《Optical Fiber Technology》：Dual-mode switchable single-frequency and self-sweeping Yb-doped fiber laser
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该研究设计了一种铒掺杂光纤激光器，可在单频和自扫频模式间灵活切换，通过动态栅格调控实现模式转换。自扫频模式下波长覆盖13.2nm，单频模式下覆盖10.9nm，首次将两种功能集成于单一腔体，为紧凑型可调谐激光器提供新方案。
孟凌康|陈浩伟|刘唐荣|卢宝乐|白金涛
中国西北大学光子学与光子技术研究所，西部能源光子技术国家重点实验室，光电技术与纳米功能材料国际合作中心，西安710127，中国
摘要
我们报道了一种掺镱光纤激光器，该激光器能够在单频模式和自扫描模式之间切换。这种切换方式依赖于在活性光纤内部形成的动态光栅，通过调节这些光栅的主导状态来实现不同工作模式之间的转换。因此，该激光器可以灵活地在具有波长扫描特性的微秒脉冲输出和稳定的单频连续波输出之间切换。在自扫描模式下，激光器的最大扫描范围为13.2纳米；而在单频模式下，其波长调节范围为10.9纳米。这项工作将单频操作和自扫描功能集成在一个腔体中，为开发紧凑、可调且多功能的激光源提供了新的途径。
引言
光谱可调性一直是光纤激光器研究的主要焦点。作为一类重要的可调波长光纤激光器，自扫描光纤激光器近年来因其独特的调谐机制和狭窄的瞬时线宽而引起了广泛的研究兴趣。自扫描现象源于增益介质驻波场中的空间孔烧蚀（SHB）所产生的动态光栅。这种内在的调谐机制无需外部调谐元件即可工作，其固有的自发性调谐能力和高分辨率使其成为一种非常有吸引力的光源。这些优势使其在光谱分析[1]、光纤传感[2]和激光测距[3]等领域得到了实际应用。
自扫描现象最初是在红宝石激光器中发现的，半个世纪后又在光纤激光器中重新被发现。后续研究确定了不同的自扫描状态，揭示了该效应的潜在原因，并推动了其在光纤激光器中的应用取得显著进展[4],[5]。自扫描效应的光谱动态表现为激光输出波长在一个方向上漂移，直到达到扫描范围的边界，然后跳回到初始波长附近；波长移动的方向分为正向和反向，波长增加称为正向，减少称为反向。在波长扫描过程中，强度动态特征是由弛豫振荡引起的自脉冲，这些信号的周期和强度通常是变化的[6]。还存在一种波长静止状态，在这种状态下，激光输出波长几乎不发生漂移，具有良好的长期稳定性，在这种状态下动态光栅仍然起着重要作用[7]。通过控制泵浦功率或使用偏振控制器（PC）调制可以实现不同的自扫描状态[8]。
自扫描光纤激光器的波长调节不需要任何可控的光谱选择装置；这种调谐方式被称为被动调谐[9]。主动调谐光纤激光器通常需要将复杂的可调滤波器或电驱动装置集成到腔体中。此外，要获得单频（SF）输出，需要采用基于光学微调效应的模式选择方法或减小腔体长度等技术[10],[11]。在支持驻波的腔体中，通常需要控制偏振状态以避免SHB，以提高激光器的稳定性。然而，在未泵浦的光纤中，驻波可以形成动态光栅作为选择性跟踪滤波器，这些光栅现在被广泛用于可调窄线宽光纤激光器。R. Paschotta等人指出，在光纤的吸收区域，SHB的稳定作用可能比在泵浦区域的破坏作用更强，并利用这一特性在线性腔体掺镱光纤激光器中实现了稳定的单频操作[12]。通过加热光纤的一部分实现了调谐（5 GHz的调谐范围），但调谐范围受到光纤布拉格光栅（FBG）的限制。在所有偏振保持的双向环形腔体中，如果没有波长选择装置，可以通过选择适当的增益光纤长度（过长会增加线宽，过短会导致自扫描）并在增益光纤的泵浦不足部分形成稳定的动态光栅来实现单频输出，这种光栅具有较高的斜率效率，但无法调节[13]。这些研究成果充分表明，活性光纤的吸收区域可以被视为一种光纤饱和吸收体，利用这一特性可以大大简化单频光纤激光器的设计，并可能进一步实现波长的自扫描。
在这项工作中，我们展示了一种可切换模式掺镱光纤激光器，它可以在自扫描模式和单频模式之间切换。在自扫描模式下，激光器产生由PC调制动态控制的微秒脉冲。当切换到单频模式时，输出从微秒脉冲变为正弦调制的连续波（CW），波长不再周期性漂移，而是作为单波长输出。通过法布里-珀罗干涉仪验证了这种单波长输出为单频信号，并且可以实现波长调节。这两种工作模式对应于不同的光谱范围。
实验装置
实验装置如图1所示的九折形腔体。增益介质位于掺镱光纤（YDF，LIEKKI Yb 1200–4/125）的环形部分，长度约为1米。YDF由一个976纳米的激光二极管（LD）泵浦，该激光二极管连接到一个976/1060纳米的波长分束器（WDM）。将WDM的未使用信号端口和YDF连接到一个30/70的光耦合器（OC）形成环形部分。在OC和YDF之间设置了一个偏振控制器（PC1）以控制
自扫描模式
在实验中，激光产生的泵浦功率阈值是65毫瓦，而自扫描的泵浦功率阈值是80毫瓦。当泵浦功率大于340毫瓦时，自扫描现象变得不稳定，并开始出现杂乱的光谱。在80-340毫瓦的泵浦功率范围内可以实现自扫描操作，在130毫瓦的泵浦功率下观察到三种自扫描状态。如图2(a)所示，在扫描过程中，光谱形状保持良好的均匀性
单频模式
通过调整83-300毫瓦的泵浦功率，可以获得稳定的单波长输出。激光的工作模式从自脉冲状态变为正弦调制的连续波（CW）状态，输出波长移至短波长区域（<1049纳米），不再发生频率偏移，波长扫描现象也消失了。正弦调制的连续波信号如图3(c)和(d)所示，重复频率为92.4兆赫。当泵浦功率超过300毫瓦时，
结论
总结来说，我们展示了一种自扫描光纤激光器的单频操作。这种激光器表现出两种不同的工作模式，分别与不同的光谱区域相对应，模式切换是通过操纵动态光栅的主导状态来实现的。PC调制实现了对三种自扫描状态的动态控制，并能精确调节扫描参数（如扫描范围和扫描速率等）。在单频模式下，工作波长被切换到较短波长
作者贡献声明
孟凌康：撰写——原始草稿、研究、数据分析、概念化。陈浩伟：撰写——审稿与编辑、资源获取、数据管理、概念化。刘唐荣：软件开发、方法论、研究。卢宝乐：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目协调、方法论、资金获取。白金涛：软件开发、资源管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
中国陕西省自然科学基金（2025JC-YBMS-757和2024JC-YBMS-465）；陕西省重点科技创新团队项目（2023-CX-TD-06）。
