《Optics & Laser Technology》：Active wavelength control in a single-frequency fiber laser via modulation of dynamic population grating
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光纤激光器通过动态人口光栅的调制实现精准波长调谐，采用压电光路调制控制模式跳变，在固定频率下调整调制幅度可切换扫描方向并稳定波长，实验在Er掺杂光纤激光器中验证了1.4 nm的调谐范围。
埃卡捷琳娜·K·卡希里娜（Ekaterina K. Kashirina）|伊万·A·洛巴赫（Ivan A. Lobach）|谢尔盖·I·卡布卢科夫（Sergey I. Kablukov）
西伯利亚分院自动化与电测量研究所（Institute of Automation and Electrometry of SB RAS），俄罗斯新西伯利亚市，科普秋格大街1号，邮编630090
摘要
本文介绍了一种在单纵模（SLM）光纤激光器中实现精确波长调谐的技术，该方法利用动态种群光栅（DPG）的反射光谱调制来诱导受控的模式跳变。将该技术应用于掺铒光纤激光器后，我们实现了1.4纳米的波长调谐范围，并且通过改变DPG的调制方式，能够以大约一个自由光谱范围（约10 MHz）的精度改变调谐模式。这些结果为基于DPG的可调谐激光器的控制开辟了新的途径，提升了其在实际应用中的潜力。
引言
可调谐激光器在科学和技术的许多领域都有广泛应用，例如光谱学[1]、光通信[2]和医学[3]。可调谐激光器的关键参数是调谐范围和瞬时线宽。在大多数情况下，激光器的波长调谐是通过在腔体内加入各种可调谐滤波器来实现的，例如衍射光栅[4]、干涉滤波器[5]或棱镜[6]。所有这些方案都依赖于体积型光学元件，需要精确的对准。而在全光纤可调谐激光器中，可以使用基于光纤的光谱元件来克服这些缺点。这类激光器的关键可调谐元件是光纤布拉格光栅（FBG）[7]，其波长可以通过机械或热手段轻松调节。尽管FBG能够实现宽光谱范围内的波长调谐，但它们本身并不保证窄带输出。这一限制源于FBG的长度通常远小于腔体长度（因此FBG的反射带会容纳多个纵模）。因此，人们开发了专门的方法来实现窄线宽的波长调谐（理想情况下是在SLM模式下）。
第一种方法是通过缩短腔体长度来实现，已在具有分布式反馈（DFB）和分布式布拉格反射器（DBR）的光纤激光器中得到验证。在后者中，通过加热实现了0.15纳米范围内的单频调谐[8]。在前者中，通过在掺铒光纤中压缩FBG实现了超过32纳米的宽调谐范围[9]。然而，高精度控制激光器波长具有挑战性，因为这需要对温度和应力进行同样精确的控制。例如，将频率调谐10 MHz需要大约0.01 K的温度变化，而这种变化很难保持稳定。
第二种方法是延长FBG的长度。这种方法并不简单，因为制造长（数十厘米）的永久性FBG是一项具有挑战性的技术任务[10]。因此，通常使用动态折射率结构，因为它们也具有与FBG相似的特性。一个例子是声学光栅。在[11]中展示了一种可调谐激光器，其中外部源在约20厘米长的光纤段中激发声波。这种声波在光纤段内产生一个行波折射率光栅，从而起到光谱滤波器的作用。通过调节声波频率，实现了36纳米范围内的激光波长调谐。然而，这种方法的缺点是所需的声波激发方案相对复杂。此外，现有文献对它们的关键光谱特性（如纵模数量和光谱线宽）的分析有限。
基于长DPG的自扫描光纤激光器也可以实现单频调谐[12]。DPG由驻波SLM辐射写入，诱导模式跳变，使激光光频率呈阶梯式变化。重复的模式跳变可以在宽光谱范围内实现频率调谐（最多可达26纳米）。此外，DPG的长长度确保了高光谱选择性，从而增强了激光的相干性[12]。虽然自诱导调谐是一个优点，但由于模式跳变的时间位置具有不确定性，这在实际应用中可能会带来挑战。这意味着即使初始波长已知，也无法准确预测给定时间间隔后的输出波长。因此，应用系统必须包含波长或强度动态监测[13]。因此，研究人员面临一个根本性的权衡：要么简化激光器设计，但会增加数据处理复杂性（例如使用自扫描激光器）；要么增加激光器的复杂性。
通过振荡激光器腔体的光路长度可以解决模式跳变时间位置的随机性问题。在我们最近的研究[14]中，我们展示了一种基于DPG的波长扫描激光器，其中模式跳变表现出规律的时间模式。这种规律性是通过将机械谐振器集成到光学腔体中实现的，该腔体由一段被拉伸的光纤组成，其长度振荡由外部振动源驱动。在之前的研究中，我们假设模式跳变的规律性可以归因于腔体内DPG位置的谐波振荡。这种振荡会周期性改变选定的频率，从而改变具有更高增益-损耗比的腔体模式。与[11]中的系统类似，这种方案的缺点是其复杂性（我们案例中使用的机械长度振荡结构）。我们之前的调制方法不适用于实际应用，因为它需要精确调节光纤张力，并且对振荡的频率和幅度控制有限。
本文展示了通过压电光路调制在光纤激光器中实现受控模式跳变的方法。激光在这些跳变之间产生SLM辐射。通过改变固定频率下的调制幅度，我们可以改变波长扫描方向（正向/反向），稳定扫描过程，或者实现单模式跳变精度（约10 MHz）的精确调谐。实现了1.4纳米的正向扫描范围。这项技术为实际应用中的单频光纤激光器提供了控制中心波长的新方法。
实验装置和方法
图1展示了带有振动诱导扫描功能的掺铒光纤（EDF）激光器的示意图。该激光器基于保偏（PM）元件。为了描述激光器的工作原理，腔体结构可以分为线性和环形部分，两者由一个中央的20/80耦合器分隔。环形部分也称为放大光纤环镜（AFLM），包括中央耦合器、一个1540/1610反射波长分束器（RWDM）以及PM掺铒元件
讨论
本文提出了一种通过光路长度调制实现SLM光纤激光器确定性波长调谐的技术。我们的调谐技术与传统可调谐激光器使用的传统技术不同之处在于，我们没有使用永久性的可调谐光谱滤波器（如FBG或标准具）。相反，激光器本身的振荡在吸收光纤中诱导出DPG，后者作为瞬态光谱滤波器来确保稳定的SLM操作。
结论
在这项工作中，我们展示了一种通过利用动态种群光栅（DPG）的反射光谱振荡来诱导受控模式跳变的方法，从而在单纵模（SLM）光纤激光器中实现精确的波长调谐。通过改变固定频率下的调制幅度，我们可以改变波长扫描方向（正向/反向）并稳定扫描过程。将该技术应用于掺铒光纤激光器后，我们实现了1.4纳米的波长调谐范围。
作者贡献声明
埃卡捷琳娜·K·卡希里娜（Ekaterina K. Kashirina）：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理、概念构建。
伊万·A·洛巴赫（Ivan A. Lobach）：撰写 – 审稿与编辑。
谢尔盖·I·卡布卢科夫（Sergey I. Kablukov）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论设计、概念构建。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
在本研究中使用了西伯利亚分院IA&E“气体和凝聚态物质的高分辨率光谱学”多访问中心的设备。
