激光频率的光振荡起来，起到压窄 线宽的作用； ② 饱和吸收体法； ③ 非相干技术法。布里渊窄线宽光纤激光器利用受激布里渊散射作为增益介质，将激光器的激射模式限制在带宽只有约20Hz的布里渊增益区内，得到线宽很窄，甚至只有几赫兹的激光输出，成为窄线宽光纤激光器 研究中很有前途的发展方向 [6] 。2008年陈伟等提出了一种具有多环形腔和光纤布拉格光栅可调谐滤波器相结合的单纵模布里渊掺铒光纤激光器。实验得到了在1550nm处功率为4dbn，信噪比＞60db，线宽小于1.5kHZ的稳定单纵模输出光。

3.4布里渊光纤陀螺

布里渊光纤环形激光器主要应用于布里渊光纤陀螺。布里渊光纤陀螺的原理和干涉式光纤陀螺有很大不同，干涉式光纤陀螺的主体是萨格奈克干涉仪，其原理基于萨格奈克效应：当陀螺旋转时，光纤线圈内沿顺时针方向和逆时针方向传播的两束光波之间产生一个与旋转角速率成正比的相位差；布里渊光纤陀螺的主体是同腔布里渊光纤环形激光器，通过检测顺时针传播和逆时针传播的布里渊散射光之间的频差，获得一个与旋转角速率成正比的输出信号 [7] 。

3.5可控慢光

布里渊光纤环形激光器可以用于产生可控慢光，实验中采用单模布里渊光纤环形激光器提供斯托克斯波作为探测波。我们使用两个级联光纤段实现了61ns的最大可调时延，大约是40ns的输入探针脉冲宽度的1.5倍。同时，还观察到相当大的脉冲展宽。这种方案的提出极大降低了慢光产生的条件，简化了实验装置，增强了设备的稳定性 [8] 。

3.6基于布里渊光纤环形激光器的微波光子学产生技术频率精细可调谐高频微波信号在通信系统、无线接入网、雷达和现代仪器设备等方面有着重要的应用。可调谐高频微波信号常规地通过电子学方式产生有诸多不足，如系统结构复杂、实现成本高，且由于电传输线的高损耗而无法实现远距离传输。而激光频率高达数百THz，将两束激光信号进行拍频极容易产生高频微波信号（数十GHz），并且光纤因其超高带宽和低功率损耗，是毫米波或微波信号的一个理想传输模式，因此，通过光子学方法产生频率精细可调谐高频微波毫米波信号是目前微波光子学研究领域中的一个重要研究课题 [9] 。

3.7布里渊光纤拍频传感应用

在布里渊光巧激光拍频传感方面，研究人员也开展了大量的研究工作。1991年，Kalli等人最早用633nm的氮気激光器系浦两个独立的光纤环腔产生受激布里渊激光进斤拍频，通过调节两个环形腔的相对温度差，实现了10-60MHz范围内可调谐的布里渊频移器，同时也进行了湿度传感，灵敏度3MHz/° C。1994年，Jurgen Czarske和Harald Muller采用1.3 波长激光器得到多纵模激光，然后选定某个模式用作布里渊索浦注入传感光纤，选择另一个合适的模式用作外差的本振光，布里渊索浦在传感光纤中激起的斯托克斯光与本振光进行拍频，当本振光频率与斯托克光频率相近时，则可Ｗ得到低频拍频信号。采用此方法，他们实现了500MHz的拍频信号处理带宽，传感灵敏度为1.3MHz/° C[10]。2011年上海交通大学詹黎教授研究组研究的基于应变调谐的超精细布里渊光纤激光器也可用于应变或温度传感。2012年Ullan等人利用布里渊光纤激光器进行了准分布式光纤温度传感，这种方法在光纤激光腔的光纤沿线的传感位置处布置了很多个光栅，可实现近似分布式传感，拍频信号处理带宽约11GHz，传感灵敏度为1.16MHz/° C，传感精度为0.47° C[6]。2013年Yang等人在一个环形布里渊光纤激光器内放入两段不同布里渊频移的光纤，一段用作参考光纤，一段用作传感光纤，实现了低频拍频处理的布里渊光纤激光器温度传感，拍频信号处理带宽为几百MHz （取决于两根光纤的布里渊频移值）传感灵敏度为 1.016MHz/° C。上述基于布里渊激光拍频的传感器，利用了一阶布里渊信号进行拍频，再根据拍频的信号频率频移变化来解调温度／应变等信息。2014年Victor Lambin Iezzi等人采用高阶布里渊斯托克斯光拍频方法，利用两个双环腔二倍布里渊频移间隔的布里渊光纤激光器，一个用于参考信号支路，一个用于温度传感支路，将二者输出的偶阶斯托克斯光直接进行拍频，利用拍频得到的射频信号频率进行温度解调，实验利用6阶布里渊信号高灵敏度的温度传感。