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光纤光栅!"#标准具选模单频环形腔光纤激光器
伍!波，!刘永智，!刘!爽，!代志勇
（电子科技大学光电信息学院，成都+"**C?）!
!!摘!要：!讨论了光纤光栅法布里>珀罗（D>/）标准具选模光纤激光器的单频运转原理，并研制了全光纤结
高掺杂浓度掺构单频掺2E@F光纤环形激光器。实验中采用两个AB+GH激光二极管双向泵浦作为泵浦源，
2E@F光纤作为增益介质，以行波腔消除空间烧孔效应，利用光纤光栅D>/标准具窄带选模特性，当泵浦光功率
为@+H1时，得到了稳定的单频激光输出。实验中使用了长C和@H的掺杂光纤，在泵浦光功率为"?CH1时
输出功率分别为"A和?$H1，光>光转换效率分别为"@I和$AI，斜率效率分别达到了"+I和@@I。输出谱
线@J:带宽*(*"GH，无跳模现象。
!!关键词：!激光技术；!光纤激光器；!环形腔；!布里>珀罗标准具；!光纤光栅
!!中图分类号：!8)$?#!!!!文献标识码：!5
!!光纤激光器以其卓越的性价比，以及抗电磁干扰能力强、转换效率高、线宽窄、输出光束质量好、可靠性高等优点，在光纤通信、激光加工、激光医疗、激光雷达、结构测距、光纤传感等方面得到日益广泛的应用。在光纤
［">$］激光器中，光纤光栅通常用来作为反射腔镜，产生窄带光谱输出，它可以使激光器紧凑、简单。与光纤法布
里>珀罗标准具相比，光纤光栅标准具有更好的窄带选模特性，可用来对光纤激光器选纵模。文献［@>?］理论分析了光纤光栅标准具的透射特性及纵模特性，在掺铒环形腔光纤激光器腔内引入光纤光栅标准具作为选频器
［C］件，得到@("+H1单频激光输出。采用掺铒镱双包层光纤作为增益介质，在光环形器上以光纤光栅标准具
［+］选频的光纤激光器得到了"1的单频高功率激光输出。这两种激光器的共同缺点是结构复杂，能量转换效
率低，文献［C］得到的效率为@I，文献［+］使用了"A1泵浦功率，效率为C(@I。国内也研究了在增益光纤上
［B>#］，但是由于增益区太短，同样相隔极近距离写入两个光纤光栅，从而构成超短腔光纤激光器实现单纵模输出
导致了输出功率小、效率低的问题。
!!为了得到高效率的单频光纤激光器，本文分析了光纤光栅标准具选模光纤激光器单频运转原理，并采用环形行波腔结构，将光纤光栅标准具作为外腔选模器件，进行了相应的实验研究，得到了稳定的单频激光输出。$%激光器单频运转原理
!!光纤光栅的反射、透射特性可用耦合模理论描述。设后向传播和前向传播的光波电场分别表示为
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（M#E），透射系数)QOR)QR
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式中：-为光栅长度；耦合系数+O$’"’HP"，折射率调制强度"’H""*N?W"*NC；"!O!N!*O$’!P"N$’!P":，
$**+>*+>"C；!!修订日期：$**+>"">"+!收稿日期：
基金项目：国家自然科学基金资助课题（+*@BB*$"）
作者简介：伍!波（"ABA—），男，博士研究生，主要从事光纤激光器与放大器及光纤传感方面的研究工作；XYZ&[T&U\(=&H。
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%强激光与粒子束第%?卷
；!"（"#$!"#光纤光栅的光强反射率和透射率分别为#&"’$&’#和%&"’&&’#；$&和#(分!!为布拉格波长；
别为反射系数的幅度和相位；’&&’和#3分别为透射系
数的幅度和相位。
,,同一根光纤上的两个布拉格波长相同的光栅便构
成光纤光栅法布里7珀罗标准具，如图%所示，图中光
’#，腔长为(。可得光纤光栅标栅长度分别表示为’%，
［;7
%)78)
#)78
#式中：+"）（?）#+=*:（"(,#(）)#%*+=*:（"(,#(）
,,根据（>）式进行相应的数值计算，得到腔长分别为#A和#11的光纤光栅标准具的透射谱曲线如图#所示，其中光栅长度’"%A11，折射率调制!-1"#C%A$B，光栅峰值反射率BAD，;布拉格波长!!"%B;B:1，
E!反射带宽A+%:1。从图#可见，光纤光栅标准具腔长("#A11时有
［;7
供反馈，光纤光栅标准具的输出谱线数目由标准具的腔长和光纤光栅的反射带宽决定，当光纤光栅标准具的腔长越短，其输出谱线间距越大，光纤光栅的反射带宽越窄，标准具所能容纳的模式数目越少。
)*&+#,F(2:=1*==*4:=G0.3(245)!6)7803294:=
图#,光纤光栅标准具透射谱
,,由于作为增益介质的掺杂光纤长度通常为数1，腔模间隔小，而光纤光栅的;E!反射带宽为A+%:1左右，得到的激光输出一般为多纵模，要想得到单纵模输出，需要采用相应的选模方法。法布里7珀罗标准具法是激光器中常用的选纵模方法，光纤光栅标准利于实现激
光器的全光纤化，且光纤光栅标准具的输出谱线数目由
标准具的腔长和光纤光栅的反射带宽共同决定，选模特
性优于普通法布里7珀罗标准具。由于掺K(;L光纤荧光
谱线很宽，在使用一个光纤光栅标准具选模时难以保证
单纵模振荡，此时可以考虑使用行波腔结构以消除空间
烧孔效应的影响，使被选择的少数几个纵模通过模式竞
争实现单纵模振荡。行波腔中光纤光栅标准具选模原理
如图;所示。如果输出激光线宽小于光纤光栅标准具的
纵模间隔，而且在较长的观察时间内没有出现跳模现象，
那么激光器就是单纵模运转的。)*&+;,8(*:.*G9045)!6)7803294:=090.3*:&94:&*3HE*:2914E0=45.2I*3J*=#11图;,光纤光栅标准具选模原理示意图
!"实验结果
,,光纤激光器结构如图
长B（PNQ）、光纤隔离器、#C#耦合器和光纤光栅法布里7珀罗标准具组成。其中增益介质为高掺K(;L光纤，
第9C期伍&波等：光纤光栅!GH标准具选模单频环形腔光纤激光器9686,，该光纤在678-,波长处峰值吸收系数为97:;
=>?-,波长的峰值吸收系数为>?:;
方式，泵浦光源为中心波长67@-,的单模输出激光二极管
（AB），AB9与ABC的最大泵浦功率分别为7@和@6,D；耦合
光纤光栅标准具刻蚀在普通单模光纤上，器分束比为9E9；
布拉格中心波长9=>=-,，光栅之间的距离为C?,,，光栅反
射率均为=?F，标准具的反射率为8?F。实验得到的光纤光
由图可知，光纤光栅标准具的带栅标准具透射谱如图=所示，
宽约为?$97-,，各透射谱线的纵模的间隔大于?$?>-,。
&&在激光器中，振荡光束经环形腔放大后，部分能量从端口
C经耦合器从端口%形成激光输出，其余部分进入端口>，然
荡光束处于行波状态，不会形成驻波，引起空间烧孔。!"#$%&’()*+",*-./01*.2)344"5*++"-#0/1*+图%&环形腔光纤激光器实验原理图后进入光纤光栅!GH标准具结构中，经过标准具选频后，振荡光束反射回端口9，进入环形腔。隔离器保证振
!"#$=&I+/-1,"11"3-1)*J.+2,34!;K!GH*./03-
图=&光纤光栅标准具透射谱!"#$@&L2.)2.1)*J.+2,344"5*+0/1*+图@&光纤激光器输出光谱图
&&实验采用M-:3@>96光谱分析仪进行实验记录，光谱仪最高精度为?$?9-,。当泵浦光功率为C=,D时，激光器开始起振，此时可以观察到几个纵模的竞争。随着泵浦功率的增加，其中一个纵模得到加强，激光谱线趋于稳定。当泵浦功率为>@,D时，开始得到稳定的光谱线，且谱线的>:;线宽不受泵浦光功率增加的影
扫描范围为=-,，精度为?$?9-,。光谱仪分析得输出激光中心波长为9=>%$7%-,，响。图@为输出光谱图，
>:;线宽为?$?9-,（光谱仪最高精度），信噪比大于=?:;。在CN的连续观察时间内，波长漂移范围小于?$?9-,。由于激光器输出激光>:;线宽为?$?9-,，小于光纤光栅标准具透射谱线的纵模间隔（?$?>-,），且长时间无跳模现象，所以我们认为此激光器输出为单纵模。
&&当泵浦光功率为9%=,D时，输出信号光功率为96,D，光G光转换效率为9>F，斜率效率为9@F，此时激光器输出功率未达到饱和，因此泵浦光已经被充分吸收，且
试验中采用的增益光纤过长，激光器的性能没有达到最佳。
如果减小增益光纤的长度，可以降低激光器泵浦阈值光功
率，同时提高输出信号光功率。我们将高掺’+>P光纤截短
至>,，进行了试验研究。此时，激光器的泵浦阈值光功率
下降为98,D，当泵浦光功率为9%=,D时，输出信号光功
光G光转换效率为C6F，斜率效率为>>F。输率为%C,D，
出激光中心波长仍为9=>%Q7%-,，>:;线宽为?$?9-,，
信噪比大于=?:;，激光器同样无跳模现象发生，波长漂移
范围小于?$?9-,。图7为增益光纤长度分别为=和>,
时激光器输出功率随总泵浦功率变化的曲线。!"#$7&L2.)2.)3O*+!")2,))3O*+图7&输出功率随泵浦功率的变化
,--)强激光与粒子束第,T卷!"结"论
!!在理论分析的基础上，以光纤光栅法布里"珀罗标准具为外腔选纵模器件，构造了高效的环形行波腔单频
得到了稳定的单频激光，无跳模现象发生，信噪光纤激光器。实验中分别采用了#和$%长的高掺&’$(光纤，
斜率效率分别为,12和$$2。本文的光纤激光器结构简比大于#)*+。输出信号光功率分别为,-和./%0，
单，能量转换效率高，而且行波腔结构消除了空间烧孔效应的影响，随着泵浦功率的增加，输出特性也不会发生
［-］，我们的光纤激改变。只要在激光器中加入偏振保持器件抑制由于高功率激光偏振模耦合引起的功率波动
光器结构就容易扩展为采用双包层增益光纤的高效率、高功率单频光纤激光器。
参考文献：
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BC>D3E89:F>G8CH45$(*IJB*K85B’D>LB’M8CNK’BO=B9FHLBDBFC89:5HK85B’+’>:::’>C89:3!"#$%&#’"$(’)’"$，/)).，#$（/）：,-)",-.）
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$,T.3
［P］!薛亦元，安宏林，傅立斌，等3单频窄线宽分布布拉格反射光纤激光器研究［6］3光学学报，/)))，#%（-）：,/#,",/#.3（Q=B44，Z9
W=@+，BC>D37>’’IM"D89BM8*CNL89:DB"%I*B;+EK85B’D>LB’L3!"#$%&#’"$(’)’"$，/)))，#%（-）：,/#,"/#.）
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>D3ZDDK85B’CHJBLNI’CF>G8CH&’]45FI"*IJB*K85B’D>LB’33-’),2,89/7)$*9:4$2,72，/)).，!’（,)）：,,1,",,1.）
［-］!S>\=LN8%>4，4>%>LN8C>[，^8\=FN8^，BC>D3XID>’8_>C8I9"LC>5DB>9*L89:DB"K’BO=B9FHK85B’D>LB’L［6］384’;-#
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光纤光栅!"#标准具选模单频环形腔光纤激光器
伍!波，!刘永智，!刘!爽，!代志勇
（电子科技大学光电信息学院，成都+"**C?）!
!!摘!要：!讨论了光纤光栅法布里>珀罗（D>/）标准具选模光纤激光器的单频运转原理，并研制了全光纤结
高掺杂浓度掺构单频掺2E@F光纤环形激光器。实验中采用两个AB+GH激光二极管双向泵浦作为泵浦源，
2E@F光纤作为增益介质，以行波腔消除空间烧孔效应，利用光纤光栅D>/标准具窄带选模特性，当泵浦光功率
为@+H1时，得到了稳定的单频激光输出。实验中使用了长C和@H的掺杂光纤，在泵浦光功率为"?CH1时
输出功率分别为"A和?$H1，光>光转换效率分别为"@I和$AI，斜率效率分别达到了"+I和@@I。输出谱
线@J:带宽*(*"GH，无跳模现象。
!!关键词：!激光技术；!光纤激光器；!环形腔；!布里>珀罗标准具；!光纤光栅
!!中图分类号：!8)$?#!!!!文献标识码：!5
!!光纤激光器以其卓越的性价比，以及抗电磁干扰能力强、转换效率高、线宽窄、输出光束质量好、可靠性高等优点，在光纤通信、激光加工、激光医疗、激光雷达、结构测距、光纤传感等方面得到日益广泛的应用。在光纤
［">$］激光器中，光纤光栅通常用来作为反射腔镜，产生窄带光谱输出，它可以使激光器紧凑、简单。与光纤法布
里>珀罗标准具相比，光纤光栅标准具有更好的窄带选模特性，可用来对光纤激光器选纵模。文献［@>?］理论分析了光纤光栅标准具的透射特性及纵模特性，在掺铒环形腔光纤激光器腔内引入光纤光栅标准具作为选频器
［C］件，得到@("+H1单频激光输出。采用掺铒镱双包层光纤作为增益介质，在光环形器上以光纤光栅标准具
［+］选频的光纤激光器得到了"1的单频高功率激光输出。这两种激光器的共同缺点是结构复杂，能量转换效
率低，文献［C］得到的效率为@I，文献［+］使用了"A1泵浦功率，效率为C(@I。国内也研究了在增益光纤上
［B>#］，但是由于增益区太短，同样相隔极近距离写入两个光纤光栅，从而构成超短腔光纤激光器实现单纵模输出
导致了输出功率小、效率低的问题。
!!为了得到高效率的单频光纤激光器，本文分析了光纤光栅标准具选模光纤激光器单频运转原理，并采用环形行波腔结构，将光纤光栅标准具作为外腔选模器件，进行了相应的实验研究，得到了稳定的单频激光输出。$%激光器单频运转原理
!!光纤光栅的反射、透射特性可用耦合模理论描述。设后向传播和前向传播的光波电场分别表示为
!（"）#$（"）
（%"）#&（"）
（M#E），透射系数)QOR)QR
+TMGU（,-）*(Q*#"$［"!$TMGU（,-）.,$=&TU（,-）#EO!FVE=SVG,=&TU（,-）
（,-）"!TMGU
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式中：-为光栅长度；耦合系数+O$’"’HP"，折射率调制强度"’H""*N?W"*NC；"!O!N!*O$’!P"N$’!P":，
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作者简介：伍!波（"ABA—），男，博士研究生，主要从事光纤激光器与放大器及光纤传感方面的研究工作；XYZ&[T&U\(=&H。
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；!"（"#$!"#光纤光栅的光强反射率和透射率分别为#&"’$&’#和%&"’&&’#；$&和#(分!!为布拉格波长；
别为反射系数的幅度和相位；’&&’和#3分别为透射系
数的幅度和相位。
,,同一根光纤上的两个布拉格波长相同的光栅便构
成光纤光栅法布里7珀罗标准具，如图%所示，图中光
’#，腔长为(。可得光纤光栅标栅长度分别表示为’%，
［;7
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#)78
#式中：+"）（?）#+=*:（"(,#(）)#%*+=*:（"(,#(）
,,根据（>）式进行相应的数值计算，得到腔长分别为#A和#11的光纤光栅标准具的透射谱曲线如图#所示，其中光栅长度’"%A11，折射率调制!-1"#C%A$B，光栅峰值反射率BAD，;布拉格波长!!"%B;B:1，
E!反射带宽A+%:1。从图#可见，光纤光栅标准具腔长("#A11时有
［;7
供反馈，光纤光栅标准具的输出谱线数目由标准具的腔长和光纤光栅的反射带宽决定，当光纤光栅标准具的腔长越短，其输出谱线间距越大，光纤光栅的反射带宽越窄，标准具所能容纳的模式数目越少。
)*&+#,F(2:=1*==*4:=G0.3(245)!6)7803294:=
图#,光纤光栅标准具透射谱
,,由于作为增益介质的掺杂光纤长度通常为数1，腔模间隔小，而光纤光栅的;E!反射带宽为A+%:1左右，得到的激光输出一般为多纵模，要想得到单纵模输出，需要采用相应的选模方法。法布里7珀罗标准具法是激光器中常用的选纵模方法，光纤光栅标准利于实现激
光器的全光纤化，且光纤光栅标准具的输出谱线数目由
标准具的腔长和光纤光栅的反射带宽共同决定，选模特
性优于普通法布里7珀罗标准具。由于掺K(;L光纤荧光
谱线很宽，在使用一个光纤光栅标准具选模时难以保证
单纵模振荡，此时可以考虑使用行波腔结构以消除空间
烧孔效应的影响，使被选择的少数几个纵模通过模式竞
争实现单纵模振荡。行波腔中光纤光栅标准具选模原理
如图;所示。如果输出激光线宽小于光纤光栅标准具的
纵模间隔，而且在较长的观察时间内没有出现跳模现象，
那么激光器就是单纵模运转的。)*&+;,8(*:.*G9045)!6)7803294:=090.3*:&94:&*3HE*:2914E0=45.2I*3J*=#11图;,光纤光栅标准具选模原理示意图
!"实验结果
,,光纤激光器结构如图
长B（PNQ）、光纤隔离器、#C#耦合器和光纤光栅法布里7珀罗标准具组成。其中增益介质为高掺K(;L光纤，
第9C期伍&波等：光纤光栅!GH标准具选模单频环形腔光纤激光器9686,，该光纤在678-,波长处峰值吸收系数为97:;
=>?-,波长的峰值吸收系数为>?:;
方式，泵浦光源为中心波长67@-,的单模输出激光二极管
（AB），AB9与ABC的最大泵浦功率分别为7@和@6,D；耦合
光纤光栅标准具刻蚀在普通单模光纤上，器分束比为9E9；
布拉格中心波长9=>=-,，光栅之间的距离为C?,,，光栅反
射率均为=?F，标准具的反射率为8?F。实验得到的光纤光
由图可知，光纤光栅标准具的带栅标准具透射谱如图=所示，
宽约为?$97-,，各透射谱线的纵模的间隔大于?$?>-,。
&&在激光器中，振荡光束经环形腔放大后，部分能量从端口
C经耦合器从端口%形成激光输出，其余部分进入端口>，然
荡光束处于行波状态，不会形成驻波，引起空间烧孔。!"#$%&’()*+",*-./01*.2)344"5*++"-#0/1*+图%&环形腔光纤激光器实验原理图后进入光纤光栅!GH标准具结构中，经过标准具选频后，振荡光束反射回端口9，进入环形腔。隔离器保证振
!"#$=&I+/-1,"11"3-1)*J.+2,34!;K!GH*./03-
图=&光纤光栅标准具透射谱!"#$@&L2.)2.1)*J.+2,344"5*+0/1*+图@&光纤激光器输出光谱图
&&实验采用M-:3@>96光谱分析仪进行实验记录，光谱仪最高精度为?$?9-,。当泵浦光功率为C=,D时，激光器开始起振，此时可以观察到几个纵模的竞争。随着泵浦功率的增加，其中一个纵模得到加强，激光谱线趋于稳定。当泵浦功率为>@,D时，开始得到稳定的光谱线，且谱线的>:;线宽不受泵浦光功率增加的影
扫描范围为=-,，精度为?$?9-,。光谱仪分析得输出激光中心波长为9=>%$7%-,，响。图@为输出光谱图，
>:;线宽为?$?9-,（光谱仪最高精度），信噪比大于=?:;。在CN的连续观察时间内，波长漂移范围小于?$?9-,。由于激光器输出激光>:;线宽为?$?9-,，小于光纤光栅标准具透射谱线的纵模间隔（?$?>-,），且长时间无跳模现象，所以我们认为此激光器输出为单纵模。
&&当泵浦光功率为9%=,D时，输出信号光功率为96,D，光G光转换效率为9>F，斜率效率为9@F，此时激光器输出功率未达到饱和，因此泵浦光已经被充分吸收，且
试验中采用的增益光纤过长，激光器的性能没有达到最佳。
如果减小增益光纤的长度，可以降低激光器泵浦阈值光功
率，同时提高输出信号光功率。我们将高掺’+>P光纤截短
至>,，进行了试验研究。此时，激光器的泵浦阈值光功率
下降为98,D，当泵浦光功率为9%=,D时，输出信号光功
光G光转换效率为C6F，斜率效率为>>F。输率为%C,D，
出激光中心波长仍为9=>%Q7%-,，>:;线宽为?$?9-,，
信噪比大于=?:;，激光器同样无跳模现象发生，波长漂移
范围小于?$?9-,。图7为增益光纤长度分别为=和>,
时激光器输出功率随总泵浦功率变化的曲线。!"#$7&L2.)2.)3O*+!")2,))3O*+图7&输出功率随泵浦功率的变化
,--)强激光与粒子束第,T卷!"结"论
!!在理论分析的基础上，以光纤光栅法布里"珀罗标准具为外腔选纵模器件，构造了高效的环形行波腔单频
得到了稳定的单频激光，无跳模现象发生，信噪光纤激光器。实验中分别采用了#和$%长的高掺&’$(光纤，
斜率效率分别为,12和$$2。本文的光纤激光器结构简比大于#)*+。输出信号光功率分别为,-和./%0，
单，能量转换效率高，而且行波腔结构消除了空间烧孔效应的影响，随着泵浦功率的增加，输出特性也不会发生
［-］，我们的光纤激改变。只要在激光器中加入偏振保持器件抑制由于高功率激光偏振模耦合引起的功率波动
光器结构就容易扩展为采用双包层增益光纤的高效率、高功率单频光纤激光器。
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