雙模式人眼安全MOPA 全光纖激光器

云 劍，孫傳東，高存孝，朱少嵐，何浩東，馮 莉，牛林全，董利軍

1)中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119;2)中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京10039

激光測(cè)距技術(shù)具有測(cè)量精度高、準(zhǔn)直性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，其主要分為脈沖激光和相位激光測(cè)距. 脈沖激光測(cè)距利用發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的距離測(cè)量［3］. 當(dāng)采用脈沖激光輸出方式工作時(shí)，能獲得較高的單脈沖能量和峰值功率，傳輸距離遠(yuǎn)，但現(xiàn)有高頻脈沖的產(chǎn)生和計(jì)時(shí)電路技術(shù)存在瓶頸，導(dǎo)致較小的時(shí)間延遲會(huì)造成較大的距離誤差［3］，測(cè)距分辨率只能達(dá)到厘米級(jí)，僅適合遠(yuǎn)距離測(cè)量. 而相位激光測(cè)距利用發(fā)射調(diào)制光與被測(cè)目標(biāo)反射的接收光之間，光強(qiáng)的相位差所包含的距離信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的距離測(cè)量，其測(cè)距精度可達(dá)毫米級(jí)，具有測(cè)距快、精度高的特點(diǎn)，但在單頻率工作模式下，其測(cè)量范圍有限，只適于近距離測(cè)量［3］.

激光測(cè)距的光源主要有3 種:短距離低精度測(cè)量時(shí)通常直接選用半導(dǎo)體激光器［4］;固體激光器由于可以產(chǎn)生高功率、短脈沖激光，也使其成為激光測(cè)距的一種重要光源［5］，但是由于機(jī)械穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)緊湊性不足，不利提高激光測(cè)距系統(tǒng)的整體性能. 與前兩種光源相比，基于主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)技術(shù)的人眼安全和單模全光纖激光器，由于具有較高的光-光轉(zhuǎn)換效率、良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的輸出光束質(zhì)量，使其成為激光測(cè)距系統(tǒng)的理想光源［6］. 采用1 550 nm 的半導(dǎo)體激光器作為種子源，單模摻Er3+光纖作為預(yù)放大器增益介質(zhì)，使用Er3+、Yb3+共摻雙包層光纖進(jìn)行功率放大，使輸出激光工作在1 550 nm 波段，其具有人眼安全和穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)［7］.

在1 550 nm 全光纖激光器方面，2004 年P(guān)hilippov V 等［8］報(bào)道一臺(tái)MOPA 結(jié)構(gòu)Er3+、Yb3+共摻脈沖光纖激光器，由于非線性效應(yīng)的作用，脈沖寬度從70 ns 展寬至575 ns，最大峰值功率小于2 kW;其后續(xù)研究采用大模場(chǎng)直徑光纖獲得高脈沖能量和高峰值功率輸出［9］，但這類光源需要分立元器件，無法實(shí)現(xiàn)全光纖化. 2006 年，Savage-Leuchs M 等［10］進(jìn)行全光纖MOPA 激光系統(tǒng)的研究，在重復(fù)頻率為200 kHz 和脈沖寬度4.4 ns 時(shí)，獲得峰值功率6 kW的激光輸出. 2009 年P(guān)eng B 等［11］報(bào)道一臺(tái)全光纖、人眼安全、Er3+、Yb3+共摻、多級(jí)級(jí)聯(lián)脈沖激光器，功率放大器使用纖芯直徑為25 μm 的大模場(chǎng)光纖，獲得2 ns 的脈沖激光輸出. 2011 年，劉源等［12］報(bào)道一臺(tái)用于多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)的全光纖脈沖激光器，在重復(fù)頻率10 kHz、脈沖寬度500 ns 條件下，獲得116 μJ 的能量輸出. MOPA 結(jié)構(gòu)全光纖激光器在實(shí)際使用中更加靈活，是目前獲得高能量、窄脈沖輸出最可行的方法［13-17］.

本研究結(jié)合兩種激光測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)，基于MOPA 技術(shù)，設(shè)計(jì)一臺(tái)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖和連續(xù)兩種工作模式的全光纖激光器. 采用直接調(diào)制的DFB 半導(dǎo)體激光器作為種子源，其中心波長(zhǎng)為1 550 nm.放大器包括2 級(jí)預(yù)放大器和1 級(jí)主放大器. 用于脈沖激光測(cè)距時(shí)，探測(cè)器接收脈沖上升沿的回波信號(hào). 在重復(fù)頻率50 kHz 時(shí)，獲得脈沖寬度1.7 ns、峰值功率5.1 kW 的單模脈沖激光輸出，對(duì)應(yīng)的脈沖上升沿為370 ps，基本可以滿足測(cè)距精度的要求. 用于相位激光測(cè)距時(shí)，可產(chǎn)生功率為0.5 W 的連續(xù)調(diào)制信號(hào)激光輸出. 激光器能同時(shí)滿足脈沖和相位兩種測(cè)距功能的使用.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為激光器種子源結(jié)構(gòu)示意圖. 種子源由半導(dǎo)體激光器、驅(qū)動(dòng)電路模塊、溫控模塊以及信號(hào)發(fā)生器組成. 信號(hào)發(fā)生器包括脈沖頻率、脈沖幅度及脈沖寬度的控制電路. 驅(qū)動(dòng)電路模塊起到放大電信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)激光器工作的作用.

用于脈沖激光測(cè)距時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路模塊放大后為激光器提供電脈沖，進(jìn)而使激光器以脈沖方式工作，光脈沖經(jīng)過光纖放大器后獲得高峰值功率的脈沖激光輸出. 用于相位激光測(cè)距時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路模塊控制信號(hào)發(fā)生器輸出連續(xù)的調(diào)制電信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路模塊放大后為激光器提供電信號(hào)，使激光器輸出連續(xù)的光信號(hào)，再經(jīng)光纖放大器后獲得連續(xù)激光輸出.

圖1 激光器種子源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of seed laser

全光纖MOPA 結(jié)構(gòu)激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖2. 種子源采用中心波長(zhǎng)為1 550 nm 的DFB 半導(dǎo)體激光器. 激光器包括兩級(jí)預(yù)放大器和1 級(jí)主放大器，前兩級(jí)預(yù)放大器采用5.8/125 μm 的單模摻Er3+光纖作為增益介質(zhì). 抽運(yùn)源為單模光纖耦合輸出的功率為255 mW、波長(zhǎng)為976 nm 的半導(dǎo)體激光器. 通過980 nm 的光纖分束器將泵浦光功率按40∶60 分給兩級(jí)放大器，分別與兩個(gè)980/1 550 nm 的WDM 相連，將泵浦光耦合進(jìn)增益光纖中. 使用線寬1.6 nm的帶通濾波器濾除放大器中產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission，ASE)噪聲，以防止前級(jí)放大器中產(chǎn)生的ASE 對(duì)后級(jí)放大器造成飽和而降低光放大效率. 在輸出端使用隔離器將各級(jí)放大器之間隔離開，防止反饋光對(duì)前級(jí)系統(tǒng)造成干擾. 功率放大器使用長(zhǎng)度為2.3 m 的Er3+、Yb3+共摻雙包層光纖作為增益介質(zhì)，其纖芯直徑為6 μm，包層直徑為125 μm，在915 nm 的泵浦吸收為0.83 dB/m. 抽運(yùn)光源為多模光纖耦合輸出的最大輸出功率為4 W、波長(zhǎng)為976 nm 的半導(dǎo)體激光器，其輸出光纖的纖芯直徑為105 μm，內(nèi)包層直徑為125 μm. 從預(yù)放大器中輸出的信號(hào)光與多模抽運(yùn)光通過1 個(gè)(2 +1)×1 的光纖合波器耦合進(jìn)入雙包層增益光纖. 在功率放大器的輸出端熔接高功率隔離器，防止光纖端面反射，減小反射光對(duì)放大器的影響.

圖2 全光纖MOPA 激光系統(tǒng)Fig.2 Experimental setup of the all-fiber MOPA laser system

2 結(jié)果與分析

激光器用于脈沖激光測(cè)距，重復(fù)頻率為50 kHz時(shí)，種子源獲得脈沖寬度為1.7 ns、平均功率為1.6 μW 的激光輸出，經(jīng)預(yù)放大器后輸出激光的功率達(dá)到46 mW，獲得大于40 dB 的增益. 經(jīng)主放大器后輸出激光脈沖的平均功率隨抽運(yùn)功率的變化曲線如圖3. 可見，在最大泵浦功率達(dá)到4 W 時(shí)，獲得平均功率0.44 W，峰值功率5.1 kW 的單橫模激光輸出.

圖3 激光器輸出功率隨抽運(yùn)功率變化Fig.3 Output power versus pump power of the MOPA

圖4 主放大器輸出的光脈沖時(shí)域波形Fig.4 Output temporal trace of the pulse of the MOPA

利用10 GHz 探測(cè)器和6 GHz 示波器，在50 kHz 重復(fù)頻率時(shí)，測(cè)量主放大器輸出光脈沖的時(shí)域波形. 如圖4. 輸出激光脈沖寬度為1.7 ns，相應(yīng)脈沖上升沿為370 ps. 窄脈沖的獲得可以有效提高輸出激光的峰值功率，增加測(cè)量距離. 由于測(cè)距儀的探測(cè)器通過接收脈沖上升沿回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，因此，脈沖上升沿越窄越有利于提高時(shí)間鑒別刻度，進(jìn)而減小時(shí)間延遲造成的距離誤差，提高測(cè)距精度.

激光器輸出激光脈沖的光譜如圖5，光譜信噪比大于20 dB，底部的基座是濾波器帶通內(nèi)的ASE經(jīng)放大器后造成的. 在光纖放大系統(tǒng)中，非線性效應(yīng)會(huì)限制輸出激光脈沖的峰值功率. 因此，使用纖芯直徑較粗或者摻雜質(zhì)量濃度較高的光纖可以有效降低非線性效應(yīng). 然而，光纖纖芯直徑的增加會(huì)使輸出激光的模式數(shù)增多，不能保證單模激光輸出，影響激光測(cè)距精度. 選用摻雜濃度較高的光纖，可以在較短長(zhǎng)度的情況下，既降低非線性效應(yīng)的閾值，又提高增益飽和功率，有效抑制光纖中的非線性效應(yīng). 通過使用纖芯直徑為6 μm，915 nm 處泵浦吸收為0.83 dB/m，最佳長(zhǎng)度為2.3 m 的Er3+、Yb3+共摻雙包層光纖，確保單模激光輸出，并避免脈沖光譜變形. 激光器輸出的光脈沖基本可以滿足脈沖激光測(cè)距的要求.

圖5 輸出激光脈沖的光譜圖Fig.5 Output wavelength spectrum

激光器用于相位激光測(cè)距時(shí)，種子源以連續(xù)調(diào)制方式工作，輸出平均功率為1.06 mW 的連續(xù)光信號(hào)，經(jīng)光纖放大器后的最大輸出功率達(dá)0.5 W.圖6 為激光器種子源和功率放大器輸出的連續(xù)光信號(hào)時(shí)域波形圖. 激光器基本可以滿足激光相位測(cè)距的要求.

圖6 輸出的光信號(hào)時(shí)域波形Fig.6 Output temporal trace

結(jié) 語(yǔ)

本研究結(jié)合脈沖和相位兩種激光測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一臺(tái)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的全光纖激光器，其輸出激光中心波長(zhǎng)為1 550 nm. 用于脈沖激光輸出時(shí)，當(dāng)重復(fù)頻率為50 kHz，獲得脈沖寬度1.7 ns、峰值功率5.1 kW 的單模脈沖激光輸出，對(duì)應(yīng)脈沖上升沿為370 ps. 用于連續(xù)激光輸出時(shí)，獲得功率為0.5 W 的調(diào)制信號(hào). 激光器能以脈沖和連續(xù)兩種輸出方式工作，很好地滿足了兩種測(cè)距功能的要求.

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