1550 nm全光纖單頻脈沖光纖激光器

王雄飛,郝金坪,何曉同,張 昆,張利明,趙 鴻

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

1 引 言

單頻光纖激光器是光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由于單頻光纖激光器可廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、相干探測、量子信息等多個領(lǐng)域[1-4],因此被國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)所重視。相對于連續(xù)單頻光纖激光器而言,脈沖單頻光纖激光器研究具有較大的技術(shù)難度,特別是線寬千赫茲量級的大能量、高峰值功率單頻脈沖光纖激光器的研究進(jìn)展相對緩慢。而該類型光纖激光器也是激光雷達(dá)、激光測距等方向急需的優(yōu)質(zhì)光源[5-7]。

目前,采用低功率單頻脈沖種子源和高功率放大級的MOPA結(jié)構(gòu),是實(shí)現(xiàn)大能量千赫茲單頻脈沖光纖激光的主要方案。其中,單頻激光種子源方式主要有三種,分別是:分布布拉格反射(DBR)型光纖激光器、分布反饋式(DFB)光纖激光器、外腔穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器[8-10]。其中,DBR型光纖激光器采用高吸收磷酸鹽玻璃光纖作為有源介質(zhì)、無源光柵對作為腔鏡,有利于形成較高增益,獲得較大功率的輸出,但缺點(diǎn)是磷酸鹽玻璃光纖與普通光纖的熔接難度大,對選頻光柵的要求很高,可靠性差。DFB光纖激光器采用相移型光纖光柵直接刻寫在增益光纖實(shí)現(xiàn)選頻,結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)單縱模輸出,缺點(diǎn)是相移光柵技術(shù)難度高,光柵直接刻寫在增益光纖上噪聲大,穩(wěn)定性低。外腔穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器具有單縱模輸出、超低噪聲的特點(diǎn),對機(jī)械振動和聲學(xué)噪聲不敏感,相比于光纖單頻種子源,半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定性高,商品化更加成熟,適應(yīng)更加復(fù)雜的工作環(huán)境,結(jié)合聲光斬波器后,是實(shí)現(xiàn)窄線寬單頻脈沖激光器種子源的理想選擇。

本文采用外腔穩(wěn)頻技術(shù)的單頻連續(xù)半導(dǎo)體激光器作為種子源,經(jīng)連續(xù)預(yù)放大,聲光調(diào)制和脈沖光纖放大后,獲得了波長1550 nm,線寬1.9 kHz的單頻單模脈沖激光。輸出功率521 mW、脈沖寬度200 ns、重復(fù)頻率10 kHz。整個激光器采用全光纖結(jié)構(gòu),通過級聯(lián)放大、增益控制和長度優(yōu)化,成功抑制了受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效應(yīng)[11-14],減小了其對線寬和輸出功率的影響,最終通過高摻雜雙包層單模光纖實(shí)現(xiàn)了線寬千赫茲量級的單頻脈沖激光輸出。

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)搭建的基于MOPA結(jié)構(gòu)的全光纖單頻脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

整個激光器主要由種子源、預(yù)放大器、聲光開關(guān)斬波器和功率放大器四個部分組成。其中,采用一個輸出波長1550 nm、線寬1.8 kHz、輸出功率20 mW的外腔穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為種子源。種子源之后接有分束器,分束后的一路光供測試系統(tǒng)使用；另一路接預(yù)放大器,將種子源輸出的單頻連續(xù)激光進(jìn)行功率提升。預(yù)放大器采用摻鉺的保偏光纖作為增益介質(zhì),一個輸出波長為976 nm的270 mW LD通過WDM耦合入主光路正向泵浦增益光纖。增益光纖后端接有ASE(放大自發(fā)輻射)濾波器,用于濾除增益光纖中產(chǎn)生的ASE信號。種子源和預(yù)放大器之間連接有隔離器,以防止因SBS效應(yīng)產(chǎn)生的后向散射對前端元件的損傷。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram

預(yù)放大器模塊輸出的連續(xù)激光,經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制后,轉(zhuǎn)換為脈寬400 ns、重復(fù)頻率10 kHz的脈沖信號。聲光調(diào)制器后接分束器,分束后的主光束(功率比例較高的一路)注入功率放大級,另一束作為監(jiān)測光束,以實(shí)時監(jiān)測脈沖信號光的工作狀態(tài)。

調(diào)制后的脈沖信號注入功率放大器模塊進(jìn)行功率放大。聲光調(diào)制器和功率放大器之間連接有隔離器。功率放大器模塊包括兩個光纖放大級。第一級放大采用摻鉺的保偏光纖作為增益介質(zhì),輸出波長為976 nm的270 mW LD通過WDM正向注入增益光纖。第二級放大采用纖芯直徑10μm雙包層單模保偏鉺鐿共摻光纖作為增益介質(zhì),兩個輸出波長為976 nm的3 W LD經(jīng)由(1+1)×1泵浦合束器注入增益光纖。二級增益光纖在976 nm的包層泵浦吸收系數(shù)為9 dB/m。這一泵浦波長和吸收系數(shù)的選擇是為了盡量減少增益光纖的長度從而增大SBS閾值。為了消除前向ASE對后級的影響,各放大級之間均連接有1 nm帶寬的帶通濾波器和隔離器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

種子源是保證單頻激光穩(wěn)定輸出的核心器件,為此對種子源設(shè)計(jì)了溫控裝置,保證其輸出的穩(wěn)定性。種子源輸出的單頻激光經(jīng)過光纖隔離器后首先進(jìn)入預(yù)放大器系統(tǒng)。由于連續(xù)激光經(jīng)過聲光斬波器后功率會有較大損失,種子光直接經(jīng)過斬波后信號功率很小,無法實(shí)現(xiàn)高功率放大。因此,采用預(yù)放大器提升種子光功率十分必要。圖2是預(yù)放大級以及ASE濾波器之后測得的輸出功率和泵浦功率關(guān)系圖。從圖中可以看出,放大過程中沒有出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象,激光功率隨著泵浦功率增大基本呈線性增長,最后獲得57.4 mW連續(xù)單頻激光輸出。

圖2 預(yù)放大級輸出功率隨泵浦功率的變化曲線Fig.2 Output power versus pump power of the pre-amplifier

預(yù)放大級后連接聲光調(diào)制器。輸出波段為1550 nm。該調(diào)制器有兩個重要的作用。一是將連續(xù)激光調(diào)制成脈沖光；二是在線寬測試系統(tǒng)中,它作為移頻器,進(jìn)行外差探測?？紤]到探測器的帶寬,實(shí)驗(yàn)選擇了移頻80 MHz聲光調(diào)制器[15]。在參數(shù)設(shè)置上,調(diào)制脈沖寬度為400 ns,重復(fù)頻率為10 kHz。同時,實(shí)驗(yàn)對調(diào)制脈沖的波形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),用來保證在后續(xù)的放大過程中脈沖形狀為準(zhǔn)高斯分布。由于聲光調(diào)制器的調(diào)制特性和較大的插入損耗,該級后的脈沖激光功率為0.25 mW。

聲光調(diào)制器后連接一級脈沖功率放大器。該放大器選擇的增益光纖與預(yù)放大器采用的增益光纖一致,為單模摻鉺的保偏光纖。圖3是該級輸出功率測試曲線。從圖中可以看出,當(dāng)泵浦功率大于160 mW時,輸出功率出現(xiàn)了增益飽和現(xiàn)象。從光譜中也觀察到ASE增益光譜的出現(xiàn),如圖4所示。因此,該放大級最終選擇的輸出功率為5.09 mW,避免ASE光譜對后續(xù)放大產(chǎn)生影響,同事,該級末端采用ASE濾波器對光譜進(jìn)行凈化,保證注入第二級脈沖放大器的信號光沒有ASE信號和其他雜散光。

圖3 一級脈沖放大級輸出功率隨泵浦功率的變化曲線Fig.3 Output power versus pump power of the first-stage pulse amplifier

圖4 一級脈沖放大級輸出光譜圖Fig.4 Optical spectrum of the first-stage pulse amplifier

第二級脈沖功率放大器采用纖芯直徑10 μm的雙包層單模保偏鉺鐿共摻光纖作為增益介質(zhì)。該光纖屬于高摻雜濃度增益光纖,吸收系數(shù)高,因此,相較于普通的增益光纖,該光纖所需的長度較短。兩個976 nm 波段3 W泵浦LD產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)合束器注入增益光纖。圖5是輸出功率隨泵浦功率增大的輸出特性曲線。從中可以看出,隨著泵浦功率的提升,輸出功率基本呈線性增大。最終,當(dāng)泵浦功率增為4.8 W時,實(shí)現(xiàn)了521 mW的脈沖激光輸出。脈沖寬度200 ns,脈沖重復(fù)頻率10 kHz,相應(yīng)的脈沖峰值功率為260 W。圖6是激光光譜圖,從圖中可以看出,沒有ASE光譜和非線性效應(yīng)的出現(xiàn)。圖7是輸出激光的脈沖波形。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),通過兩級脈沖光纖放大,脈沖波形出現(xiàn)壓窄現(xiàn)象,從最初的400 ns壓窄至200 ns。這是由于脈沖前沿對泵浦功率的提取效率較高,導(dǎo)致脈沖前沿放大倍數(shù)較高所致。要克服這一現(xiàn)象,可以通過對脈沖波形的前后沿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

圖5 二級脈沖放大級輸出功率隨泵浦功率的變化曲線Fig.5 Output power versus pump power of the second-stage pulse amplifier

圖6 二級脈沖放大級輸出光譜圖Fig.6 Optical spectrum of the second-stage pulse amplifier

圖7 激光脈沖波形Fig.7 Time domain response of laser

實(shí)驗(yàn)最后通過“自拍頻”法測試了單頻脈沖激光的輸出線寬,為1.9 kHz,如圖8所示。這表明在該MOPA結(jié)構(gòu)的單頻脈沖激光器系統(tǒng)中,通過連續(xù)光纖放大、聲光調(diào)制和脈沖功率放大,激光的線寬沒有受到影響,說明該系統(tǒng)在線寬保持方面的穩(wěn)定性。

圖8 激光線寬圖Fig.8 The laser line width pattern

實(shí)驗(yàn)中,沒有觀察到非線性效應(yīng)的出現(xiàn),特別是單頻光纖放大過程中閾值較低的受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)。這主要是由于在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,對各級的無源光纖和有源光纖長度做了最大程度的優(yōu)化。其中無源光纖的光纖長度除了考慮熔接長度外,被盡可能縮短。有源光纖由于采用了高摻雜高增益光纖,長度也被大大縮減,從而有效降低了整個光纖系統(tǒng)的SBS閾值。同時二級功率放大采用纖芯直徑10 μm的單模保偏鉺鐿共摻光纖,增大了出光截面,對抑制SBS效應(yīng)也有重要作用。

另外,為了避免因SBS效應(yīng)引起的后向散射光對于前級光學(xué)元件的損傷,在激光器的各放大級之間均連接隔離器和耦合器。一方面,這種設(shè)計(jì)可以有效保護(hù)前級元器件不受損傷；另一方面,通過對耦合器的正反向輸出端進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,可以及時發(fā)現(xiàn)非線性效應(yīng)以及ASE現(xiàn)象的出現(xiàn),通過優(yōu)化調(diào)整,避免不必要的損傷。

4 總 結(jié)

本文研制了全光纖結(jié)構(gòu)的1550 nm單頻脈沖光纖激光器。通過對單頻半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光纖放大,并結(jié)合聲光調(diào)制器進(jìn)行脈沖調(diào)制,最終通過兩級光纖功率放大實(shí)現(xiàn)了平均功率521 mW、脈沖寬度200 ns、重復(fù)頻率10 kHz、線寬1.9 kHz的單頻脈沖激光輸出,脈沖峰值功率260 W。輸出端采用芯徑10 μm的單模光纖,在提升輸出功率的同時,保證了輸出激光的光束質(zhì)量。同時,對各級的無源光纖和有源光纖進(jìn)行優(yōu)化,縮短光纖長度,提高增益系數(shù),有效抑制了放大過程中的SBS效應(yīng),保證了激光線寬的穩(wěn)定性。此外,在激光器的各級之間均連接濾波器和隔離器,在凈化光譜的同時,可以有效保護(hù)元器件不受損傷。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了脈沖壓窄現(xiàn)象,這是由于脈沖前沿對泵浦功率的提取效率較高所致,可以通過對脈沖波形的前后沿優(yōu)化設(shè)計(jì)來克服該現(xiàn)象的發(fā)生。