高功率寬帶射頻調(diào)制連續(xù)激光源?

程麗君 楊蘇輝2)? 趙長明 張海洋

1)(北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京 100081)

2)(精密光電測試儀器及技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100081)

1 引 言

載波調(diào)制激光雷達采用射頻強度調(diào)制的光源作為載波進行探測,兼具激光雷達和微波雷達的優(yōu)點,近年來得到廣泛關(guān)注,尤其是其抗大氣干擾及散射的能力使得載波調(diào)制激光雷達在相干探測、成像、大氣污染監(jiān)測等方面有重要應(yīng)用[1?5].要實現(xiàn)遠作用距離的高精度測距,則需要寬帶可調(diào)諧高功率載波調(diào)制光源,雙頻激光器是實現(xiàn)寬帶高功率載波調(diào)制光源的有效手段,近年來得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

2005年,法國雷恩大學(xué)Brunel等[6]利用鉭酸鋰晶體搭建了雙頻固體激光器,同時結(jié)合電光調(diào)制和溫度調(diào)制實現(xiàn)了0—60 GHz的大頻差可調(diào)諧雙頻激光輸出,功率為4 mW;2011年,Maxin等[7]利用單頻分步反饋光纖激光器的光柵的各向異性實現(xiàn)了雙頻激光輸出,其拍頻的調(diào)節(jié)范圍約600 MHz,功率為300 mW;2015年,西安理工大學(xué)邢俊紅和焦明星[8]在單頻激光器內(nèi)加入分光器件形成雙腔結(jié)構(gòu),實現(xiàn)激光的雙頻輸出,其中雙頻激光的頻差為0.3—3 GHz,功率為53 mW.在大功率雙頻激光的實現(xiàn)方面,2014年,胡淼等[9]將一個雙縱模輸出的激光進行行波放大,放大器用兩個半導(dǎo)體808 nm激光器同時抽運,得到2.38 W的雙頻激光,頻差為47 GHz;2015年,He等[10]通過一級光纖放大裝置將雙頻激光功率放大至10 W,頻差調(diào)諧范圍為125—175 MHz;國防科技大學(xué)對雙波長光纖放大器的特點進行了深入研究[11],為了抑制光纖放大器中的非線性效應(yīng),利用三級光纖放大系統(tǒng)將頻差為150 MHz的雙頻激光放大至434 W[12].上述研究中側(cè)重各自的應(yīng)用方向,分別實現(xiàn)了大頻差或高功率,但是沒有同時達到寬調(diào)諧范圍和高功率的研究結(jié)果,而高功率寬帶射頻強度調(diào)制光源是遠距離測距和成像所必不可少的.

本文將大頻差連續(xù)可調(diào)諧雙頻激光和光纖放大結(jié)合,同時實現(xiàn)了雙頻激光的大頻差調(diào)諧范圍和高功率輸出,對光纖放大前后雙頻激光源的功率穩(wěn)定性、雙頻頻差可調(diào)諧性以及雙頻頻差的頻率穩(wěn)定性進行了對比研究,結(jié)果顯示光纖放大器可以很好地保持雙頻種子源的指標(biāo),該寬帶可調(diào)諧雙頻激光源將用于遠距離高分辨率激光掃描成像系統(tǒng)中.

2 雙頻激光種子源

如圖1所示,激光器為激光二極管(LD)端面抽運Nd:YAG直腔結(jié)構(gòu),腔長L=50 mm.LD抽運光經(jīng)過耦合系統(tǒng)聚焦在Nd:YAG晶體端面,聚焦光斑直徑為50μm.晶體的尺寸為?8 mm×1 mm,采用熱電致冷器進行冷卻,溫度為20°C±0.1°C,在其端面M1鍍808 nm高透、1064 nm高反膜作為抽運光的輸入端腔鏡,另一面M2不鍍膜,自然反射率約8%,輸出耦合鏡M3為曲率半徑R=100 mm的凹面鏡,其對1064 nm激光的功率透過率為5%,鏡面M1,M2和M3一起形成耦合腔,使低增益激光器形成單縱模振蕩[13,14],耦合腔的選頻原理與復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)具組的選頻原理類似,即只有同時滿足兩個腔的諧振條件的縱模才能形成穩(wěn)定振蕩.腔內(nèi)插入通光孔徑為0.5 mm的小孔光闌用以限制高階橫模的振蕩,測量得到輸出激光的M2等于1.13.

兩個四分之一波片(P1和P2)使單縱模振蕩的激光分裂成兩個正交偏振模式,并且產(chǎn)生頻率分裂,已知兩個四分之一波片的瓊斯矩陣分別為

式中α,β分別是入射光的偏振方向與P1快軸和P2快軸之間的夾角,則激光腔內(nèi)兩個本征模的向量互相垂直,本征頻率差為Δυ=Δθc/(πL),其中Δθ=|α?β|為兩波片快軸之間的夾角,c是真空中光速,旋轉(zhuǎn)P2改變Δθ,即可得到頻差可調(diào)諧的雙頻激光輸出[15].當(dāng)Δθ=π/4時,可得到最大頻差為縱模間隔一半的雙頻激光輸出,即最大頻差為c/(4L).

激光器輸出功率為9.5 mW時,旋轉(zhuǎn)P2改變兩波片之間角度,令Δθ在0—45°之間變化,實驗測得Δθ與Δυ之間的關(guān)系如圖2所示.

實際操作中隨著雙頻頻差從0增加到c/(4L),會發(fā)生跳?，F(xiàn)象.如圖3(a)所示,是縱模υq的兩個偏振態(tài)成分,是縱模υq?1的兩個偏振態(tài)成分,當(dāng)雙頻頻差較小時,的增益超過閾值,形成穩(wěn)定雙頻振蕩,隨著兩者的頻差增大為c/(4L),如圖3(b)所示,的頻率差也變成c/(4L),此時的增益超過的增益,輸出光變?yōu)?發(fā)生跳?，F(xiàn)象.

圖1 雙頻激光器示意圖(AP,光闌;OC,輸出耦合鏡)Fig.1.Dual-frequency laser setup.AP,aperture;OC,output coupler.

圖2 雙頻頻差Δυ隨兩個四分之一波片快軸夾角Δθ的變化Fig.2.Frequency difference Δυ versus the angle between the two fast axes Δθ.

圖3(a)雙頻激光振蕩模式示意圖;(b)雙頻頻差等于c/(4L)時發(fā)生跳模Fig.3.(a)Dual frequency laser modes;(b)longitudinal modes hopping when frequency difference approaches c/(4L).

輸出雙頻光經(jīng)Fabry-Perot(F-P)干涉儀掃描后在示波器上波形如圖4所示,其中第一個圖中的紅線表示F-P干涉儀的掃描電壓,Δt是掃描時間間隔,不同掃描時間間隔對應(yīng)不同頻差Δυ.

由于雙頻激光的兩個分量的偏振方向相互垂直,因此利用格蘭棱鏡,令雙頻光的兩個偏振方向與格蘭棱鏡的偏振方向成45°放置,雙頻激光通過后可以形成拍頻信號,用頻譜儀測量得到的拍頻信號如圖5所示,可以看出隨著四分之一波片的轉(zhuǎn)動,拍頻信號從100 MHz到1.5 GHz連續(xù)可調(diào)諧,信噪比大于25 dB.

圖4 不同頻差的雙頻激光模式在示波器上的波形Fig.4.Dual-frequency laser modes at different Δυ shown on an oscilloscope.

圖5 不同頻差的雙頻激光拍頻信號在頻譜儀上的顯示Fig.5.Different beat-notes shown in frequency spectrograph.

實驗測量了雙頻激光的功率在30 min內(nèi)的穩(wěn)定性,如圖6所示.雙頻激光功率的變化范圍小于0.8 mW,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的計算公式

其中Si為樣本值,ˉS為樣本均值,n是樣本個數(shù),將測得的激光功率作為樣本得到功率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.145 mW,相對穩(wěn)定性為1.52%.雙頻激光功率的抖動主要是同相噪聲和反相噪聲引起,其中同相噪聲由弛豫振蕩引起[16,17],反相噪聲由兩個偏振模式對上能級粒子數(shù)的競爭引起[18,19].

使用高精度頻率計測量了拍頻信號的穩(wěn)定性,如圖7所示.20 min內(nèi)拍頻的頻率上下浮動范圍小于8 MHz,代入標(biāo)準(zhǔn)差公式得出拍頻信號的標(biāo)準(zhǔn)差為1.6144 MHz,相對穩(wěn)定性為0.64%,其中拍頻信號的抖動是由晶體溫度的浮動引起的.

圖6 雙頻激光在30 min內(nèi)的功率穩(wěn)定性Fig.6.Power stability during 30 min.

圖7 雙頻頻差在20 min內(nèi)的頻率穩(wěn)定性Fig.7.Beat-note frequency stability during 20 min.

3 雙頻光纖功率放大系統(tǒng)

3.1 三級光纖放大裝置

采用半導(dǎo)體抽運光纖功率放大器對雙頻種子光進行放大,光纖放大器實驗裝置如圖8所示.把自聚焦光纖準(zhǔn)直器反向應(yīng)用,將雙頻種子光耦合進入單模光纖,耦合效率為33.7%,當(dāng)種子光功率為9.5 mW時,耦合入光纖的功率為3.2 mW,由于種子源功率較低,為了抑制光纖中的自發(fā)輻射放大噪聲,采用三級放大系統(tǒng)[20],抽運源均采用波長為976 nm的半導(dǎo)體激光器.第一級放大階段抽運功率為600 mW,增益光纖為單模摻Y(jié)b3+光纖(5 m,6/125μm,NA=0.13),抽運光和種子激光分別經(jīng)過光隔離器通過波分復(fù)用耦合器同向耦合進入增益光纖,經(jīng)過第一級放大,雙頻激光的功率被放大為百毫瓦量級;第二級放大階段抽運功率為10 W,功率被放大至瓦量級,其中增益光纖為雙包層摻Y(jié)b3+光纖(5 m,10/125μm,NA=0.075/0.46),模場適配器(MFA)用來匹配傳輸光纖和增益光纖的不同芯徑,進而減小損耗,光功率剝離器(CPS)在光纖輸出端,用于去除內(nèi)包層中殘留抽運光和從纖芯泄漏到內(nèi)包層中傳輸?shù)姆糯笞园l(fā)輻射,使纖芯內(nèi)的信號光保持良好的光束質(zhì)量;第三級放大階段抽運功率為70 W,由兩個35 W半導(dǎo)體激光源經(jīng)過(2+1)×1光纖合束器提供,雙頻激光的功率被放大至50 W,其中增益光纖為雙包層摻Y(jié)b3+光纖(5 m,25/250μm,NA=0.065/0.46).

圖8 雙頻激光三級光纖放大示意圖Fig.8.Dual-frequency laser three-stage fiber ampli fier.

信號光在增益光纖內(nèi)放大過程中的傳輸方程為

式中,PP(z),PS(z)分別是抽運光功率和信號光功率隨傳輸距離z變化的函數(shù);分別是抽運光的發(fā)射和吸收橫截面積;分別是信號光的發(fā)射和吸收橫截面積;αP=0.04,αS=0.005分別是抽運光和信號光的吸收系數(shù);ΓP=0.01,ΓS=0.9964分別是抽運光和信號光的重疊因子;N(r,θ,z)=5×1025/m3是Yb3+的摻雜濃度,且有

是上能級粒子濃度,其中υP和υS分別是抽運光和信號光的光頻率,h是普朗克常數(shù),τ21=840μm為上能級粒子壽命,Acore是光纖纖芯橫截面.

圖9 不同抽運功率下第三級光纖放大的數(shù)值模擬Fig.9.Numerical simulation of pump power and seed power versus the gain fiber length with different initial pump power.

由于光纖放大器每級之間是熔接在一起的,所以無法測量中間兩級的輸出功率,本文只對第三級的抽運光功率和輸出光功率的關(guān)系進行了理論計算.由于第三級抽運光源打開之前,輸出光功率為1 W,因此設(shè)信號光經(jīng)過前兩級放大后功率為1 W,即PS(0)=1 W,分別令PP(0)=70,50,30 W,數(shù)值計算結(jié)果如圖9所示.可以看出,增益光纖長度大于5 m后對信號放大不再有貢獻,所以該系統(tǒng)的最佳光纖長度為5 m,當(dāng)抽運光為70 W時,輸出光功率超過50 W,與實驗的輸出功率50.2 W結(jié)果相符.

3.2 雙頻激光放大結(jié)果

當(dāng)?shù)谌壏糯蟮某檫\光功率為70 W時,輸出雙頻激光功率為50.2 W.將該雙頻激光經(jīng)過一系列準(zhǔn)直和衰減進入F-P干涉儀,得到雙頻波形如圖10所示.圖中雙頻峰值功率的比值在不同頻差情況下發(fā)生變化,是由于種子的雙頻成分之間存在增益競爭產(chǎn)生的此起彼伏.事實上由于雙頻的兩個頻率非常接近,它們在光纖中的增益幾乎一致,不存在增益競爭而引起的功率起伏,實驗中觀察到放大后兩個頻率成分的功率比值與放大前相比沒有變化.

50 W的雙頻激光拍頻信號如圖11所示,可以看出放大后的雙頻激光信噪比超過40 dB.

圖10 50 W雙頻激光在不同頻差下的示波器波形圖Fig.10.Ampli fied dual-frequency laser modes at different Δυ shown on an oscilloscope.

圖11 50 W雙頻激光拍頻信號的測量結(jié)果Fig.11.Beat-note frequency of 50 W dual-frequency laser shown on spectrometer.

功率穩(wěn)定性測量結(jié)果如圖12所示,在前20 min內(nèi)輸出光功率隨著時間的增加從50.2 W逐漸下降到49.3 W,最后穩(wěn)定在49.3 W和49.4 W之間,測量功率的波動幅度在擬合值附近0.1 W范圍內(nèi).在功率測量的初始階段,由于增益光纖的溫度逐漸升高引起放大效率下降,導(dǎo)致輸出光功率減小,當(dāng)系統(tǒng)達到熱平衡后,測量結(jié)果趨于穩(wěn)定.實驗過程中對增益光纖采取了風(fēng)冷方式進行控溫,由于風(fēng)冷裝置的功率限制導(dǎo)致增益光纖與周圍環(huán)境達到熱平衡的時間較長.

同樣,實驗測量了50 W雙頻激光在連續(xù)工作20 min內(nèi)的頻率穩(wěn)定性,如圖13所示,可以看出拍頻信號的頻率波動范圍約為8 MHz,代入方差計算公式計算可得σ=1.777 MHz,相對頻率穩(wěn)定性為0.71%.

圖12 50 W雙頻激光的功率穩(wěn)定性測量Fig.12.Power stability at 50 W during 30 min.

圖13 50 W雙頻激光拍頻信號的頻率穩(wěn)定性Fig.13.Beat-note frequency stability of 50 W DF laser during 20 min.

4 結(jié) 論

本文采用雙頻固體振蕩器結(jié)合光纖功率放大器的方案,實現(xiàn)了高功率寬調(diào)諧范圍的射頻強度調(diào)制的連續(xù)激光輸出,其中射頻調(diào)制范圍為30 MHz—1.5 GHz,最高輸出功率50 W,雙頻信號的信噪比高于40 dB.若在雙頻激光源中加入自動控制環(huán)節(jié)進行線性調(diào)頻,則該光源可用于線性調(diào)頻激光雷達系統(tǒng)中,實現(xiàn)對遠距離目標(biāo)同時測速測距的功能;若將高功率雙頻信號進行倍頻,則可實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧的532 nm強度調(diào)制激光輸出,用于水下探測及成像.

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