单频光纤激光器分类

一．常见的单频光纤激光器的分类：

1. 分布反馈式单频光纤激光器（DFB）

2. 分布布拉格反射式单频光纤激光器（DBR）

3. 行波腔型单频光纤激光器

4. 半导体型单频激光器

各类单频激光器的结构原理：

1. DFB-FL的结构及原理：

图1：反射式的DFB-FL结构图

  该结构中的核心器件就是相移光纤光栅。该相移光纤光栅是在增益系数极高的有源光纤上刻写。相移光纤光栅与均匀光纤光栅类似，也可理解为在均匀光纤光栅中引入一个相移，使得折射率调制过程中产生一个相位突变，该突变使得布拉个光栅的反射峰内打开了一个极窄的透射窗口。相移点两端可以看作为两个波长高度一致的腔镜，在泵浦激励时，该腔镜同时完成波长选择和振荡；相移点相当于长度极短的腔体，该腔长只允许通过单一纵模。所以相移光纤光栅集反馈与输出于一身，具有结构小，稳定单纵模输出的特点，极短的腔长保证了单纵模输出。

图2相移光纤光栅的折射率调制深度分布

2.DBR-FL的结构及原理

该结构中提到了两种光纤光栅，但是其核心器件确实中间的保偏极高增益系数的有源纤。DBR型单频光纤激光器的工作波长同样取决于光纤布拉格光栅的反射波长、掺杂光纤的增益谱宽以及谐振腔的长度。通常DBR型单频光纤激光器是利用预先刻写好光栅的石英光纤与增益光纤熔接或者对接，在窄带光纤光栅端实现单频激光输出。其中BB-FBG于PM-FBG的匹配公差要求极高，最好是完全匹配。DBR型单频光纤激光器是经典的线形短直腔构型的单频光纤激光器，从激光器的基础三要素出发，其单频输出的实现原理核心在于单纵模的选取。这个重要的任务几乎完全落在了窄带的低反射率光纤布拉格光栅上。下面的示意图比较直观的说明了单纵模选取的状态。

图4中 （a）表示了谐振腔中有源增益介质的增益谱，（b）表示DBR型光纤激光器谐振腔中满足驻波条件的谐振模式（纵模）序列。（c）表示经过纵模选取后的单纵模输出

短直线腔是一种Fabry-Perot(FP)结构，其中形成稳定的驻波场后才能形成激光，即沿着腔的轴线方向形成稳定的驻波，驻波的一个波节就是该谐振腔的一个纵模。纵模的频率必需满足条件：

Vq=qc／2nL

式中q是纵模序数，c是真空中光速，n是增益介质折射率，L是谐振腔长度。 谐振腔长度确定后，纵模分布也会随之确定，纵模间隔满足 Δv=c/2nL，纵模间隔也通常被称之为自由光谱范围FSR（Free Spectral Range）从以上简单的公式可以看出，DBR型光纤激光器想要实现单频（也就是单纵模）输出，必须从两方面入手：

1）增大纵模间隔便于单纵模的选取：必须缩小DBR型光纤激光器的谐振腔长度。

2）窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）的FWHM宽度必须小于2倍的纵模间隔。不难看出，对于DBR型单频光纤激光器，窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）的重要性。一般DBR型单频光纤激光器的谐振腔总长度大约为2-5cm。

3.行波腔型单频光纤激光器

    行波（Traveling Wave）指的是行进的波，和驻波不同，行波是谐振腔中的匆匆过客，像是一些旅游者，不在谐振腔的属地内长期停留生活。行波腔单频光纤激光器主要指的是单向环形腔设计，通常采用光隔离器保证满足谐振条件的模式（也就是能够谐振的波）单向行进，通过一定比例的光分路器实现激光输出。

根据谐振腔理论，驻波腔和行波腔的纵模间隔（也就是自由光谱范围FSR）都由谐振腔的长度决定，而行波腔的纵模间隔是驻波腔的一半，因为纵模（也就是波）不需要往返，只是单一方向行进。这也意味着在同等的激光器谐振腔长度下，行波腔单频光纤激光器会有更多的纵模，选取单纵模输出更加困难。驻波腔结构的单频光纤激光器，例如DBR型和DFB型，主要的目标致力于缩短谐振腔长度，例如几个厘米，增大纵模间隔。而行波腔结构的单频光纤激光器一般腔长可达几米到十几米，特殊的长腔长单频光纤激光器的谐振腔长度甚至可达几百米，例如基于受激布里渊散射的单频光纤激光器。其纵模间隔比驻波腔单频光纤激光器低2个数量级，通常为十几个MHz到几十个MHz，所以选取单纵模输出更加困难，除了需要采用更窄带的光滤波器外，还需要采取一些辅助措施例如复合腔，偏振控制，非饱和吸收体，外腔注入锁定等方法实现稳定的单纵模输出。由此可见，行波腔单频光纤激光器的结构通常比DBR型和DFB型单频光纤激光器更为复杂，成本高，易于跳模。

行波腔光纤激光器中，有源纤长度的选择与FBG-FP的选择至关重要，根据之前工作经验，之前有提到将FBG-FP更换为相移量＜π的相移光纤光栅，但是效果不要理想，依然会存在调模现象，该类单频光纤激光器抗震性能较差。

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