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高効率 1550nm 狭線幅ファイバーレーザー

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2020年1月3日
laser211
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1 はじめに

ファイバーレーザーセンサーの光源として、狭い線幅のファイバーレーザーには、電磁場への干渉、安全性、小型サイズ、およびリモートコントロールの特性があります。現在、単一の縦モードの狭い線幅のファイバーレーザーを得るための3つのスキームがあります。 1)空洞内で遭遇する光波の偏光状態を制御することにより、定在波効果によって引き起こされる空間的なホールバーニングを排除する非コヒーレント技術。 2)周波数を選択し、モードホッピングボディの飽和吸収を抑制するために、レーザーキャビティにポンプされていないドープファイバを追加します。 3)DFBファイバーレーザーおよびショートキャビティDBRファイバーレーザーを含む、ショートキャビティファイバーレーザー。 3つのスキームを比較すると、スキーム1と2には複数の偏光コントローラーを使用する必要があり、それらのほとんどは環状キャビティ構造であり、制御が難しく、変換効率が低く、出力電力が非常に低いことがわかります。スキーム3の構造は単純ですが、出力パワーは200mWを超え、スロープは効率が24であり、ポンプ法を使用して短ゲインファイバで高出力パワーを実現する方法と、特別なパッケージングを実現する方法に問題があります。超短キャビティDBR構造ファイバーレーザーも中国で研究されていますが、レーザーの効率は低く、最大出力は11 mWで、線幅はMHzの範囲で制限されています。

この論文では、デュアルファイバーグレーティングベリーペロー(FBG F-P)キャビティモード選択を備えた高ファイバードープEr3 +線形キャビティー狭線幅ファイバーレーザーを開発しました。ファイバーレーザーは、非コヒーレント技術、高出力、高エネルギー変換効率、非常に狭い線幅を兼ね備えており、シンプルな構造、すべてのファイバー化、高い信号対雑音比の特性を備えており、精密ファイバーセンシングシステム。

2 狭線幅ファイバーレーザーの実験結果

ファイバーレーザーは、主に2つのFBG F-Pキャビティと高ドープEr3 +ファイバーリニアキャビティで構成されています。実験のセットアップを図1に示します。レーザーのゲイン媒体は、長さ3m、波長978nmでのピーク吸収係数17dB / m、ピーク吸収係数30の高ドープEr3 +ファイバーです。 1 550 nmの波長でdB / m。実験では、双方向ポンピング法が使用されました。励起光源は、中心波長976nmのLDです。 LD 1とLD 2の最大励起パワーは、それぞれ76mWと69mWでした。マルチ縦モード振動を引き起こす線形空洞構造の空間的ホールバーニング効果により、全ファイバー構造のファラデー回転子(FR)を使用すると、次の方法で往復ビームの偏光状態を変更できます。 90°、それによりファイバーレーザーを破壊します。定在波の形成条件は、スペースホールバーニングの影響を抑えることができます。

図1:狭線幅ファイバーレーザーの実験装置

FBG F-Pキャビティの構造を図2に示します。FBGF-Pキャビティは、一般的なシングルモードファイバでエッチングされ、グレーティング間の距離は1 cmであり、キャビティの全長は5 cmを超えません。帯域幅AS E光源で測定したFBG F-P空洞反射スペクトルを図3に示します。FBGF-P?は、反射率50、全反射率80の2つのFBGで構成されています。 FBG FP?は反射率80の2つのFBBで構成され、全反射率は99です。実験では、FBG FPキャビティはキャビティミラーとして機能し、挿入されたFPキャビティモード選択として機能します。レーザーの全繊維化。 FBG FPキャビティの出力スペクトル線の数は、FPキャビティのキャビティ長とFBGの反射帯域幅によって決まります。 FBG FPキャビティのキャビティ長が短いほど、出力ライン間隔が大きくなり、FBGの反射帯域幅が狭くなり、FPキャビティが保持できます。モードの数が少ないほど、通常のFPキャビティよりも周波数選択特性が優れています。最後に、ゲインの飽和により、いくつかの縦モードのモード競合では、中心周波数の単一縦モードが支配的であり、最終的に単一縦モードのレーザー出力が得られます。

図2:FBG F-Pキャビティの模式図

図3:FBG F-Pキャビティの反射率スペクトル

Ando6319スペクトルアナライザーを使用して、実験を記録しました。分光計の最高精度は0.01 nmでした。出力光パワーは、光パワーメーターで正確に測定されます。励起光パワーが11 mWになると、レーザーが振動し始めます。励起パワーが増加すると、安定したスペクトル線が得られ始め、スペクトル線の3 dBの線幅は励起光パワーの増加による影響を受けません。図4は、5 nmのスキャン範囲と0.01 nmの精度の出力スペクトルを示しています。分析分光計の出力レーザーの中心波長は1 550 nm、3 dBです。

ライン幅は0.01 nm未満で、信号対雑音比は50 dBを超えています。 1時間の連続観察後、レーザーでモードホッピング現象は発生せず、波長ドリフト範囲は0.01 nm未満でした。励起光パワーが最大145 mWの場合、出力パワーは73 mW、光から光への変換効率は50、スロープ効率は55です。図5は、励起パワーの関数としての出力パワーを示しています。図から、出力がポンピング電力の増加に比例して変化することがわかります。

図4:ファイバーレーザーの狭い線幅の出力スペクトル

図5:出力電力とポンプ電力

3 自己ヘテロダイン線幅測定の実験結果

現在、kHzレベルのレーザーの線幅の測定には、遅延自己ヘテロダイン/ゼロ差分分光法があります。セルフヘテロダイン方式と比較すると、周波数シフターは不要ですが、標準のRFスペクトラムアナライザーで直接測定することはできません。改良された自己ヘテロダイン測定システム[15]は、位相変調器とローカルRF発振器を追加する必要がありますが、これは自己ヘテロダイン測定システムよりも複雑です。正確なレーザー線幅を得るために、ファイバーレーザー線幅は、遅延自己ヘテロダイン法を使用して測定されました。

遅延自己ヘテロダイン法の実験システムを図6に示します。実験システム全体は、10 kmのシングルモードファイバー遅延線、中心周波数70 MHzの音響光学周波数シフター、2つの1×2で構成されます。 3 dBファイバーカプラー、光検出器、AD-VANTEST R3267 RFスペクトラムアナライザー。遅延自己ヘテロダイン測定法の測定精度は、ファイバ遅延線の長さに関係しています[16]。計算によると、10 kmのファイバ遅延線の測定精度は10 kHzです。レーザーの線幅の測定結果を図7に示します。RFスペクトルアナライザーによって取得されたスペクトル線の3 dB帯域幅は5 kHzです。測定精度の制限により、ファイバーレーザーの3 dBの線幅は10 kHz未満と見なされます。

図6:遅延自己ヘテロダイン測定の実験セットアップ

図7:10 km遅延ファイバで測定されたヘテロダイン信号

4 結論

非コヒーレント技術と組み合わせて、2つの短いFBG F-Pキャビティモードを選択することにより、空間的ホールバーニングの影響を抑制するための全ファイバーFRの使用により、単一の縦モード狭線幅ファイバーレーザーが開発されました。出力特性が示されています。しきい値励起光パワーは11 mW、出力信号光パワーは73 mW、スロープ効率は55に達します。レーザーの出力波長は1550 nmで、スペクトルは安定しており、信号対雑音比は高いです。 。 10 kmのシングルモードファイバー遅延線を使用して、遅延自己ヘテロダインの線幅を測定しました。測定精度の制限により、ファイバーレーザーの3 dBライン幅は最終的に10 kHz未満でした。

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