58 kW高峰值功率窄線寬納秒脈沖光纖激光器

李 堯,溫 強(qiáng),張 昆,李 政,張浩彬,余 洋

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

高峰值功率納秒脈沖窄線寬光纖激光器因其同時(shí)具備窄線寬和高峰值功率的優(yōu)勢(shì),在非線性光學(xué)頻率變換、激光雷達(dá)等領(lǐng)域獲得了極大關(guān)注與應(yīng)用。

通過(guò)直接在窄線寬連續(xù)激光腔外進(jìn)行腔外調(diào)制,利用電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器等將連續(xù)光斬波成脈沖光是獲得窄線寬激光的一種有效手段,具有可通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立控制脈寬、重頻、脈沖波形等參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。但是由于斬波后功率損耗較大,多需采用MOPA結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)后續(xù)的多級(jí)放大得以繼續(xù)應(yīng)用。

受激布里淵散射(SBS)是制約窄線寬納秒脈沖光纖激光器峰值功率提升的主要限制因素。2018年,西安電子科技大學(xué)報(bào)道了一種脈寬2.8 ns、重頻1.59 MHz、線寬330 MHz、偏振消光比14.5 dB的光纖激光器,激光器峰值功率的進(jìn)一步提升受限于受激布里淵(SBS)效應(yīng)[1]。根據(jù)SBS的閾值公式,對(duì)SBS的抑制方法包括:增大增益光纖纖芯面積[2]、減小光纖長(zhǎng)度[3-4]、降低光子與聲子的重疊度[5]、改變光纖結(jié)構(gòu)[6]、展寬SBS增益譜[7-8]、減小脈沖寬度[9]等等。

通過(guò)多種技術(shù)方法相結(jié)合,本文報(bào)道了一種窄線寬納秒脈沖光纖激光器。通過(guò)在功率放大級(jí)采用纖芯直徑30 μm、長(zhǎng)2 m的大模面積摻鐿保偏雙包層光纖,增大了纖芯面積；縮短了光纖長(zhǎng)度；減小了SBS增益系數(shù)；同時(shí)減小脈沖寬度,使光脈沖與聲子壽命可比擬從而時(shí)壓制光纖中聲波場(chǎng)的形成,有效抑制了SBS等非線性效應(yīng),獲得了高峰值功率激光輸出。光纖激光器采用MOPA結(jié)構(gòu)。窄線寬種子源輸出連續(xù)種子光,經(jīng)電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制為重頻100 kHz、脈寬6 ns的脈沖信號(hào)光,再經(jīng)4級(jí)光纖放大,最終輸出高峰值功率納秒脈沖激光,中心波長(zhǎng)1064.31 nm,平均功率56.9 W,重頻100 kHz,脈寬9.8 ns,峰值功率58 kW,光束質(zhì)量M2=1.34,偏振消光比15.6 dB。

2 實(shí)驗(yàn)方案

窄線寬納秒脈沖光纖激光器采用窄線寬種子源加四級(jí)光纖放大的MOPA結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,工作波長(zhǎng)1064 nm。光路中的增益光纖采用熊貓型保偏光纖,具有雙折射效應(yīng)高、纖芯圓度好等優(yōu)點(diǎn),無(wú)源器件均采用保偏器件。

圖1 窄線寬納秒脈沖光纖激光器實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.1 Schematic setup of single frequency nanosecond pulsed fiber laser

窄線寬種子源為尾纖輸出的DFB LD,輸出連續(xù)波種子光,最大輸出功率20 mW,工作波長(zhǎng)1064.2 nm。線寬小于3 MHz,邊模抑制比(SMSR)45 dB。后接電光強(qiáng)度調(diào)制器(EOM)為法國(guó)Photoline公司的LiNbO3波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度調(diào)制器,尾纖為PM 6/125 μm光纖。通過(guò)任意波形信號(hào)發(fā)生器(AFG)驅(qū)動(dòng)電光強(qiáng)度調(diào)制器對(duì)連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,生成滿足要求的脈沖光信號(hào)。任意波形發(fā)生器的最高調(diào)制頻率70 MHz,最小調(diào)制脈寬4 ns。信號(hào)的脈沖寬度和重復(fù)頻率通過(guò)任意波形發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置。

由于占空比較低,經(jīng)過(guò)電光強(qiáng)度調(diào)制器后的脈沖信號(hào)光輸出功率會(huì)有較大衰減,僅為40 μW。為保證獲得足夠的增益,先通過(guò)兩級(jí)摻鐿保偏單模光纖(PM YSF-6/125)將脈沖信號(hào)光進(jìn)行預(yù)放大。兩級(jí)預(yù)放大增益光纖均采用摻鐿保偏單模光纖,數(shù)值孔徑NA 0.11,在975 nm吸收系數(shù)為250 dB/m,光纖長(zhǎng)度經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后分別為2.2 m和1.9 m。這兩級(jí)單模預(yù)放大級(jí)均采用正向泵浦,由一支最大輸出功率750 mW、輸出波長(zhǎng)976 nm的半導(dǎo)體激光器(750 mW LD)通過(guò)50/50光纖分束器分光(50/50 coupler)后經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器(WDM)進(jìn)行泵浦。為減小激光器的體積和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),波分復(fù)用器為帶有隔離濾波功能的復(fù)合器件,尾纖型號(hào)SM98-PS-U25D-H,慢光工作。隔離功能用于避免光路中的反向光向后傳輸將前級(jí)打壞；濾波功能用于濾除光纖放大中產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射(ASE)。在預(yù)放大級(jí)輸出端連接帶通濾波器(BPF)也起到相同作用。

經(jīng)兩級(jí)單模預(yù)放大后,進(jìn)入10/125摻鐿保偏雙包層光纖放大。一支功率9 W、輸出波長(zhǎng)976 nm的半導(dǎo)體激光器(9 W LD),輸出尾纖105/125 μm,通過(guò)一支輸入信號(hào)尾纖PM 6/125 μm、輸出尾纖PM 10/125 μm的(2+1)×1的光纖合束器((2+1)×1 coupler)耦合注入摻鐿保偏雙包層光纖(PM YDCF-10/125)進(jìn)行泵浦。該光纖為nufern公司生產(chǎn)的PLMA-YDF-10/125-M光纖,纖芯直徑10 μm,數(shù)值孔徑NA 0.08；內(nèi)包層直徑125 μm,數(shù)值孔徑NA 0.46。在915 nm處泵浦激光吸收系數(shù)為1.8 dB/m。經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后光纖長(zhǎng)度選取3.7 m。

窄線寬信號(hào)光在光纖放大過(guò)程中產(chǎn)生的受激布里淵散射(SBS)等非線性效應(yīng)會(huì)帶來(lái)后向散射光。在進(jìn)入下一級(jí)功率放大級(jí)之前,加入光纖隔離器(ISO)保護(hù)前級(jí)光路因后向光過(guò)大而造成損壞。通過(guò)10/90光纖耦合器(10/90 coupler)的10 %端對(duì)SBS的狀態(tài)進(jìn)行功率監(jiān)測(cè),當(dāng)發(fā)現(xiàn)功率非線性增加時(shí)表示已達(dá)到SBS效應(yīng)的閾值。為了更好地保持輸出光的偏振態(tài),在光纖隔離器后增加了慢光工作的在線起偏器(in line polarizer)。

放大后的脈沖信號(hào)光最終進(jìn)入30/250摻鐿保偏雙包層光纖功率放大級(jí)進(jìn)行放大。兩支功率100 W、波長(zhǎng)976 nm的半導(dǎo)體激光器(100 W LD)通過(guò)帶有模場(chǎng)匹配功能的(2+1)×1光纖合束器(2+1)×1 coupler)將泵浦光注入摻鐿保偏大模場(chǎng)雙包層光纖(PM YDCF-30/250)。該光纖為nufern公司生產(chǎn)的PLMA-YDF-30/250-HI-8光纖,纖芯直徑30 μm,數(shù)值孔徑NA 0.06；內(nèi)包層直徑250 μm,數(shù)值孔徑NA 0.46。在975 nm處的吸收系數(shù)為5.25 dB/m,經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后長(zhǎng)度選取2 m。為了濾除未被吸收的剩余泵浦光,提高輸出光束質(zhì)量,功率放大級(jí)的輸出端接有包層光處理器(CPS)。放大激光通過(guò)定制的端帽輸出。采用水冷方式對(duì)功率放大級(jí)散熱,水溫25 ℃。

3 結(jié)果分析

DFB LD輸出的窄線寬連續(xù)波種子光,經(jīng)電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制為重頻100 kHz,脈寬6 ns的脈沖信號(hào)光。脈沖信號(hào)先經(jīng)過(guò)兩級(jí)單模摻鐿保偏單模光纖預(yù)放大級(jí)進(jìn)行放大。750 mW LD輸出的泵浦功率484 mW時(shí),經(jīng)第一級(jí)預(yù)放大后脈沖信號(hào)光功率被放大至4.48 mW,經(jīng)二級(jí)預(yù)放后功率放大至42.8 mW。再經(jīng)10/125摻鐿保偏雙包層光纖預(yù)放大級(jí)進(jìn)行放大。9 W LD輸出泵浦功率4.18 W時(shí),脈沖信號(hào)光功率被放大至1.61 W。最終,脈沖信號(hào)光進(jìn)入功率放大級(jí),測(cè)得激光的功率隨泵浦功率的增加呈線性增長(zhǎng)。輸出特性曲線如圖2所示,斜效率71.7 %。泵浦功率75.17 W時(shí),激光輸出平均功率56.9 W。

圖2 功率放大級(jí)輸出激光功率隨泵浦功率的變化Fig.2 Output power as a function of pump power

窄線寬光纖激光器輸出功率的提升主要受限于SBS。SBS具有較低的閾值功率。一旦達(dá)到SBS閾值,后向傳輸?shù)乃雇锌怂构鈺?huì)隨著輸入泵浦激光功率的增加呈非線性趨勢(shì)增長(zhǎng),最終將大部分輸入功率轉(zhuǎn)換為后向功率。SBS的閾值表達(dá)式為:

(1)

式中,KB為偏振因子,由泵浦光的偏振態(tài)決定,線偏振光取KB=1,自然光KB=0.5;Aeff為纖芯截面面積,Leff為SBS有效作用長(zhǎng)度,與實(shí)際光纖長(zhǎng)度L的關(guān)系如式(2)所示,其中α為光纖的衰減系數(shù):

Leff=[1-exp(-αL)]/α

(2)

為了提升SBS效應(yīng)的閾值,實(shí)驗(yàn)中功率放大級(jí)采用的增益光纖為摻鐿保偏雙包層光纖。保偏光纖的特殊結(jié)構(gòu)使得光纖內(nèi)的折射率發(fā)生改變,減小了SBS增益系數(shù)；該光纖為纖芯直徑30 μm的大芯徑光纖,增大了有效纖芯截面面積；實(shí)驗(yàn)中通過(guò)優(yōu)化光纖長(zhǎng)度,使長(zhǎng)度縮短至2 m。同時(shí),調(diào)制激光器使其工作的脈沖寬度小于10 ns,使SBS聲波場(chǎng)難以建立。通過(guò)上述措施,實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)SBS對(duì)輸出功率的限制。

激光功率的進(jìn)一步提升受限于次脈沖的產(chǎn)生。通過(guò)光電探頭探測(cè)輸出激光脈沖的時(shí)域特性。激光輸出56.9 W時(shí),在示波器上觀測(cè)到激光脈沖波形,重頻100 kHz,脈寬9.8 ns,此時(shí)對(duì)應(yīng)的激光峰值功率為58 kW。若繼續(xù)增加泵浦功率,在示波器上會(huì)發(fā)現(xiàn)次脈沖的產(chǎn)生,如圖3所示,圖中右側(cè)小的脈沖峰即為次脈沖。

圖3 輸出激光脈沖波形圖Fig.3 Pulse waveform of output laser

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在示波器上觀察到的次脈沖在位置和幅度上具有不穩(wěn)定性。根據(jù)文獻(xiàn)[10]～[12],造成次脈沖現(xiàn)象的原因是對(duì)于低占空比的脈沖放大,因脈沖間隔較長(zhǎng),在脈沖時(shí)間間隔內(nèi)會(huì)造成ASE的功率累積,使得在信號(hào)光波長(zhǎng)處產(chǎn)生寄生激光和自脈動(dòng)(Self-pulsations)。后續(xù)將通過(guò)使用窄帶濾波器、提高前級(jí)注入信號(hào)功率及泵浦功率、提升熔接質(zhì)量以減少光纖放大器內(nèi)熔接反饋或端面反饋等方法來(lái)減少光纖放大過(guò)程中ASE效應(yīng)的積累,抑制次脈沖的出現(xiàn)。

采用光譜分析儀測(cè)量此時(shí)的激光光譜,中心波長(zhǎng)1064.309 nm,如圖4所示。

圖4 輸出激光光譜圖Fig.4 Spectra of output laser

與種子光3 dB譜寬0.064 nm相比,光譜有一定程度的展寬,3 dB譜寬0.379 nm。這主要是由自相位調(diào)制(SPM)等非線性效應(yīng)造成的。SPM是窄線寬、單偏振的光波在光纖中傳輸時(shí)使傳輸?shù)墓獠òl(fā)生相移(頻率啁啾)的情況,這種啁啾與光場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。SPM會(huì)導(dǎo)致光譜展寬。當(dāng)脈沖沿光纖傳輸時(shí),由SPM產(chǎn)生的頻率分量在不斷產(chǎn)生,這些頻率分量展寬了光譜。SPM與增益光纖的長(zhǎng)度有關(guān),它隨光纖長(zhǎng)度的增加而增加；當(dāng)光纖長(zhǎng)度一定時(shí),它隨峰值功率線性增大。后續(xù)可以采取相位調(diào)制補(bǔ)償?shù)姆椒?抑制自相位調(diào)制光譜展寬。

圖5 輸出激光的光束質(zhì)量Fig.5 Beam quality of output laser

利用消光比測(cè)試儀測(cè)量輸出激光的偏振消光比,測(cè)得的偏振消光比為15.6 dB。

4 結(jié) 論

本文討論了一種MOPA結(jié)構(gòu)的窄線寬納秒脈沖光纖激光器。窄線寬種子源輸出的連續(xù)種子光經(jīng)電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制為納秒脈沖信號(hào)光,經(jīng)4級(jí)光纖放大,輸出的窄線寬脈沖激光最大平均功率56.9 W,重頻100 kHz,脈寬9.8 ns,峰值功率58 kW。激光的中心波長(zhǎng)1064.31 nm,光束質(zhì)量M2=1.34,偏振消光比15.6 dB。初步分析了次脈沖和自相位調(diào)制產(chǎn)生的原因,提出了下一步的工作方向,以期使得激光器能夠獲得更高的峰值功率,更好滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。