双模式人眼安全MOPA 全光纤激光器

云 剑，孙传东，高存孝，朱少岚，何浩东，冯 莉，牛林全，董利军

1)中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安710119;2)中国科学院研究生院，北京10039

激光测距技术具有测量精度高、准直性好、抗干扰能力强等优点［1-2］，其主要分为脉冲激光和相位激光测距. 脉冲激光测距利用发射和接收激光脉冲信号的时间差实现被测目标的距离测量［3］. 当采用脉冲激光输出方式工作时，能获得较高的单脉冲能量和峰值功率，传输距离远，但现有高频脉冲的产生和计时电路技术存在瓶颈，导致较小的时间延迟会造成较大的距离误差［3］，测距分辨率只能达到厘米级，仅适合远距离测量. 而相位激光测距利用发射调制光与被测目标反射的接收光之间，光强的相位差所包含的距离信息，实现对被测目标的距离测量，其测距精度可达毫米级，具有测距快、精度高的特点，但在单频率工作模式下，其测量范围有限，只适于近距离测量［3］.

激光测距的光源主要有3 种:短距离低精度测量时通常直接选用半导体激光器［4］;固体激光器由于可以产生高功率、短脉冲激光，也使其成为激光测距的一种重要光源［5］，但是由于机械稳定性和结构紧凑性不足，不利提高激光测距系统的整体性能. 与前两种光源相比，基于主振荡功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)技术的人眼安全和单模全光纤激光器，由于具有较高的光-光转换效率、良好的热稳定性和机械稳定性、紧凑的结构、良好的输出光束质量，使其成为激光测距系统的理想光源［6］. 采用1 550 nm 的半导体激光器作为种子源，单模掺Er3+光纤作为预放大器增益介质，使用Er3+、Yb3+共掺双包层光纤进行功率放大，使输出激光工作在1 550 nm 波段，其具有人眼安全和穿透能力强等特点［7］.

在1 550 nm 全光纤激光器方面，2004 年Philippov V 等［8］报道一台MOPA 结构Er3+、Yb3+共掺脉冲光纤激光器，由于非线性效应的作用，脉冲宽度从70 ns 展宽至575 ns，最大峰值功率小于2 kW;其后续研究采用大模场直径光纤获得高脉冲能量和高峰值功率输出［9］，但这类光源需要分立元器件，无法实现全光纤化. 2006 年，Savage-Leuchs M 等［10］进行全光纤MOPA 激光系统的研究，在重复频率为200 kHz 和脉冲宽度4.4 ns 时，获得峰值功率6 kW的激光输出. 2009 年Peng B 等［11］报道一台全光纤、人眼安全、Er3+、Yb3+共掺、多级级联脉冲激光器，功率放大器使用纤芯直径为25 μm 的大模场光纤，获得2 ns 的脉冲激光输出. 2011 年，刘源等［12］报道一台用于多普勒测风雷达的全光纤脉冲激光器，在重复频率10 kHz、脉冲宽度500 ns 条件下，获得116 μJ 的能量输出. MOPA 结构全光纤激光器在实际使用中更加灵活，是目前获得高能量、窄脉冲输出最可行的方法［13-17］.

本研究结合两种激光测距技术的特点，基于MOPA 技术，设计一台可同时实现脉冲和连续两种工作模式的全光纤激光器. 采用直接调制的DFB 半导体激光器作为种子源，其中心波长为1 550 nm.放大器包括2 级预放大器和1 级主放大器. 用于脉冲激光测距时，探测器接收脉冲上升沿的回波信号. 在重复频率50 kHz 时，获得脉冲宽度1.7 ns、峰值功率5.1 kW 的单模脉冲激光输出，对应的脉冲上升沿为370 ps，基本可以满足测距精度的要求. 用于相位激光测距时，可产生功率为0.5 W 的连续调制信号激光输出. 激光器能同时满足脉冲和相位两种测距功能的使用.

1 实验装置

图1 为激光器种子源结构示意图. 种子源由半导体激光器、驱动电路模块、温控模块以及信号发生器组成. 信号发生器包括脉冲频率、脉冲幅度及脉冲宽度的控制电路. 驱动电路模块起到放大电信号，并驱动激光器工作的作用.

用于脉冲激光测距时，信号发生器产生脉冲信号，通过驱动电路模块放大后为激光器提供电脉冲，进而使激光器以脉冲方式工作，光脉冲经过光纤放大器后获得高峰值功率的脉冲激光输出. 用于相位激光测距时，驱动电路模块控制信号发生器输出连续的调制电信号，经驱动电路模块放大后为激光器提供电信号，使激光器输出连续的光信号，再经光纤放大器后获得连续激光输出.

图1 激光器种子源结构图Fig.1 Schematic diagram of seed laser

全光纤MOPA 结构激光器实验装置如图2. 种子源采用中心波长为1 550 nm 的DFB 半导体激光器. 激光器包括两级预放大器和1 级主放大器，前两级预放大器采用5.8/125 μm 的单模掺Er3+光纤作为增益介质. 抽运源为单模光纤耦合输出的功率为255 mW、波长为976 nm 的半导体激光器. 通过980 nm 的光纤分束器将泵浦光功率按40∶60 分给两级放大器，分别与两个980/1 550 nm 的WDM 相连，将泵浦光耦合进增益光纤中. 使用线宽1.6 nm的带通滤波器滤除放大器中产生的放大自发辐射(amplified spontaneous emission，ASE)噪声，以防止前级放大器中产生的ASE 对后级放大器造成饱和而降低光放大效率. 在输出端使用隔离器将各级放大器之间隔离开，防止反馈光对前级系统造成干扰. 功率放大器使用长度为2.3 m 的Er3+、Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质，其纤芯直径为6 μm，包层直径为125 μm，在915 nm 的泵浦吸收为0.83 dB/m. 抽运光源为多模光纤耦合输出的最大输出功率为4 W、波长为976 nm 的半导体激光器，其输出光纤的纤芯直径为105 μm，内包层直径为125 μm. 从预放大器中输出的信号光与多模抽运光通过1 个(2 +1)×1 的光纤合波器耦合进入双包层增益光纤. 在功率放大器的输出端熔接高功率隔离器，防止光纤端面反射，减小反射光对放大器的影响.

图2 全光纤MOPA 激光系统Fig.2 Experimental setup of the all-fiber MOPA laser system

2 结果与分析

激光器用于脉冲激光测距，重复频率为50 kHz时，种子源获得脉冲宽度为1.7 ns、平均功率为1.6 μW 的激光输出，经预放大器后输出激光的功率达到46 mW，获得大于40 dB 的增益. 经主放大器后输出激光脉冲的平均功率随抽运功率的变化曲线如图3. 可见，在最大泵浦功率达到4 W 时，获得平均功率0.44 W，峰值功率5.1 kW 的单横模激光输出.

图3 激光器输出功率随抽运功率变化Fig.3 Output power versus pump power of the MOPA

图4 主放大器输出的光脉冲时域波形Fig.4 Output temporal trace of the pulse of the MOPA

利用10 GHz 探测器和6 GHz 示波器，在50 kHz 重复频率时，测量主放大器输出光脉冲的时域波形. 如图4. 输出激光脉冲宽度为1.7 ns，相应脉冲上升沿为370 ps. 窄脉冲的获得可以有效提高输出激光的峰值功率，增加测量距离. 由于测距仪的探测器通过接收脉冲上升沿回波信号进行测距，因此，脉冲上升沿越窄越有利于提高时间鉴别刻度，进而减小时间延迟造成的距离误差，提高测距精度.

激光器输出激光脉冲的光谱如图5，光谱信噪比大于20 dB，底部的基座是滤波器带通内的ASE经放大器后造成的. 在光纤放大系统中，非线性效应会限制输出激光脉冲的峰值功率. 因此，使用纤芯直径较粗或者掺杂质量浓度较高的光纤可以有效降低非线性效应. 然而，光纤纤芯直径的增加会使输出激光的模式数增多，不能保证单模激光输出，影响激光测距精度. 选用掺杂浓度较高的光纤，可以在较短长度的情况下，既降低非线性效应的阈值，又提高增益饱和功率，有效抑制光纤中的非线性效应. 通过使用纤芯直径为6 μm，915 nm 处泵浦吸收为0.83 dB/m，最佳长度为2.3 m 的Er3+、Yb3+共掺双包层光纤，确保单模激光输出，并避免脉冲光谱变形. 激光器输出的光脉冲基本可以满足脉冲激光测距的要求.

图5 输出激光脉冲的光谱图Fig.5 Output wavelength spectrum

激光器用于相位激光测距时，种子源以连续调制方式工作，输出平均功率为1.06 mW 的连续光信号，经光纤放大器后的最大输出功率达0.5 W.图6 为激光器种子源和功率放大器输出的连续光信号时域波形图. 激光器基本可以满足激光相位测距的要求.

图6 输出的光信号时域波形Fig.6 Output temporal trace

结 语

本研究结合脉冲和相位两种激光测距技术的特点，设计一台可同时实现两种工作模式的全光纤激光器，其输出激光中心波长为1 550 nm. 用于脉冲激光输出时，当重复频率为50 kHz，获得脉冲宽度1.7 ns、峰值功率5.1 kW 的单模脉冲激光输出，对应脉冲上升沿为370 ps. 用于连续激光输出时，获得功率为0.5 W 的调制信号. 激光器能以脉冲和连续两种输出方式工作，很好地满足了两种测距功能的要求.

/References:

［1］LIU Kun，CHEN Fang. Laser ranging method and laser development ［J］. Science and Technology Information，2008(30):387-388.(in Chinese)刘 坤，陈 芳. 激光测距方法及激光器的发展［J］. 科技信息，2008(30):387-388.

［2］WANG Yun-cai，QIAN Jian-jun. Correlation range finding with chaotic laser signal ［J］. Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2010，27(4):379-385.(in Chinese)王云才，钱建军. 激光混沌信号相关法测距研究［J］. 深圳大学学报理工版，2010，27(4):379-385.

［3］JIN Wei，ZHAO Zhen-ming，GAO Feng. Study on highprecision laser phase-ranging system with tunable measuring range ［J］. Science and Technology Innovation Herald，2012(5):13-14.(in Chinese)荆 伟，赵振明，高 峰. 测量范围可调的高精度激光相位测距系统研究［J］. 科技创新导报，2012(5):13-14.

［4］CHENG Yi-tao，YANG Jin-hua. Study on emission system of phase-laser range finder ［J］. Journal of Changchun University of Science and Technology Natural Science Edition，2010，33(1):29-31.(in Chinese)程义涛，杨进华. 相位激光测距发射系统实验研究［J］. 长春理工大学学报自然科学版，2010，33(1):29-31.

［5］ZHONG Ming，WANG Qi，ZHAI Gang，et al. Compact OPO laser at 1.57 μm ［J］. Laser Technology，2006，30(2):192-194.(in Chinese)钟 鸣，王 琪，翟 刚，等. 紧凑型1.57 μm OPO激光器［J］. 激光技术，2006，30(2):192-194.

［6］GUO Chun-yu，RUAN Shuang-chen，YAN Pei-guang，et al. Research on the Q-switched large mode area Yb-doped photonic crystal fiber laser ［J］. Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2007，24(1):79-84.(in Chinese)郭春雨，阮双琛，闫培光，等. 调Q 掺Yb 大模面积光子晶体光纤激光器研究［J］. 深圳大学学报理工版，2007，24(1):79-84.

［7］LU Chang-yong，WANG Xiao-bing，GUO Yan-long，et al.Principle and evolution of 1.5xμm wavelength eye-safe military laser rangefinder ［J］. Laser and Optoelectronics Progress，2005，42(3):32-35.(in Chinese)卢常勇，王小兵，郭延龙，等. 1.5xμm 波长人眼安全的军用激光测距机及其进展［J］. 激光与光电子学进展，2005，42(3):32-35.

［8］Philippov V N，Sahu J K，Codemard C，et al. All-fiber 1.15 mJ pulsed eye-safe optical source ［C］// International Conference on Fiber Lasers:Technology，Systems，and Applications. San Jose (USA):SPIE Press，2004，5355:1-5.

［9］Philippov V N，Codemard C，Alegria C，et al. High-energy in-fiber pulse amplification for coherent lidar application［J］. Optics Letters，2004，29(22):2590-2592.

［10］Savage-Leuchs M，Eisenberg E，Liu A，et al. High pulse energy extraction with high peak power from short-pulse，eye safe all-fiber laser system ［C］// International Conference on Fiber Lasers Ⅲ:Technology，Systems，and Applications. San Jose (USA):SPIE Press，2006，6102:610207-1-610207-8.

［11］Peng B，Zhang H，Gong M，et al. All-fiber eye-safe pulsed laser with Er-Yb co-doped multi-stage amplifier［J］. Laser Physics，2009，19(10):2019-2022.

［12］LIU Yuan，LIU Ji-qiao，CHEN Wei-biao. Eye-safe，single-frequency pulsed all-fiber laser for Doppler wind lidar［J］. Chinese Optics Letters，2011，9(9):090604-1-090604-4.

［13］Sobon G，Kaczmarek P，Antonczak A，et al. Pulsed dualstage fiber MOPA source operating at 1550 nm with arbitrarily shaped output pulses ［J］. Applied Physics B，2011，105(4):721-727.

［14］Shi W，Leigh M，Zong J，et al. Power scaling for narrow linewidth C-band pulsed fiber lasers using a highly Er/Yb co-doped phosphate glass fiber ［C］// International Conference on Optical Components and Materials V. San Jose(USA):SPIE Press，2008，6890:68900K-1-68900K-7.

［15］Shi W，Petersen E B，Leigh M，et al. High-energy singlemode single-frequency all-fiber laser pulses covering Cband based on highly co-doped phosphate glass fibers［C］// International Conference on Fiber Lasers VI:Technology，Systems，and Applications. San Jose (USA):SPIE Press，2009，7195:71951H-1-71951H-8.

［16］ZHOU Jie，YAN Ping，YIN Shu-peng，et al. All-fiber cascaded ytterbium-doped nanosecond pulsed amplifier［J］. Chinese Optics Letters，2011，8(5):457-459.

［17］GUO Chun-yu，RUAN Shuang-chen，CHEN Zu-cong，et al. An all-fiber supercontinuum source pumped with a 18.4 W picosecond fiber laser ［J］. Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2011，28(3):218-224.(in Chinese)郭春雨，阮双琛，陈祖聪，等. 18.4 W 皮秒光纤激光器及其全光纤化超连续谱源［J］. 深圳大学学报理工版，2011，28(3):218-224.