增益開(kāi)關(guān)線偏振單頻脈沖光纖激光器*

張萬(wàn)儒 陳思雨 粟榮濤 姜曼 李燦 馬閻星 周樸

(國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

報(bào)道了一臺(tái)線偏振單頻脈沖光纖激光器.采用全保偏環(huán)形腔結(jié)構(gòu)搭建全光纖振蕩器,在腔內(nèi)熔接一段未抽運(yùn)的保偏摻鐿光纖作為飽和吸收體,產(chǎn)生超窄帶的動(dòng)態(tài)光柵進(jìn)行濾波選模,實(shí)現(xiàn)了激光器的單頻輸出.利用976 nm 半導(dǎo)體激光器作為抽運(yùn)源,產(chǎn)生脈沖加連續(xù)的混合抽運(yùn)激光,實(shí)現(xiàn)了重頻10—90 kHz、脈寬1—8 μs的長(zhǎng)脈沖輸出.實(shí)驗(yàn)研究了抽運(yùn)功率和重復(fù)頻率等參數(shù)對(duì)輸出激光的時(shí)域、頻域和功率特性的影響.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出激光的頻域特性在一定功率范圍內(nèi)存在光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,分析了激光功率特性對(duì)動(dòng)態(tài)光柵選模機(jī)制的影響.通過(guò)參數(shù)優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1064 nm、線寬約23.5 MHz、重頻10—90 kHz、脈寬4—8 μs、偏振消光比約29 dB的單頻脈沖激光輸出.

1 引言

單頻光纖激光器具有相干性好、結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),研究人員基于不同結(jié)構(gòu)原理實(shí)現(xiàn)了高性能的單頻連續(xù)激光輸出[1-4].相比于單頻連續(xù)光纖激光,單頻脈沖光纖激光具有更高的峰值功率,在激光雷達(dá)、非線性頻率轉(zhuǎn)換、遙感探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[5-7].目前,獲得單頻脈沖光纖激光的典型方法是利用聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器對(duì)單頻連續(xù)激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,可以在調(diào)制器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)產(chǎn)生任意重頻、脈寬的脈沖激光.但是,強(qiáng)度調(diào)制輸出的激光種子功率較低,通常需要多級(jí)放大器進(jìn)行功率放大[8-11].因此,研究人員對(duì)調(diào)Q 單頻光纖激光器開(kāi)展了相關(guān)研究,Shi 等[12]報(bào)道了一種基于分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)超短腔主動(dòng)調(diào)Q的單頻光纖激光器技術(shù)方案,通過(guò)壓電陶瓷擠壓光柵來(lái)改變腔內(nèi)的反射損耗,實(shí)現(xiàn)了單頻脈沖激光輸出.Zhang等[13]在DBR 超短腔光纖激光器中使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡,基于飽和吸收效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)調(diào)Q 單頻脈沖輸出.Li 等[14]在環(huán)形腔結(jié)構(gòu)中加入具有飽和吸收特性的二維材料作為腔內(nèi)Q 開(kāi)關(guān),同時(shí)利用未抽運(yùn)的摻鉺光纖進(jìn)行縱模選擇,獲得了單頻脈沖輸出.Zhao 等[15]將具有偏振損耗各向異性的DBR 光纖激光器的輸出光進(jìn)行偏振調(diào)制后再返回到腔內(nèi),研制了新型的單頻調(diào)Q 光纖激光器.此外,研究人員利用種子光注入調(diào)Q 技術(shù),將單頻種子光注入至高增益的調(diào)Q 光纖激光器中,誘導(dǎo)激光器中與單頻種子光最鄰近的潛在縱模先建立激光振蕩,實(shí)現(xiàn)了單頻脈沖激光輸出[16-20].

增益開(kāi)關(guān)技術(shù)是對(duì)激光器的抽運(yùn)源進(jìn)行調(diào)制,利用脈沖抽運(yùn)的方式周期性調(diào)節(jié)激光器增益,可以實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出.該方法無(wú)需外部調(diào)制器件,通過(guò)對(duì)抽運(yùn)源電信號(hào)的調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)脈沖輸出,脈沖重復(fù)頻率以及脈沖寬度隨電信號(hào)可調(diào).Geng 等[21]采用1.95 μm的摻銩脈沖光纖激光器作為抽運(yùn)源,通過(guò)同帶抽運(yùn)的方式實(shí)現(xiàn)了 2.05 μm的增益開(kāi)關(guān)單頻脈沖輸出.Hou 等[22]利用調(diào)制脈沖抽運(yùn)源抽運(yùn)DBR 超短腔結(jié)構(gòu)光纖激光器,獲得了單頻脈沖激光輸出,中心波長(zhǎng)為1063 nm,脈沖寬度約150 ns,光譜線寬為14 MHz.Poozesh 等[23]報(bào)道了一臺(tái)增益開(kāi)關(guān)線形腔激光器,在100 kHz 處產(chǎn)生脈沖寬度為427 ns,線寬小于7.5 MHz,中心波長(zhǎng)為1017 nm.Fang 等[24]利用脈沖激光器抽運(yùn)DBR 超短腔結(jié)構(gòu),在2 μm 處獲得了重復(fù)頻率為1—500 kHz、脈沖寬度為19—106 ns的單頻脈沖輸出.

由于增益開(kāi)關(guān)脈沖激光器的脈沖寬度與諧振腔的腔長(zhǎng)正相關(guān),為了滿足長(zhǎng)脈沖應(yīng)用領(lǐng)域的需求,則需要進(jìn)一步增大大激光器的腔長(zhǎng).但是在線形腔激光器中,增大大腔長(zhǎng)則難以實(shí)現(xiàn)單頻輸出.為此,本文提出了一種基于長(zhǎng)腔長(zhǎng)環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的增益開(kāi)光長(zhǎng)脈沖單頻激光輸出方法,實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1064 nm、線寬約23.5 MHz、重頻 10—90 kHz、脈寬4—8 μs、偏振消光比約29 dB的單頻激光輸出.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與原理

基于增益開(kāi)關(guān)的全保偏環(huán)形腔結(jié)構(gòu)光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.增益光纖采用長(zhǎng)度為1 m、纖芯/包層直徑分別為6/125 μm的保偏摻鐿光纖(polarization maintaining ytterbium doped fiber,PM-YDF1).中心波長(zhǎng)為976 nm的半導(dǎo)體抽運(yùn)激光器(laser diode,LD)通過(guò)一個(gè)976/1064 nm 保偏波分復(fù)用器(polarization maintaining wavelength division multiplexer,PM-WDM)將抽運(yùn)激光耦合到環(huán)形腔內(nèi).976 nm LD的重頻和脈寬可以根據(jù)信號(hào)發(fā)生器(arbitrary function generator,AFG)的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),20 kHz 重頻下輸出的最高平均功率約為200 mW.PM-YDF1的一端連接一個(gè)保偏環(huán)形器(polarization maintaining circulator,PM-CIR),以確保環(huán)形腔內(nèi)光路的單向運(yùn)行.PMCIR的第2 個(gè)端口連接一段未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖(PM-YDF2)作為可飽和吸收體,光纖長(zhǎng)度和參數(shù)與PM-YDF1 相同.在PM-YDF2的另一端熔接一個(gè)保偏光纖布拉格光柵(polarization maintaining fiber Bragg grating,PM-FBG),其中心波長(zhǎng)約為1064 nm,帶寬為0.08 nm,反射率約為90%.PMFBG 可以對(duì)腔內(nèi)縱模進(jìn)行初步選擇,并實(shí)現(xiàn)激光的耦合輸出,其反射率對(duì)輸出脈沖特性會(huì)產(chǎn)生影響,反射率在30%—40%時(shí)振蕩器效率最高[25,26].PM-FBG的另一個(gè)重要功能是結(jié)合PM-YDF2 選擇出單一縱模,信號(hào)光經(jīng)過(guò)PM-FBG的反射后與入射的信號(hào)光在PM-YDF2 上產(chǎn)生干涉駐波,飽和吸收特性使光強(qiáng)與折射率沿光纖縱向方向產(chǎn)生周期性變化,形成帶寬極窄的瞬態(tài)布拉格光柵,從而選出單頻激光.高反射率的PM-FBG 可以縮小PMYDF2 上往返光束的光強(qiáng)差,提高干涉光強(qiáng)襯比度,形成更加穩(wěn)定的單頻選模機(jī)制.綜合考慮上述因素,本文重點(diǎn)關(guān)注激光器的單頻特性,因此采用了反射率為90%的PM-FBG.此外,普通摻鐿光纖作為可飽和吸收體時(shí),信號(hào)光的偏振態(tài)容易發(fā)生變化,影響形成的駐波的穩(wěn)定性,采用保偏摻鐿光纖則可以保持信號(hào)光的偏振態(tài),實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的單頻選模機(jī)制.

圖1 增益開(kāi)關(guān)單頻脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Experiment setup of the gain-switched single-frequency pulsed fiber laser.

基于增益開(kāi)關(guān)的脈沖激光其脈沖寬度tp與諧振腔長(zhǎng)度正相關(guān),與抽運(yùn)功率負(fù)相關(guān)[22,27],即:

式中,L=6.3 m為激光器腔長(zhǎng),Pabs為吸收的抽運(yùn)功率.

激光器諧振腔內(nèi)相鄰縱模的頻率間隔可以表示為

式中,c=3×108m/s為真空中的光速,neff=1.47為光纖有效折射率,L=6.3 m為激光器腔長(zhǎng).由(2)式可知縱模間隔Δν約為32 MHz.PM-FBG的光譜寬度為0.08 nm,在1064 nm 處對(duì)應(yīng)的線寬約為21 GHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱模間隔,諧振腔支持多縱模振蕩.實(shí)驗(yàn)中采用未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖上形成的動(dòng)態(tài)光柵作作為窄帶濾波器,進(jìn)行縱模選擇.根據(jù)耦合模理論,所形成動(dòng)態(tài)光柵的帶寬表達(dá)式為[28,29]

式中,Δn＜ 2×10—7是折射率的調(diào)制幅度,δ=1 m 是模式耦合的尺寸補(bǔ)償參數(shù),λ=1064 nm為波長(zhǎng),neff=1.47為有效折射率,LYDF2=1 m為未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖的長(zhǎng)度.由(3)式可知?jiǎng)討B(tài)光柵帶寬Δf約27 MHz,小于縱模間隔32 MHz,因此可以選出單縱模,實(shí)現(xiàn)單頻輸出.由(3)式也可看出未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖長(zhǎng)度LYDF2越長(zhǎng),動(dòng)態(tài)光柵的帶寬越窄,越有利于選出單一縱模,但是信號(hào)光的吸收損耗也會(huì)隨之增大,導(dǎo)致激光器的輸出功率與斜率效率降低,同時(shí)激光器的閾值功率也會(huì)隨之提高[30].實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了不同未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖長(zhǎng)度下的縱模選擇效果,發(fā)現(xiàn)采用2 m,1.5 m和1 m 長(zhǎng)的未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖長(zhǎng)度均可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無(wú)跳模的單頻輸出;而采用0.5 m 長(zhǎng)的未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖進(jìn)行縱模選擇時(shí),穩(wěn)定性不佳,會(huì)出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象.最終,優(yōu)選1 m 長(zhǎng)的未抽運(yùn)保偏摻鐿光纖作為飽和吸收體.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于實(shí)驗(yàn)中利用動(dòng)態(tài)光柵進(jìn)行縱模選擇依賴于信號(hào)光產(chǎn)生的干涉駐波,信號(hào)光發(fā)生有效干涉時(shí),動(dòng)態(tài)光柵建立;信號(hào)光消失,動(dòng)態(tài)光柵也隨之消失.但是動(dòng)態(tài)光柵的建立和消失并不是瞬時(shí)的,而是需要一定的時(shí)間,稱為動(dòng)態(tài)光柵的特征時(shí)間.由于在摻鐿光纖中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)光柵的特征時(shí)間為亞毫秒量級(jí)[31],因此實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)重頻在10 kHz 以下時(shí)就難以實(shí)現(xiàn)單頻脈沖輸出.實(shí)驗(yàn)中通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)抽運(yùn)參數(shù),在10—90 kHz 均實(shí)現(xiàn)了單頻脈沖輸出,輸出脈寬在4—8 μs,線寬約23 MHz.由于激光器搭建過(guò)程中采用了全保偏器件,利用偏振消光比測(cè)量?jī)x對(duì)輸出激光的偏振特性進(jìn)行測(cè)量,在不同重頻和功率條件下,脈沖激光的偏振消光比均優(yōu)于29 dB.后文將從時(shí)域、頻域及功率特性等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析.

3.1 時(shí)域特性

為了保證輸出激光脈沖的穩(wěn)定性,減少對(duì)抽運(yùn)脈沖能量的要求,實(shí)驗(yàn)中抽運(yùn)源采用脈沖加連續(xù)的混合抽運(yùn)工作模式[32].抽運(yùn)源中脈沖光與連續(xù)光成分的功率均可以單獨(dú)設(shè)置,利用AFG的輸入信號(hào)可以靈活改變抽運(yùn)脈沖的重頻與脈寬.激光器的連續(xù)激光抽運(yùn)閾值約為40 mW,將抽運(yùn)光中連續(xù)光成分的功率設(shè)為30 mW,低于激光器的抽運(yùn)閾值功率.當(dāng)脈沖抽運(yùn)光疊加在連續(xù)抽運(yùn)光上時(shí),輸入功率才能大于閾值,實(shí)現(xiàn)激光輸出.

首先,將抽運(yùn)脈沖的重頻設(shè)為20 kHz,脈寬設(shè)為3 μs,改變抽運(yùn)功率,利用高速光電探測(cè)器與數(shù)字示波器測(cè)量抽運(yùn)脈沖與輸出脈沖的時(shí)域特性.如圖2(a)—(c)所示,藍(lán)色代表抽運(yùn)脈沖,紅色代表激光脈沖.當(dāng)抽運(yùn)平均功率由53 mW 提升至137 mW(連續(xù)抽運(yùn)光成分均為30 mW)時(shí),脈沖寬度從4.2 μs 下降至1.3 μs.這是因?yàn)槊}沖持續(xù)時(shí)間則隨抽運(yùn)功率的提升而縮短,如(1)式所示.當(dāng)抽運(yùn)平均功率進(jìn)一步提升至154 mW(連續(xù)抽運(yùn)光成分均為30 mW)時(shí),在一個(gè)抽運(yùn)周期內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)輸出脈沖.這是隨著抽運(yùn)功率的提升,脈沖建立時(shí)間進(jìn)一步縮短,在輸出第1 個(gè)激光脈沖后,仍有足夠的抽運(yùn)功率可以產(chǎn)生第2 個(gè)激光脈沖.

然后,繼續(xù)保持抽運(yùn)脈沖的重頻為20 kHz,將抽運(yùn)脈寬增大為5 μs,將抽運(yùn)平均功率設(shè)為137 mW(連續(xù)抽運(yùn)光成分均為30 mW),抽運(yùn)脈沖與輸出脈沖的時(shí)域特性如圖2(d)所示.對(duì)比圖2(b)與(d)可知,在保證抽運(yùn)能量相同的情況下,利用不同脈寬的抽運(yùn)脈沖可以獲得相同的輸出脈沖寬度.

圖2 脈沖時(shí)域特性隨抽運(yùn)激光特性的變化情況 (a) 抽運(yùn)平均功率53 mW、抽運(yùn)脈寬3 μs;(b) 抽運(yùn)平均功率137 mW、抽運(yùn)脈寬3 μs;(c) 抽運(yùn)平均功率154 mW、抽運(yùn)脈寬3 μs;(d) 抽運(yùn)平均功率137 mW、抽運(yùn)脈寬5 μsFig.2.Pulse time domain characteristics with different pump characteristics,the average pump power and pump pulse duration are: (a) 53 mW,3 μs;(b) 137 mW,3 μs;(c) 154 mW,3 μs;(d) 137 mW,5 μs.

最后,將抽運(yùn)脈寬設(shè)為3 μs,抽運(yùn)重頻分別設(shè)為20 kHz,40 kHz,60 kHz 和80 kHz.在上述重頻下對(duì)應(yīng)的抽運(yùn)平均功率分別設(shè)為86 mW,172 mW,258 mW 和344 mW(連續(xù)抽運(yùn)光成分均為30 mW),使抽運(yùn)平均功率與重復(fù)頻率的比值相同.如圖3(a)所示為激光器在不同抽運(yùn)重頻下的輸出脈沖序列,可見(jiàn)輸出脈沖的重頻與抽運(yùn)脈沖重頻保持一致,脈沖序列的穩(wěn)定性較好,脈沖峰值波動(dòng)均小于5%.如圖3(b)所示為激光器在不同抽運(yùn)重頻下的單脈沖形狀,脈沖波形近似滿足高斯分布,隨著重頻的提高,輸出脈沖的寬度隨之降低,從20 kHz的2.2 μs下降至80 kHz的1.5 μs.雖然抽運(yùn)平均功率與重復(fù)頻率的比值相同,但是,由于抽運(yùn)激光中有30 mW的連續(xù)光成分,脈沖抽運(yùn)光的脈沖能量在20 kHz,40 kHz,60 kHz 和80 kHz 條件下分別為2.8 μJ,3.5 μJ,3.8 μJ 和3.9 μJ,在脈寬保持抽運(yùn)脈寬3 μs的情況下,抽運(yùn)峰值功率是隨重頻增大大而增大大,由(1)式可知輸出脈沖寬度也會(huì)隨著抽運(yùn)功率的提高而變窄.

圖3 脈沖時(shí)域特性隨抽運(yùn)激光重頻的變化情況 (a) 脈沖序列;(b) 脈沖波形Fig.3.Pulse time domain characteristics with different pump repetition rate: (a) Pulse trains;(b) pulse waveform.

3.2 頻域特性

利用自由光譜范圍(free spectral range,FSR)為4 GHz、分辨率約10 MHz的法布里-珀羅干涉儀(Fabry-Perot interferometer,FPI)對(duì)激光器的縱模輸出特性進(jìn)行測(cè)量.首先,不熔接未抽運(yùn)的保偏摻鐿光纖,測(cè)得的激光器頻域特性如圖4(a)所示,可見(jiàn)激光器工作在多縱模(multi-longitudinalmode,MLM)狀態(tài).從前文的分析可知只采用窄線寬的FBG 進(jìn)行縱模選擇時(shí),不能實(shí)現(xiàn)單頻激光輸出.然后,熔接一段1 m 長(zhǎng)的未抽運(yùn)的保偏摻鐿光纖,測(cè)得的激光器頻域特性如圖4(b)所示,激光器工作在單縱模(single-longitudinal-mode,SLM)狀態(tài).圖4(c)為單頻脈沖激光的典型頻域特性,紅色為實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),由于是脈沖輸出,譜線表現(xiàn)為離散的尖峰序列,藍(lán)線為其包絡(luò)擬合曲線,其半高全寬約為23.5 MHz.激光器的輸出光譜特性由0.02 nm分辨率的光譜分析儀進(jìn)行測(cè)量,如圖4(d)所示,中心波長(zhǎng)為1064.5 nm,輸出信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)大于58 dB.

圖4 激光器的典型頻域特性 (a) 不熔接PM-YDF2 時(shí)的縱模特性;(b) 熔接1 m 長(zhǎng)PM-YDF2 時(shí)的縱模特性;(c) 單縱模線寬;(d) 光譜特性Fig.4.Typical frequency domain characteristics of laser: (a) longitudinal mode characteristic without PM-YDF2;(b) longitudinal mode characteristic with 1-m-long PM-YDF2;(c) linewidth of single-longitudinal-mode;(d) optical spectrum characteristic.

在抽運(yùn)激光重頻為20 kHz、脈寬為3 μs的情況下,逐漸增大大抽運(yùn)功率,觀察激光器頻域特性隨抽運(yùn)功率的變化情況.當(dāng)抽運(yùn)功率由低到高增大到55.5 mW 時(shí),激光器由SLM 狀態(tài)變成MLM 狀態(tài);然后再逐漸降低抽運(yùn)功率,在抽運(yùn)功率減小至51.5 mW 時(shí),激光器才由MLM 狀態(tài)變回SLM 狀態(tài).重復(fù)該過(guò)程,現(xiàn)象均能復(fù)現(xiàn),說(shuō)明激光器的縱模特性在51.5—55.5 mW 范圍內(nèi)存在光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象.也就是說(shuō),在抽運(yùn)功率增大大過(guò)程中,該功率范圍內(nèi)激光器為SLM 狀態(tài);而在抽運(yùn)功率減小過(guò)程中,該功率范圍內(nèi)激光器為MLM 狀態(tài),如圖5所示.通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)觀察還發(fā)現(xiàn),在抽運(yùn)功率小于51.5 mW的SLM 區(qū),激光器抗外界環(huán)境干擾的能力比較強(qiáng),可以穩(wěn)定地工作于單頻狀態(tài),沒(méi)有觀察到縱模跳變;當(dāng)激光器處于雙穩(wěn)態(tài)的抽運(yùn)區(qū)間時(shí),縱模狀態(tài)容易在受到外界擾動(dòng)時(shí)發(fā)生變化;在抽運(yùn)功率大于55.5 mW的MLM 區(qū),動(dòng)態(tài)光柵失效,只有FBG 粗選縱模,與不熔接PM-YDF2 時(shí)的縱模特征相似.這是由于當(dāng)窄線寬脈沖激光的峰值功率增大時(shí),PM-YDF2 上的折射率調(diào)制深度會(huì)隨之增大,將產(chǎn)生更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)光柵,動(dòng)態(tài)光柵的反射率也隨之提升,使得大部分的信號(hào)光被反射回環(huán)形器,無(wú)法進(jìn)入PM-YDF2 參與動(dòng)態(tài)光柵的形成,造成動(dòng)態(tài)光柵減弱.當(dāng)PM-YDF2 上的動(dòng)態(tài)光柵減弱時(shí),又可以允許更多的信號(hào)光進(jìn)入PM-YDF2,再次形成強(qiáng)動(dòng)態(tài)光柵.在較高的抽運(yùn)功率下,動(dòng)態(tài)光柵一直處于這個(gè)循環(huán)的過(guò)程,無(wú)法建立穩(wěn)定的選頻機(jī)制,激光器工作在MLM 狀態(tài)[33].

圖5 激光器縱模特性隨抽運(yùn)功率的演化過(guò)程Fig.5.Evolution of laser longitudinal mode characteristic with pump power.

圖6 所示為幾個(gè)典型抽運(yùn)功率下的輸出脈沖波形和縱模特性.隨著抽運(yùn)功率的增大,輸出的脈沖寬度隨之減小,峰值功率隨之增大.當(dāng)抽運(yùn)功率依次增大到44 mW,51 mW,56 mW,97 mW 和145 mW 時(shí),輸出脈沖的脈寬tp和單脈沖能量J分別為6 μs/0.025 μJ,4.3 μs/0.065 μJ,2.6 μs/0.095 μJ,1.8 μs/0.34 μJ 和1.1 μs/0.63 μJ,對(duì)應(yīng)的脈沖峰值功率Ppeak分別為3.9 mW,14.2 mW,34.3 mW,177.4 mW 和537.8 mW.計(jì)算過(guò)程中采用脈沖峰值功率公式:

其中I為歸一化強(qiáng)度,Pave為脈沖平均功率,fR為脈沖重復(fù)頻率,t與T如圖6(a)所示.

圖6 典型抽運(yùn)功率下的(a)脈沖波形與(b)縱模特性Fig.6.(a) Pulse waveform and (b) longitudinal mode characteristic with typical pump power.

需要說(shuō)明的是,當(dāng)抽運(yùn)功率在雙穩(wěn)態(tài)區(qū)間時(shí),相同抽運(yùn)功率下輸出的脈沖寬度存在差異.例如,當(dāng)抽運(yùn)功率為53 mW 時(shí),如果激光器工作在圖5 中A 點(diǎn)的SLM 狀態(tài),輸出的脈寬和單脈沖能量分別為4.1 μs 和0.077 μJ,對(duì)應(yīng)的峰值功率約為17.6 mW;如果激光器工作在B 點(diǎn)的MLM 狀態(tài),則輸出的脈寬和單脈沖能量分別為2.7 μs 和0.083 μJ,對(duì)應(yīng)的峰值功率約為28.9 mW.這是因?yàn)樵陔p穩(wěn)態(tài)區(qū)間內(nèi),動(dòng)態(tài)光柵的強(qiáng)弱并不穩(wěn)定,并且受到上一時(shí)刻的激光峰值功率的影響;同時(shí),動(dòng)態(tài)光柵的強(qiáng)弱也會(huì)反過(guò)來(lái)影響諧振腔的特性,進(jìn)而影響脈沖激光的時(shí)域和功率特性.如果進(jìn)一步提高抽運(yùn)功率,使輸出激光的峰值功率進(jìn)一步提高,則使動(dòng)態(tài)光柵的完全無(wú)法建立.例如,當(dāng)抽運(yùn)功率為145 mW 時(shí),輸出脈沖的寬度降為1.1 μs,峰值功率提高到537.8 mW,光譜線寬也增大到2 GHz 左右.

3.3 功率特性

圖7 展示了在抽運(yùn)源重頻分別為20 kHz,40 kHz,60 kHz 時(shí)激光器的輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化情況,紅色方塊為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),藍(lán)色虛線為擬合曲線.可以發(fā)現(xiàn),隨著抽運(yùn)功率的增大,不同抽運(yùn)重頻下激光器的輸出功率均近似呈線性增長(zhǎng),20 kHz,40 kHz 和60 kHz 下對(duì)應(yīng)的斜率效率分別為12.1%,12.6%和13.1%,對(duì)應(yīng)的閾值功率分別為40 mW,45 mW 和54 mW,可見(jiàn)隨著重頻的提高,激光器的斜率效率與閾值功率略有上升.在較低抽運(yùn)功率下,未抽運(yùn)的摻鐿光纖可以形成有效的窄帶動(dòng)態(tài)光柵進(jìn)行選頻.20 kHz,40 kHz 和60 kHz 下能夠?qū)崿F(xiàn)單頻輸出的最大抽運(yùn)功率分別為55.5 mW,78.6 mW,98.1 mW,繼續(xù)提高抽運(yùn)功率,激光器將工作在多縱模狀態(tài).

圖7 抽運(yùn)重頻分別為(a) 20 kHz,(b) 40 kHz,(c) 60 kHz 時(shí)激光器輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化Fig.7.Output power of the laser versus pump power with pump repetition rates of (a) 20 kHz,(b) 40 kHz,(c) 60 kHz,respectively.

4 結(jié)論

提出了增益開(kāi)關(guān)技術(shù)與未抽運(yùn)摻鐿光纖選模技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻脈沖輸出的方案,通過(guò)信號(hào)發(fā)生器改變抽運(yùn)激光的重復(fù)頻率與脈寬,利用未抽運(yùn)摻鐿光纖形成的動(dòng)態(tài)光柵進(jìn)行縱模選擇,在1064 nm 處獲得了重頻10—90 kHz、脈寬4—8 μs的單頻脈沖輸出,測(cè)得單頻線寬約23.5 MHz,最大單頻脈沖輸出峰值功率約17.6 mW.通過(guò)提升抽運(yùn)功率可以縮短輸出脈沖寬度至1—4 μs,但是實(shí)驗(yàn)中動(dòng)態(tài)光柵的選頻機(jī)制有功率限制,在較高抽運(yùn)功率下獲得的輸出脈沖已無(wú)法保持單頻狀態(tài).該單頻長(zhǎng)脈沖激光器經(jīng)過(guò)功率放大后,有望在激光雷達(dá)、非線性頻率轉(zhuǎn)換、遙感探測(cè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用.

感謝王小林、張漢偉老師在實(shí)驗(yàn)中提供的幫助.