《Optical Fiber Technology》：A Yb-doped self-sweeping fiber laser with intensity dynamics control
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自扫频光纤激光器通过改变环形腔辐射方向实现连续波与微秒级脉冲的功率依赖动态转换，首次在Yb掺杂系统中观察到该特性，并提出新的强度动态表征标准。
亚历山大·A·克里沃诺索夫|阿丽娜·尤·特卡琴科|尼基塔·R·波杜布罗夫斯基
西伯利亚分院自动化与电测量研究所，630090，新西伯利亚市科普图格大街1号
摘要
本文开发了一种掺镱的σ型腔体自扫描光纤激光器。研究表明，通过改变腔体环状部分的辐射方向可以控制其强度动态。在泵浦光和输出光同向传播的情况下，实现了连续波（CW）自扫描操作。而在泵浦光和输出光反向传播的配置中，首次观察到随着泵浦功率的增加，强度动态从连续波转变为脉冲状态。输出光的中心波长在1082–1083纳米之间，扫描范围分别为0.1至0.5纳米（对于同向和反向传播的情况）。实验表明，即使在产生微秒级脉冲的情况下，强度动态仍保持连续波自扫描的特性。本文提出了新的评价自扫描光纤激光器强度动态的标准。这些结果可用于自扫描激光器的开发和表征。
引言
窄带可调谐光纤激光器在科学和技术领域具有重要的应用价值。这类光源广泛应用于光纤传感系统、激光光谱学等领域[1,2]。通常通过使用中心波长可通过加热、拉伸或旋转控制的光谱选择器（例如光纤布拉格光栅、Lyot滤波器）来实现波长调节[3]。然而，这些方法需要对宏观参数进行精确控制，这大大增加了可调谐激光器的设计复杂性和成本。自扫描光纤激光器（SSFL）是一种无需外部干预即可实现波长调节的窄带激光器[4,5]。SSFL的工作原理基于种群动态光栅（PDG）的形成。PDG是在活性光纤（即掺有稀土元素的光纤）中，在激光辐射的作用下自动生成的自适应光谱选择器。由于激光腔内的反射作用，活性光纤中会形成驻波。如果光纤作为增益介质，驻波的节点和腹点分别对应于高和低的种群反转水平。这种结构被称为增益PDG，能够抑制纵向模式的振荡。这种现象也被称为空间空穴烧蚀（SHB），已在多种类型的激光器中观察到[6]。相反，如果光纤作为吸收介质，驻波的节点和腹点分别对应于高和低的吸收水平。这种结构被称为吸收PDG，能够稳定纵向模式的振荡[7]。
由于自扫描效应表现为纵向模式的顺序产生，因此SSFL的传统工作方式基于增益PDG的形成。最简单和最经典的SSFL类型是线性SSFL[8,9,10]。在大多数SSFL中，观察到的强度动态表现为持续时间为5–10微秒的钟形脉冲，其间夹杂着持续时间为20–30微秒的黑暗期[8,10]。在某些情况下，部分脉冲在激光模式间频率处表现出调制，这归因于相邻纵向模式的混杂[8,11]。另一种观察到的现象是产生由多达5–7个相邻纵向模式组成的脉冲[12]。然而，通过优化活性光纤和被动光纤的长度，可以实现单频脉冲的生成，其中每个后续脉冲对应一个新的纵向模式[12]。这种单纵向模式SSFL已应用于相干光学频率测量[13]、光谱学[14]等领域。
当光纤激光器中同时形成增益PDG和吸收PDG时，可以观察到另一种强度动态[5]。在这种情况下，输出由持续约500微秒（对于掺铒激光器可达10毫秒[15]）的连续波单频段组成，这些单频段之间夹杂着持续20–100微秒的双频突发[16,17]。这种SSFL动态被称为连续波（CW）模式。大多数情况下，这种模式出现在σ型腔体配置中。研究表明，CW部分对应于单纵向模式的产生，而双频强度突发对应于相邻纵向模式之间的转换[17,18]。这种CW SSFL已应用于布里渊分析[19]和测距仪制造[20]等领域。值得注意的是，在[21]中，通过改变偏振控制器的方向，在环形配置中实现了脉冲和CW两种生成模式。尽管[21]的主要关注点是波长动态，但作者也强调了CW模式下的双频强度突发和脉冲模式（产生微秒级脉冲）的观察结果。
本文研究了掺镱的σ型腔体光纤激光器的CW自扫描操作。当泵浦光和输出光在腔体环状部分同向传播时，实现了类似于[15,16]中描述的经典CW自扫描现象。然而，通过改变输出光在腔体环状部分的传播方向，获得了介于CW和脉冲状态之间的强度动态。在低泵浦功率下，观察到具有强烈弛豫振荡的CW自扫描现象。随着泵浦功率的增加，强度动态转变为由微秒级脉冲组成的序列，这些脉冲之间夹杂着黑暗期（类似于[8,11]中描述的动态）。研究发现，在长时间（约500微秒）的单纵向模式产生过程中，几个相邻的微秒级脉冲对应于弛豫振荡。频率跳跃仅发生在双频段期间，类似于CW SSFL的突发现象。因此，可以通过改变泵浦功率来控制从CW到微秒级脉冲产生的转换。尽管高泵浦功率下的动态与[8,11]中描述的脉冲动态相似，但它们更接近CW SSFL的特性。这些结果可能有助于未来研究中自扫描激光器强度动态的描述和分类。
实验装置
激光实验装置如图1所示。腔体由环形部分和线性部分组成，形成了经典的σ型腔体结构。所有腔体元件均采用保偏光纤，以提高激光器在热或机械影响下的稳定性。作为泵浦光源的是一个输出功率高达10瓦、中心波长为976纳米的多模激光二极管（LD）。
讨论
首先讨论观察到的不同生成模式的一般特性和原因。对于σ型腔体光纤激光器的自扫描现象，有两种可能的解释。第一种解释仅基于腔体线性部分中吸收PDG和折射率PDG的形成[17]。第二种解释认为，环状部分中的隔离不足可能导致增益PDG的形成，从而引发模式跳跃[15]。
结论
总之，研究表明，通过改变掺镱光纤激光器腔体环状部分中辐射的传播方向，强度动态可以从CW状态转变为脉冲自扫描状态。在SSFL中首次观察到随着泵浦功率的增加，强度动态从CW状态转变为产生微秒级脉冲的状态。此外，还发现微秒级脉冲的产生可以对应于长时间（约0.3毫秒）的单纵向模式生成。
作者贡献声明
亚历山大·A·克里沃诺索夫：撰写初稿、可视化处理、实验研究。阿丽娜·尤·特卡琴科：撰写初稿、可视化处理、实验研究。尼基塔·R·波杜布罗夫斯基：审稿与编辑、撰写初稿、验证、方法论制定、概念构建。
资助
本研究得到了俄罗斯科学基金会的支持（项目编号24-72-00120，https://rscf.ru/en/project/24-72-00120/）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们衷心感谢伊万·A·洛巴奇和谢尔盖·I·卡布卢科夫提供的宝贵讨论和建议。同时感谢西伯利亚分院IA&E研究所的“气体和凝聚态物质高分辨率光谱学”多用途中心提供的设备支持。
