基于四波混频效应的1.5 μm多波长单频光纤激光器.docx
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2023-02-23
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0. 引 言
作为激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测技术，激光雷达在无人驾驶、环境
监测等领域具有重要的应用价值
[1-2]
，用于产生探测信号的激光器作为激光雷达的重要组成
部分一直是研究的重点。多波长单频光纤激光器不仅具备单频光纤激光器光束质量好，结
构紧凑，线宽窄等优势，还可以同时输出多个波长的单频激光
[1]
，这些特点使其成为高精
度激光雷达的理想光源。除了激光雷达以外，多波长单频光纤激光器在波分复用光通讯系
统
[3]
、微波光子学
[4]
、太赫兹光谱学
[5]
等领域有着广泛的应用。因而，高性能的多波长单频
光纤激光器的研制也成为相关领域的研究热点。
串联谐振腔
[6]
是最早被用于制作多波长单频光纤激光器的方法，该方法是通过串联多
个单频激光谐振腔进而获得多波长单频激光输出。该方案避免了不同波长成分对上能级粒
子的竞争，使得激光器得以长期稳定运行。然而，由于激光器输出波长与串联谐振腔的数
量相关，且不同谐振腔产生的波长成分相干性不高，采用串联谐振腔的方法较为有限。
目前，另一个方法是在同一增益光纤中
[7-8]
同时实现多波长单频激光输出。由于需要在
同一增益介质内产生多个波长，这一方法对增益光纤的掺杂浓度和增益谱宽度都有较高要
求。除此之外，还需要在腔内加入特定的波长选择元件，才能实现稳定的多波长输出。在
实际操作中，除了使用法布里-珀罗滤波器
[9-10]
等精密梳状滤波器
[11]
，也可使用多个光纤
Lyot-Sagnac 环
[10,12]
或是窄带光纤光栅
[13-15]
进行选频和滤波。由于所有波长来源于同一增益
介质，这使得不同波长之间存在竞争，造成波长的不稳定性，同时受限于增益谱宽度，该
方案使得多波长的宽度有限。
利用非线性效应
[16]
实现多波长单频光纤激光器则可以有效解决增益谱宽度，以及增益
竞争的问题。其基本原理是将获得的单/双频激光输出作为种子，借助非线性介质产生新的
频率成分，进而获得多波长输出。这一过程中发挥作用的非线性效应一般是受激布里渊散
射(stimulated Brillouin scattering, SBS)
[17-18]
或四波混频（four wave mixing, FWM）
[18-21]
。河北
工业大学的吕志伟课题组
[18]
采用金刚石晶体作为非线性介质，利用空间光腔实现布里渊光
学频率梳振荡器，利用 SBS 与 FWM 获得了带宽 1.5 THz、最高 23 阶的 1.2 μm 光学频率
梳。然而，该方案的阈值较高，达到了 50 W，产生的不同波长的强度差距较大，同时空间
结构的使用也在一定程度限制了其应用。
鉴于 SBS 效应的阈值较高，并且泵浦光和斯托克斯光的强度差距较大等问题，借助
高非线性光纤模场直径小、作用距离长等优势，利用该光纤中 FWM 效应来实现多波长单
频的产生，可以有效减小新波长产生的阈值功率，并且光谱强度接近。为此笔者课题组利
用保偏双波长单频光纤激光器作为种子光源，该光源的两个波长分别为 1552.2 nm 与
1552.43 nm，并且强度相近。再通过声光调制器(acousto-optic modulator, AOM)强度调制与
多级光纤放大器，获得具有一定峰值功率输出的双波长单频激光。最终将输出激光注入至
一段长度为 100 m 的高非线性光纤中，该光纤在 1550 nm 处为零色散。借助光纤中的
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