58 kW高峰值功率窄线宽纳秒脉冲光纤激光器
2022-01-11张浩彬
李 尧,温 强,张 昆,李 政,张浩彬,余 洋
(固体激光技术重点实验室,北京 100015)
1 引 言
高峰值功率纳秒脉冲窄线宽光纤激光器因其同时具备窄线宽和高峰值功率的优势,在非线性光学频率变换、激光雷达等领域获得了极大关注与应用。
通过直接在窄线宽连续激光腔外进行腔外调制,利用电光调制器或声光调制器等将连续光斩波成脉冲光是获得窄线宽激光的一种有效手段,具有可通过调节驱动器独立控制脉宽、重频、脉冲波形等参数的优点。但是由于斩波后功率损耗较大,多需采用MOPA结构,经过后续的多级放大得以继续应用。
受激布里渊散射(SBS)是制约窄线宽纳秒脉冲光纤激光器峰值功率提升的主要限制因素。2018年,西安电子科技大学报道了一种脉宽2.8 ns、重频1.59 MHz、线宽330 MHz、偏振消光比14.5 dB的光纤激光器,激光器峰值功率的进一步提升受限于受激布里渊(SBS)效应[1]。根据SBS的阈值公式,对SBS的抑制方法包括:增大增益光纤纤芯面积[2]、减小光纤长度[3-4]、降低光子与声子的重叠度[5]、改变光纤结构[6]、展宽SBS增益谱[7-8]、减小脉冲宽度[9]等等。
通过多种技术方法相结合,本文报道了一种窄线宽纳秒脉冲光纤激光器。通过在功率放大级采用纤芯直径30 μm、长2 m的大模面积掺镱保偏双包层光纤,增大了纤芯面积;缩短了光纤长度;减小了SBS增益系数;同时减小脉冲宽度,使光脉冲与声子寿命可比拟从而时压制光纤中声波场的形成,有效抑制了SBS等非线性效应,获得了高峰值功率激光输出。光纤激光器采用MOPA结构。窄线宽种子源输出连续种子光,经电光强度调制器调制为重频100 kHz、脉宽6 ns的脉冲信号光,再经4级光纤放大,最终输出高峰值功率纳秒脉冲激光,中心波长1064.31 nm,平均功率56.9 W,重频100 kHz,脉宽9.8 ns,峰值功率58 kW,光束质量M2=1.34,偏振消光比15.6 dB。
2 实验方案
窄线宽纳秒脉冲光纤激光器采用窄线宽种子源加四级光纤放大的MOPA结构,结构示意图如图1所示,工作波长1064 nm。光路中的增益光纤采用熊猫型保偏光纤,具有双折射效应高、纤芯圆度好等优点,无源器件均采用保偏器件。
图1 窄线宽纳秒脉冲光纤激光器实验光路图Fig.1 Schematic setup of single frequency nanosecond pulsed fiber laser
窄线宽种子源为尾纤输出的DFB LD,输出连续波种子光,最大输出功率20 mW,工作波长1064.2 nm。线宽小于3 MHz,边模抑制比(SMSR)45 dB。后接电光强度调制器(EOM)为法国Photoline公司的LiNbO3波导结构的强度调制器,尾纤为PM 6/125 μm光纤。通过任意波形信号发生器(AFG)驱动电光强度调制器对连续波信号进行调制,生成满足要求的脉冲光信号。任意波形发生器的最高调制频率70 MHz,最小调制脉宽4 ns。信号的脉冲宽度和重复频率通过任意波形发生器进行设置。
由于占空比较低,经过电光强度调制器后的脉冲信号光输出功率会有较大衰减,仅为40 μW。为保证获得足够的增益,先通过两级掺镱保偏单模光纤(PM YSF-6/125)将脉冲信号光进行预放大。两级预放大增益光纤均采用掺镱保偏单模光纤,数值孔径NA 0.11,在975 nm吸收系数为250 dB/m,光纤长度经实验优化后分别为2.2 m和1.9 m。这两级单模预放大级均采用正向泵浦,由一支最大输出功率750 mW、输出波长976 nm的半导体激光器(750 mW LD)通过50/50光纤分束器分光(50/50 coupler)后经过波分复用器(WDM)进行泵浦。为减小激光器的体积和简化结构,波分复用器为带有隔离滤波功能的复合器件,尾纤型号SM98-PS-U25D-H,慢光工作。隔离功能用于避免光路中的反向光向后传输将前级打坏;滤波功能用于滤除光纤放大中产生的放大自发辐射(ASE)。在预放大级输出端连接带通滤波器(BPF)也起到相同作用。
经两级单模预放大后,进入10/125掺镱保偏双包层光纤放大。一支功率9 W、输出波长976 nm的半导体激光器(9 W LD),输出尾纤105/125 μm,通过一支输入信号尾纤PM 6/125 μm、输出尾纤PM 10/125 μm的(2+1)×1的光纤合束器((2+1)×1 coupler)耦合注入掺镱保偏双包层光纤(PM YDCF-10/125)进行泵浦。该光纤为nufern公司生产的PLMA-YDF-10/125-M光纤,纤芯直径10 μm,数值孔径NA 0.08;内包层直径125 μm,数值孔径NA 0.46。在915 nm处泵浦激光吸收系数为1.8 dB/m。经实验优化后光纤长度选取3.7 m。
窄线宽信号光在光纤放大过程中产生的受激布里渊散射(SBS)等非线性效应会带来后向散射光。在进入下一级功率放大级之前,加入光纤隔离器(ISO)保护前级光路因后向光过大而造成损坏。通过10/90光纤耦合器(10/90 coupler)的10 %端对SBS的状态进行功率监测,当发现功率非线性增加时表示已达到SBS效应的阈值。为了更好地保持输出光的偏振态,在光纤隔离器后增加了慢光工作的在线起偏器(in line polarizer)。
放大后的脉冲信号光最终进入30/250掺镱保偏双包层光纤功率放大级进行放大。两支功率100 W、波长976 nm的半导体激光器(100 W LD)通过带有模场匹配功能的(2+1)×1光纤合束器(2+1)×1 coupler)将泵浦光注入掺镱保偏大模场双包层光纤(PM YDCF-30/250)。该光纤为nufern公司生产的PLMA-YDF-30/250-HI-8光纤,纤芯直径30 μm,数值孔径NA 0.06;内包层直径250 μm,数值孔径NA 0.46。在975 nm处的吸收系数为5.25 dB/m,经实验优化后长度选取2 m。为了滤除未被吸收的剩余泵浦光,提高输出光束质量,功率放大级的输出端接有包层光处理器(CPS)。放大激光通过定制的端帽输出。采用水冷方式对功率放大级散热,水温25 ℃。
3 结果分析
DFB LD输出的窄线宽连续波种子光,经电光强度调制器调制为重频100 kHz,脉宽6 ns的脉冲信号光。脉冲信号先经过两级单模掺镱保偏单模光纤预放大级进行放大。750 mW LD输出的泵浦功率484 mW时,经第一级预放大后脉冲信号光功率被放大至4.48 mW,经二级预放后功率放大至42.8 mW。再经10/125掺镱保偏双包层光纤预放大级进行放大。9 W LD输出泵浦功率4.18 W时,脉冲信号光功率被放大至1.61 W。最终,脉冲信号光进入功率放大级,测得激光的功率随泵浦功率的增加呈线性增长。输出特性曲线如图2所示,斜效率71.7 %。泵浦功率75.17 W时,激光输出平均功率56.9 W。
图2 功率放大级输出激光功率随泵浦功率的变化Fig.2 Output power as a function of pump power
窄线宽光纤激光器输出功率的提升主要受限于SBS。SBS具有较低的阈值功率。一旦达到SBS阈值,后向传输的斯托克斯光会随着输入泵浦激光功率的增加呈非线性趋势增长,最终将大部分输入功率转换为后向功率。SBS的阈值表达式为:
(1)
式中,KB为偏振因子,由泵浦光的偏振态决定,线偏振光取KB=1,自然光KB=0.5;Aeff为纤芯截面面积,Leff为SBS有效作用长度,与实际光纤长度L的关系如式(2)所示,其中α为光纤的衰减系数:
Leff=[1-exp(-αL)]/α
(2)
为了提升SBS效应的阈值,实验中功率放大级采用的增益光纤为掺镱保偏双包层光纤。保偏光纤的特殊结构使得光纤内的折射率发生改变,减小了SBS增益系数;该光纤为纤芯直径30 μm的大芯径光纤,增大了有效纤芯截面面积;实验中通过优化光纤长度,使长度缩短至2 m。同时,调制激光器使其工作的脉冲宽度小于10 ns,使SBS声波场难以建立。通过上述措施,实验中未发现SBS对输出功率的限制。
激光功率的进一步提升受限于次脉冲的产生。通过光电探头探测输出激光脉冲的时域特性。激光输出56.9 W时,在示波器上观测到激光脉冲波形,重频100 kHz,脉宽9.8 ns,此时对应的激光峰值功率为58 kW。若继续增加泵浦功率,在示波器上会发现次脉冲的产生,如图3所示,图中右侧小的脉冲峰即为次脉冲。
图3 输出激光脉冲波形图Fig.3 Pulse waveform of output laser
实验中发现,在示波器上观察到的次脉冲在位置和幅度上具有不稳定性。根据文献[10]~[12],造成次脉冲现象的原因是对于低占空比的脉冲放大,因脉冲间隔较长,在脉冲时间间隔内会造成ASE的功率累积,使得在信号光波长处产生寄生激光和自脉动(Self-pulsations)。后续将通过使用窄带滤波器、提高前级注入信号功率及泵浦功率、提升熔接质量以减少光纤放大器内熔接反馈或端面反馈等方法来减少光纤放大过程中ASE效应的积累,抑制次脉冲的出现。
采用光谱分析仪测量此时的激光光谱,中心波长1064.309 nm,如图4所示。
图4 输出激光光谱图Fig.4 Spectra of output laser
与种子光3 dB谱宽0.064 nm相比,光谱有一定程度的展宽,3 dB谱宽0.379 nm。这主要是由自相位调制(SPM)等非线性效应造成的。SPM是窄线宽、单偏振的光波在光纤中传输时使传输的光波发生相移(频率啁啾)的情况,这种啁啾与光场的强度有关。SPM会导致光谱展宽。当脉冲沿光纤传输时,由SPM产生的频率分量在不断产生,这些频率分量展宽了光谱。SPM与增益光纤的长度有关,它随光纤长度的增加而增加;当光纤长度一定时,它随峰值功率线性增大。后续可以采取相位调制补偿的方法,抑制自相位调制光谱展宽。
图5 输出激光的光束质量Fig.5 Beam quality of output laser
利用消光比测试仪测量输出激光的偏振消光比,测得的偏振消光比为15.6 dB。
4 结 论
本文讨论了一种MOPA结构的窄线宽纳秒脉冲光纤激光器。窄线宽种子源输出的连续种子光经电光强度调制器调制为纳秒脉冲信号光,经4级光纤放大,输出的窄线宽脉冲激光最大平均功率56.9 W,重频100 kHz,脉宽9.8 ns,峰值功率58 kW。激光的中心波长1064.31 nm,光束质量M2=1.34,偏振消光比15.6 dB。初步分析了次脉冲和自相位调制产生的原因,提出了下一步的工作方向,以期使得激光器能够获得更高的峰值功率,更好满足实际应用的需求。