导读
单频激光器是指谐振腔只输出单一纵模的激光器，线宽和噪声是评价单频激光器性能优劣的核心参数。单频激光因为线宽窄而具有极佳的相干性，因为噪声低有利于探测系统精度与灵敏度的提升，在相干光通信、激光雷达、光谱合成、激光频率锁定、长距离相干探测和引力波探测等领域具有广泛的应用前景。但随着单纵模光纤激光器的广泛使用，尤其是在光谱合成、激光频率锁定、相干探测等领域，对单纵模激光除了线宽、噪声和相干性具有极高要求外，还要求单纵模光纤激光器具有一定的波长调谐能力，因此如何提升单纵模光纤激光的调谐性能引起研究人员极大兴趣。全文见文末“阅读原文”链接。
研究背景
单纵模光纤激光器主要有环形腔、分布布拉格反射(DBR)和分布布拉格反馈(Distributed Feedback，DFB)三种实现形式。迄今为止进行的单纵模光纤激光器调谐研究主要集中于环形腔，这是由环形腔滤波实现单纵模输出的机制所决定，即可以通过多种方法改变腔内滤波器件的参数实现几十上百纳米量级的调谐范围。由于单纵模环形腔激光器元件多，腔长通常在几米到数十米，导致纵模间隔短、输出光的模式稳定性较差且易跳模，集成性较差，因此在实际应用中存在一定的局限性。
相比于环形腔，DBR和DFB单纵模光纤激光器腔长短两个量级，结构简单，易于集成等优点，但DFB型光纤激光器需要在掺杂光纤上刻写相移光栅，制作较为困难，且相移光栅的极窄透过峰导致DFB激光器选模稳定性较差，难以实现波长大范围调谐。相比DFB，DBR型调谐范围只与构成腔的光栅中心波长改变速率相关，因此理论上具有极宽的调谐范围，但目前DBR调谐研究较少，因此有必要开展相关研究。
主要内容
DBR型光纤激光器由厘米长度的高掺杂光纤和布拉格光栅对构成，缩短有效腔长可以增大纵模间隔，结合光栅的滤波效应，实现单纵模输出。当对谐振腔整体施加温度影响时，谐振腔内纵模的位置和布拉格光栅的透过谱位置会发生改变，由于纵模的温漂速率和增益谱的温漂速率不一致，两者在光谱上的相对位置会发生改变，因此，当温度连续变化时，DBR型光纤激光器可能会出现一个由单纵模变为多纵模后再变回单纵模的过程。
在上述过程中，DBR光纤激光器输出光保持单纵模调谐的温度范围大小取决纵模温漂速率和增益谱温漂速率的差值,此差值越小，DBR光纤激光器在单纵模调谐范围就越大。此外，在此差值和布拉格光栅的反射光谱确定的情况下，减小谐振腔的腔长以增大纵模间隔同样可以增加激光器单纵模调谐的范围。但腔长的减小往往也意味着掺杂光纤的长度变短，这会导致激光器输出功率的下降。因此，为了在保证较大的单纵模温度调谐范围的同时获得一定功率的激光输出，需要合理选择掺杂光纤的长度。
分别采用15 mm和8 cm高浓度镱掺杂光纤制作DBR，将DBR谐振腔固定在黄铜片上，黄铜片由半导体制冷器进行控温。将泵浦光功率设置为300 mW，利用TEC温控系统对激光器的整个谐振腔施加温度影响，当温度从0℃增加至50℃时，15 mm高浓度镱掺杂光纤制作DBR经历由单纵模到多纵模多个转换过程，而采用8 mm高浓度镱掺杂光纤制作DBR则一直保持单纵模不变，且无跳模。
将8 mm高浓度镱掺杂光纤制作DBR谐振腔温度从0 ℃ 变化至100 ℃，记录激光器输出波长。可以看出，当谐振腔温度由0 ℃缓慢变化到100 ℃的过程中，激光的中心波长由1063.8 nm变化为1064.624 nm，即实现了0.824 nm的调谐，在调谐过程中激光始终保持单纵模输出状态。
结论
作者及团队简介
引力波实验中心依托于中科院力学所微重力重点实验室，现有固定研究人员19人，正高级 2人，副高级6人，中级及以下11人，劳务及返聘人员5人，其中科技部项目首席专家1人，中科院百人计划1人，博士后、博士和硕士40余人，在科技部、基金委和中科院等相关部门支持下，引力波实验中心完成十米基线“皮米精度激光干涉实验平台”，用于星间激光干涉测量系统的地面实验验证工作；作为牵头单位之一研制的“太极一号”，已经完成在轨测试，达到预期目的；近5年来研究团队承担了包括国家重点研发引力波专项、中科院先导项目、国家重大仪器设备开发项目、装发预研、面上基金等10多项，研究经费近亿元，研究涵盖空间引力波探测所需的高精度激光干涉仪、高精度惯性基准构建、激光指向控制及激光频率/相位控制技术、单频激光器技术、噪声评估与测试等。
团队负责人介绍：
罗子人，博士，中国科学院力学研究所研究员，博士生导师，德国马克斯普朗克引力物理研究所博士后，中国科学院微重力重点实验室副主任，中国科学院力学研究所引力波实验中心执行主任，国科大杭州高等研究院引力波宇宙太极实验室副主任，长期从事空间引力波探测、星间激光干涉测量系统、精密测量物理、广义相对论理论与实验等领域的研究工作，主持了国家重点研发计划项目和空间科学先导（二期）子子课题等任务，是我国第一颗空间引力波技术实验卫星“太极一号”的核心测量分系统主任设计师，是中国科学院空间引力波探测太极计划的首席科学家助理。在自然子刊《通讯物理》等杂志上发表论文60余篇，被引用700余次，H因子14，授权发明专利6项。E-mail:luoziren@imech.ac.cn
李磐，2014年于中科院安徽光机所获光学博士学位，2014至2021年在北京航天控制仪器研究所（航天13所）工作，高级工程师，现为中国科学院力学研究所副研究员，硕士生导师；主要研究方向为激光技术及应用、单频激光技术、噪声评估和激光非线性变频等。作为项目负责人主持国家重点研发引力波专项课题、科技部重大仪器设备开发课题、装发预研等项目，发表论文20余篇，发明专利10余项。E-mail:lipan@imech.ac.cn。
陈磊，中科院空天信息研究院硕士研究生，自2021年开始单频激光技术研究，参与国科技部重点研发计划、企业联合项目等多个项目。
文章信息
陈磊, 朱嘉婧, 李磐, 刘河山, 柯常军, 余锦, 罗子人. DBR单纵模光纤激光器波长温度调谐[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220570. doi: 10.3788/IRLA20220570
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