基于增益開關LD的高功率脈沖光纖激光器研究

朱 辰，王雄飛，張 昆，李 堯，張浩彬，張大勇，張利明

（固體激光技術重點實驗室，北京100015）

基于增益開關LD的高功率脈沖光纖激光器研究

朱 辰，王雄飛，張 昆，李 堯，張浩彬，張大勇，張利明

（固體激光技術重點實驗室，北京100015）

進行了采用1064 nm增益開關LD全光纖高功率光纖放大的實驗研究。采用三級級聯(lián)光纖放大的方式，第一級放大為單包層光纖放大，第二、三級放大為雙包層光纖放大。在第三級放大最大泵浦注入功率為45.2 W時，獲得了25.3W的脈沖激光輸出，脈沖寬度223 ps，三級放大的光－光效率為55.9%。若后續(xù)進一步增大泵浦功率，則有望實現(xiàn)更高功率輸出。

光纖光學；光纖放大器；皮秒脈沖；增益開關；全光纖

1 引 言

皮秒激光脈沖在工業(yè)加工、光學測量、激光通訊、非線性光學、國防等很多領域都有著非常重要的應用。皮秒激光加工由于在加工工件上不會產(chǎn)生大量的熱，對于熱沖擊或熱應力敏感的材料來說加工處理面較為光滑平整，因此常常用于太陽能硅片切割、金屬或非金屬材料精細加工。此外利用高峰值功率激光的非線性光學效應，可以觀察到超連續(xù)譜現(xiàn)象，從而獲得輸出光譜的極大展寬，特別是近紅外的皮秒脈沖激光注入高非線性光子晶體光纖，可以獲得400～1700 nm連續(xù)光譜的輸出。

皮秒激光的產(chǎn)生手段主要有鎖模激光器（包含光纖、固體、半導體等形式）、短腔調(diào)Q固體激光器、增益開關激光器等。其中增益開關技術是一種較為簡單的獲得超短激光脈沖技術。該技術通過預先在半導體激光器出光閾值附近設置直流偏置，再疊加一個大振幅電流脈沖的電信號來驅(qū)動該激光器，從而使半導體激光器快速達到諧振狀態(tài)，然后選擇輸出對應弛豫振蕩第一個峰值的諧振光脈沖。通過這種方式可以得到比調(diào)制電脈沖的寬度要小的光信號脈沖。該技術的特點主要是使用調(diào)制電路就能產(chǎn)生超短激光脈沖。與鎖模方式的激光器相比，增益開關激光器的輸出特性主要取決于調(diào)制電路，因此輸出激光的單脈沖能量和重復頻率變化范圍很大；而且可以通過調(diào)制電路電流波形來優(yōu)化光脈沖的波形和寬度。此外采用該技術的器件機械穩(wěn)定性較高，適宜整機系統(tǒng)應用。但缺點是輸出光脈沖平均功率很低，要獲得高功率輸出時需要的放大級數(shù)較多，系統(tǒng)相應會較復雜。

由于增益開關技術對于調(diào)制電路的技術要求很高，且輸出激光功率較低，因此基于1064 nm增益開關激光器作為種子源的主振蕩功率放大（MOPA）技術方案獲得全光纖高功率光纖激光輸出的研究報道還很少。本文基于上述研究方案，以增益開關半導體激光器作為種子源，采用三級光纖放大的方式，利用30μm纖芯大模場高摻雜雙包層光纖作為功率放大級增益介質(zhì)，最終實現(xiàn)了25.3 W的全光纖輸出。

2 實驗原理與裝置

2.1 原 理

由于工作在增益開關狀態(tài)下的半導體激光器輸出功率很低，如果要達到精細加工或非線性變換等應用對高平均功率（峰值功率）光源的需要，采用MOPA方式對其進行后續(xù)放大是必不可少的。雙包層光纖形式MOPA的基本原理是：信號光由耦合器件耦合到雙包層光纖的纖芯；泵浦光由耦合器件耦合到雙包層光纖的內(nèi)包層，在波導傳輸過程中多次經(jīng)過纖芯并被摻雜離子吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號光的激發(fā)下，實現(xiàn)對信號光的功率放大。

如前所述，由于實驗中采用的種子源輸出功率要比被動鎖模激光器輸出功率低很多，信號光容易被增益光纖大部分或完全吸收，在放大過程中無法實現(xiàn)高功率或高倍率放大，能量反而會以自發(fā)輻射（ASE）的形式耗散掉，降低輸出激光的信噪比，因此設計時的關鍵點在于對放大器的優(yōu)化，使之能有效地抑制ASE。此外在高功率工作條件下，還需要著重考慮光纖傳輸過程中的非線性效應抑制以及光纖器件、增益介質(zhì)的熱管理，以保證激光器系統(tǒng)的可靠工作。

2.2 實驗裝置

圖1 實驗裝置示意圖

Yb3＋離子的975 nm吸收波長接近1064 nm發(fā)射波長，具有較高的量子效率和較低的廢熱，容易實現(xiàn)高功率輸出，因此考慮采用摻Y(jié)b3＋的光纖作為各級放大器的增益介質(zhì)。

從應用角度出發(fā)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，減少光學失調(diào)的風險，實驗裝置采用全光纖化設計，通過掌握低損耗光纖熔接工藝連接各個光纖器件，從而保證了激光器的穩(wěn)定可靠工作。

本文涉及的實驗裝置示意圖如圖1所示。

種子源為光纖耦合輸出的增益開關半導體激光器，輸出中心波長1064.6 nm，平均功率0.573 mW，脈沖寬度300 ps，重復頻率100 MHz。為了保護LD不被回光損壞，在種子源后面串聯(lián)了一個隔離器加以保護。

第一級放大的設計輸出功率較小，因此采用了單包層摻Y(jié)b3＋光纖放大的方式，由單模輸出的975 nm LD泵浦源、975／1060 nm波分復用器（WDM）、2 m單包層增益光纖和單模隔離器構(gòu)成。

第二級放大采用了雙包層光纖放大的方式。光學器件包含有：一支Oclaro公司生產(chǎn)的975 nm半導體激光二極管作為泵浦源，其額定輸出功率25 W，輸出光纖105／125，NA為0.22；一支（2＋1）×1的合束器作為耦合器，信號纖為10／130雙包層GDF光纖，泵浦單臂最大承受功率50W；3m長的Nufern公司10／130摻Y(jié)b3＋雙包層光纖作為增益介質(zhì)，其對975 nm的泵浦光吸收系數(shù)為3.9 dB／m；隔離器的最大承受功率為5W。

第三級放大同樣采用了雙包層光纖放大的方式，出于抑制非線性效應的考慮采用了較粗纖芯的雙包層光纖作為增益、傳輸介質(zhì)。泵浦源為兩只Oclaro公司975 nm LD，合束器為ITF公司（6＋1）×1產(chǎn)品，信號纖為10／130雙包層光纖，輸出光纖為30／250雙包層光纖，單臂最大承受功率50W，增益光纖為Nufern公司的摻Y(jié)b雙包層光纖，纖芯和內(nèi)包層的直徑分別為30μm和250μm，纖芯NA為0.08，內(nèi)包層NA為0.46，975 nm的泵浦吸收系數(shù)為4 dB／m，選取長度3 m。為了防止回光損傷器件，將輸出光纖切成斜8°角。

3 實驗結(jié)果與分析

當種子源注入到第一級放大后，通過調(diào)節(jié)第一級泵浦LD電流，在泵浦電流達到1000 mA時，獲得了第一級放大輸出54 mW。激光功率與泵浦功率的關系如圖2。由于信號光的輸出功率小，為小信號功率提取模式；且使用的增益光纖較長，導致信號光被后續(xù)增益光纖吸收，因此光－光提取效率較低。

維持第一級放大泵浦功率700 mW，增加第二級放大泵浦LD的工作電流，當泵浦LD的工作電流為5A（此時泵浦功率為10.7 W）時，第二級放大的輸出功率為4.3 W，光－光提取效率40.2%。激光功率與泵浦功率的關系如圖3。

圖2 第一級放大泵浦電流與輸出功率的關系

圖3 第二級放大泵浦功率與輸出功率的關系

結(jié)合對雙包層光纖放大器的理論計算和實際經(jīng)驗，考慮到第三級放大器工作的穩(wěn)定可靠，選擇第二級放大級的泵浦工作電流為3.5 A，此時二級放大的輸出功率為2.33W。將該信號光注入至三級放大器的纖芯中，逐步增加兩支第三級放大器泵浦LD的工作電流，最終在泵浦電流為10 A時，獲得了25.3 W的激光輸出，其輸出功率特性曲線、輸出光譜、脈沖寬度如圖4所示。通過光譜儀測試輸出光譜，未發(fā)現(xiàn)有非線性現(xiàn)象，且輸出激光的信噪比大30 dB。

圖4 輸出特性圖

由于第三級放大采用了（6＋1）×1的合束器，有六支泵浦單臂，而實驗中實際只用了兩支泵浦LD；從圖4（a）中線性增長的輸出曲線可以推斷：進一步增大泵浦注入功率，則有望獲得更高功率的激光輸出。

4 結(jié)論與展望

報道了基于1064 nm增益開關的全光纖高功率脈沖光纖激光器的實驗研究，采用三級級聯(lián)放大的方式，在最大注入泵浦功率45.2 W時，實現(xiàn)了25.3 W的激光輸出，光－光轉(zhuǎn)換效率為55.9%，激光器的輸出功率與泵浦功率保持線性。結(jié)果預示：若后期進一步增大泵浦功率，有望獲得更高功率的激光輸出。

該實驗結(jié)果可用于高非線性光纖中的非線性光譜展寬實驗研究，也可以用于太陽能硅晶體的切割、金屬或非金屬材料表面去除等方面的應用。

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Experimental study of high power pulse fiber laser based on gain-sw itched LD

ZHU Chen，WANG Xiong-fei，ZHANG Kun，LIYao，ZHANG Hao-bin，ZHANG Da-yong，ZHANG Li-ming
（Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory，Beijing 100015，China）

Experimental study on all-fiber high power pulse fiber laser based on 1064 nm gain-switched laser diode is reported.Themethod of tri-stage cascade amplification is employed in the experimental.The first stage amplification is single-mode ytterbium-doped fiber，and gain medium of the second and third stage amplification is double-cladding fiber.Average power of 25.3W is obtained under amaximum 45.2W pump power，and the optical-optical efficiency is 55.9%.The pulse width is 223 ps with center wavelength of 1064 nm.No nonlinear effect is observed by spectrometer，and the SNR is beyond 30 dB.A higher power laser output can be realized as the pump power is further enhanced.

fiber optics；fiber amplifier；picosecond pulse；gain-switched；all-fiber

TN248.1

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0145-04

朱 辰（1977－），男，高工，碩士，從事高功率連續(xù)、脈沖光纖激光器及超連續(xù)譜技術研究。E-mail：zhuch＠sina.com

2013-07-10