作者：范茬兴、孟亚飞、王枫秋 南京诺派激光技术有限公司
从20世纪80年代开始，波长可调谐的激光器就已获得极大的关注和发展。目前，波长从近紫外到近红外的可调谐激光器已投入商业生产，并有多种结构和工作机理各异的产品出现，已广泛应用于光谱学、单芯片实验室、医学诊断、皮肤医学等重要领域。
到目前为止，国际上已开发出分布式反馈（DFB）激光器、分布式布喇格反射器（DBR）激光器、基于微机电系统（MEMS）的可调谐垂直腔面发射激光器（VCSEL）、可调谐光纤激光器等。
此外，还发展了与滤波器、反射器、调制器、放大器等单片集成和混合集成的可调谐激光器，其中，采用光纤技术及MEMS技术的可调谐激光器更被市场看好，因为它们可以获得大范围内波长调谐能力，并且最有希望实现小型化、高密度、批量生产。
掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器，具有结构紧凑，输出光束质量优异，转换效率高等优点，并且增益光纤的带宽一般较宽，有利于激光器的波长调谐。过去十年，随着光纤激光技术的快速发展，可调谐光纤激光器已成为光纤激光器的重要发展方向。相比于传统可调谐固体激光器，它们具有结构简单、稳定性好、调谐范围宽等显著优势。
目前1.5 µm可调谐光纤激光技术水平已与固定波长激光器不相上下，能完全实现整个C波段（1529~1561nm）或L波段（1570~1605nm）的宽带调谐。而2 µm波段作为人眼安全波段逐渐引起市场的重视，其相关产品在大气探测、光学元件测试、激光手术和激光雷达等领域都有着重要的应用前景。
然而，市场上的2 µm激光器大多工作在固定波长模式，或者是基于半导体作为增益介质或者基于光学参量振荡（OPO）技术，导致结构复杂，不利于系统的稳定性，并且提高了生产成本。
南京诺派激光技术有限公司通过自主研发设计，推出国内2 µm连续光纤激光器SuperTune-2000。
SuperTune-2000产品外观图
可调谐激光器主要由具有有源增益区和谐振腔的激光器、改变和选择波长的可调装置、稳定输出波长装置3个基本部分组成。使用外腔反馈光栅作为波长选择元件，是可调谐激光器的常用技术手段。
诺派激光的外腔型结构设计如图所示，主要包括4部分：激光产生模块、波长选择模块（外腔反馈光栅）、电子控制及监控系统。
SupTune-2000的结构示意图
激光产生模块主要包括谐振腔结构选择、抽运光部分以及增益光纤部分。在谐振腔结构选择上，环形腔虽然有益于窄带宽激光输出，但是由于结构复杂，腔内损耗较大，不利于高效率宽带可调谐输出，因此产品结构设计上选择线性腔作为基本腔结构。
波长选择模块采用Littman-Metcalf外腔结构，并同时使用光栅和反射镜来实现波长可调谐的功能，增益元件未镀膜端出射的光束先经过准直，然后用光栅对此光束进行衍射。零级衍射光从反射镜反射回到光栅，在耦合回到增益元件前发生第二次衍射。在该结构中，光栅保持静止，而转动反射镜来调谐激光谐振腔的支持波长。与Littrow结构的激光器不同，零级自由空间光束的方向保持不变，这在某些应用中是非常有益的。
SuperTune-2000是一款中红外2 µm波段具有宽调谐范围的连续激光器，其波长调谐范围可以从1900-2050 nm，线宽0.1 nm，平均功率>1 mW。在固定波长下，具有优异的功率和波长稳定性，并且在扫描模式下，扫描速度>20 nm/s。例如，对于被动光纤元件或波导器件，通过利用SuperTune-2000的波长扫描功能，在30 s的时间内可以获得在2 µm附近宽谱的透射特征峰。
SuperTune-2000典型输出光谱
输出功率稳定性测试
2 µm可调谐光纤激光器已成为材料光谱表征、气体分子检测等研究的科研利器。
在光栅波导的测试应用时，用一段损耗可忽略的短波导将一对输入/输出光栅耦合器连接起来，然后使用SuperTune-2000连续可调谐激光进行损耗测试，由SM1950光纤构成的偏振控制器作为测试信号光，同时在芯片输出端使用InGaAs光功率计（Thorlabs S148C）测试光功率，通过步进波长输出模式设定，可实现中心波长在1935-1980 nm、步进5 nm的连续输出。比较经过芯片前、后的功率值，计算得出芯片在不同波长下的耦合损耗比。哈尔滨工业大学徐科教授课题组在进行此类研究时，得出如下曲线。
(a)光栅耦合器基于FDTD模拟（红线）及实测的偶和效率（绿线）；(b)光栅耦合器光学显微结构图
在很多应用中，插分微环谐振器是一种实用性很强的器件。微环形状是这样的。
我们将微环设计成赛道结构，其弯曲半径、耦合长度、耦合缝隙距离分别为10 μm、12 μm、200 nm。通过设计额外的氮化钛层作为加热层实现微环波长调谐。使用工作波长在2 µm波段的可调谐激光器SuperTune-2000以及功率计作为测试设备，当温度一定时，微调SuperTune-2000输出波长，观察功率计示数变化，可测得微环的两个临近的振荡峰：1967.6 nm和1979.5 nm。得益于可调谐激光器本身较高的调谐精度与信噪比，能够准确测量微环振荡峰位置以及振荡处消光比，测试结果如图(a),(b)所示，振荡峰处消光比大于20 dB。
微环也经常作为光滤波器使用，此时波长调谐能力能够显著提升器件的应用范围。文中通过电加热氮化钛层实现微环振荡峰改变，进而实现波长选择，利用SuperTune-2000宽调谐范围，可以很好地测试出不同温度下振荡峰位置，为实验提供较大的参数改变空间，相关实验结果见图(c)。
(a)和(b)分别为在1967.6 nm和1979.5 nm波长工作下微环共振值，(c)共振偏移与消耗电量的对应关系，(d)可调谐微环的俯视光学结构图。（图由哈尔滨工业大学徐科教授课题组提供）
随着2 µm激光器市场份额的不断扩大，相关元件的需求也日益增加，这对元件生产的质量和数量都提出了较高的要求。相应的元件测试系统不仅能够检测元件质量，对于改善元件生产工艺也能起到推动作用。2 µm可调谐光纤激光器作为光学元件测试系统的核心部件，需求量也随之快速增长。
大气环境中的CH4、CO2等气体是影响全球气候变暖的主要因素。它们在大气中的持续增多会形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，直接导致地球表面变热，形成温室效应。
由于CH4、CO2等温室气体在2 µm波段（1.85-2.1 µm）具有较强的分子吸收峰，因此我们可以依据光谱学技术，利用相应波段激光对特定气体进行定量检测。
与传统气体检测技术相比，利用吸收光谱技术测量气体浓度主要有以下优点：
1）可以同时监测几种污染物的浓度；
2）实现完全非接触在线自动监测；
3）仪器的灵敏度高，对于某种污染物只要选择合适的光谱波段，就可以测出低于1 ppm (1 ppm为百万分之一)的浓度；
4）系统运行费用低，安装方便，升级简单。
我国已颁布的《中华人民共和国大气污染防治法》中明确规定要把大气环境保护工作纳入国民经济和社会发展计划中，防止大气污染和保护大气层是一项长期而艰巨的任务。随着我国经济的高速发展，尤其是工业的飞速发展，我国对能源的依赖越来越大，煤炭、石油等燃烧所产生的CH4、CO2等温室气体也越来越多，2 µm可调谐光纤激光器也势必在这一市场领域占有一席之地。
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