1 引言
超短脈沖激光由于具有高峰值功率、窄脈沖寬度、高重復(fù)頻率等特點(diǎn)，已經(jīng)成為激光技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。如今，在工業(yè)精細(xì)加工、精密測量、生物、醫(yī)療、光通信、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，超短脈沖激光都發(fā)揮著無以替代的作用。以摻鐿光纖為增益介質(zhì)的鎖模光纖激光器近年來發(fā)展迅猛，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代后期，隨著光纖技術(shù)的快速發(fā)展，以及大功率半導(dǎo)體激光器(LD)技術(shù)的不斷突破，鎖模光纖激光器，以其轉(zhuǎn)換效率高、散熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)成為了激光技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。
鎖模光纖激光器從技術(shù)層面主要分為主動鎖模和被動鎖模兩種。主動鎖模光纖激光器通常在腔內(nèi)采用調(diào)制器件，這會產(chǎn)生腔體的附加損耗，由于調(diào)制器件多為非光纖元件，其引入難以實(shí)現(xiàn)全光纖化集成，制約了該技術(shù)的全光纖化發(fā)展；同時(shí)，主動鎖模容易受到外界環(huán)境，諸如溫度變化，機(jī)械振動，以及超模噪聲，諧振腔內(nèi)偏振態(tài)起伏等因素的影響，需要很多復(fù)雜的技術(shù)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果是大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高了激光器的成本。反觀被動鎖模光纖激光器，由于結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、便于集成等優(yōu)點(diǎn)受到國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，并在通信、醫(yī)學(xué)、加工、傳感和探測等眾多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
被動鎖模光纖激光器主要通過采用非線性光學(xué)環(huán)形鏡，非線性偏振旋轉(zhuǎn)和基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。其中，基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）的被動鎖模技術(shù)由于具有設(shè)計(jì)靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定、自啟動等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡在制備過程中可靈活控制調(diào)制深度、恢復(fù)時(shí)間、飽和通量等關(guān)鍵參數(shù)，并且根據(jù)需要可加工集成在光纖端頭上，便于全光纖化，因此，該類型被動鎖模光纖激光器在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。
本文采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)，利用基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的鎖模光纖激光器作為種子源，通過三級放大實(shí)現(xiàn)了平均功率74.3W的被動鎖模光纖激光器。實(shí)驗(yàn)中分析了種子源的不同狀態(tài)，以及這些狀態(tài)對放大級的影響，同時(shí)，通過重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)，在增加重頻的同時(shí)，加之對放大級光纖長度的優(yōu)化，減小了非線性效應(yīng)對輸出功率的影響。
2 實(shí)驗(yàn)方案
圖1是實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)激光器由五部分組成：被動鎖模光纖種子源、預(yù)放大器、重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)、一級功率放大器、二級功率放大器。
該激光器的種子源是基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)線性腔結(jié)構(gòu)的被動鎖模光纖激光器。種子源結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。泵浦源為帶尾纖的975nm半導(dǎo)體激光器，最大泵浦功率約550mW，其驅(qū)動源帶有溫控系統(tǒng)，可保證輸出波長的穩(wěn)定性為了防止泵浦源被回光損傷，在其末端熔接一個(gè)泵浦保護(hù)器。泵浦保護(hù)器的另一端與光纖布拉格光柵(FBG)熔接，泵浦光經(jīng)光柵(FBG)注入諧振腔。該光柵(FBG)中心波長1063.4 nm，3dB帶寬0.15nm，反射率95%，作為腔內(nèi)的一個(gè)反射鏡。光纖分束器OC一端連接光纖光柵，另一側(cè)70%分光端連接增益光纖，用于將泵浦光耦合進(jìn)增益光纖，30%端用于激光輸出；增益光纖采用了2m長的高濃度單模摻鐿光纖，其在976nm處的吸收系數(shù)為1200dB/m，該光纖的另一端與SESAM的尾纖連接，實(shí)現(xiàn)諧振腔的閉合。根據(jù)SESAM的特性，腔內(nèi)的強(qiáng)激光脈沖經(jīng)尾纖匯聚在SESAM上，由于其對強(qiáng)脈沖吸收率低，反射后沿原路返回進(jìn)增益光纖，弱激光脈沖由于SESAM吸收而被抑制，如此多次循環(huán)，強(qiáng)脈沖不斷被放大并最終輸出高強(qiáng)度窄脈寬脈沖序列。實(shí)驗(yàn)中采用的是BATOP公司生產(chǎn)的吸收層為多量子阱結(jié)構(gòu)的SESAM，高反區(qū)1010 ～ 1120nm，反射率大于40%，調(diào)制深度30%，飽和通量30μJ/cm2，非飽和吸收損耗15%，恢復(fù)時(shí)間為9 ps。OC輸出端連接的偏振控制器是一個(gè)光纖型偏振控制器件，其作用是為了調(diào)節(jié)激光的偏振態(tài)；之后連接一段0.55m的摻鐿光纖用于對多余的泵浦光進(jìn)行吸收，末端連接的光纖隔離器(ISO)是防止放大級的回光損傷種子源。
預(yù)放大器的增益介質(zhì)采用與種子源相同的高濃度單模摻鐿光纖，長度2.5m。泵浦源同樣采用550mW帶尾纖的975nm半導(dǎo)體激光器。為了防止光路中反向光打壞泵浦源，在泵浦源后熔接泵浦保護(hù)器。泵浦光通過WDM耦合入增益光纖，對種子光進(jìn)行放大。在預(yù)放大級末端熔接光纖隔離器，防止回光損傷光路。之后的重頻倍增系統(tǒng)由分束器和無源光纖組成，其主要原理是通過精確計(jì)算脈沖間隔和延遲時(shí)間使得一個(gè)脈沖周期內(nèi)的脈沖數(shù)量得以增加。
功率放大器分兩級結(jié)構(gòu)，一級功率放大器采用的是Nufern公司生產(chǎn)10/130雙包層摻鐿光纖，泵浦源采用OCLARO公司生產(chǎn)的一只25W，中心波長975nm的半導(dǎo)體激光器；通過(2+1)×1合束器耦合入增益光纖，光纖的輸出端熔接大功率光纖隔離器。二級功率放大器采用的是Nufern公司生產(chǎn)25/250雙包層摻鐿光纖；為了提高功率，泵浦源采用了4只OCLARO公司生產(chǎn)的25W，中心波長975nm的半導(dǎo)體激光器，它們通過(6+1)×1光纖合束器耦合入增益光纖。增益光纖的末端熔接一段無源光纖，在熔接點(diǎn)出制作了泵浦傾瀉裝置，濾除未被吸收的多余的泵浦光；最終輸出端切8°斜角輸出。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
種子源的激光輸出特性隨著泵浦功率的增加會經(jīng)歷不同的狀態(tài)。當(dāng)泵浦功率未達(dá)到被動鎖模的閾值時(shí)，激光器無脈沖輸出，經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察，其一直處于連續(xù)波輸出階段；而當(dāng)泵浦功率達(dá)到62.1mW閾值功率時(shí)，激光器瞬時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定的連續(xù)鎖模狀態(tài)，幅值穩(wěn)定無變化。經(jīng)測量，其重復(fù)頻率16.80MHz，中心波長1063.6nm，光譜寬度0.908nm 脈沖形狀以及光譜形狀如圖3和圖4所示。
隨著泵浦功率的增加，當(dāng)泵浦功率高于152mW時(shí)，光纖激光器會出現(xiàn)多脈沖調(diào)制現(xiàn)象，及諧波鎖模，如圖5所示。其具體表現(xiàn)為多個(gè)脈沖序列周期性的出現(xiàn)，但同一序列內(nèi)的各脈沖幅值、脈寬各不相同，且相應(yīng)的峰值不穩(wěn)定；并且隨著泵浦功率的不斷升高，變化的不穩(wěn)定性逐漸加劇，這種現(xiàn)象是鎖模脈沖的極不穩(wěn)定現(xiàn)象，是由半導(dǎo)體可飽和吸收鏡被深度飽和所引起的；此時(shí)，如果減小泵浦功率，降至152mW以下，種子源又能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，多脈沖調(diào)制現(xiàn)象對系統(tǒng)穩(wěn)定性和后續(xù)的功率放大是極其不利的，種子源輸出應(yīng)避免這種狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選用此腔型的種子源，從連續(xù)波狀態(tài)到鎖模狀態(tài)的過程中，激光器無調(diào)Q不穩(wěn)定現(xiàn)象出現(xiàn)，這一結(jié)構(gòu)優(yōu)勢會極大地減少SESAM的損壞幾率，提高種子源的穩(wěn)定性。
圖6為連續(xù)波鎖模狀態(tài)下種子源輸出功率隨泵浦功率變化的曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)泵浦功率未達(dá)到100mW 時(shí)，輸出功率隨著泵浦功率增大的幅度越來越大，在曲線上表現(xiàn)為斜率逐漸增大這是由于低泵浦功率的條件下，鎖模的模式隨著泵浦功率的增大而逐漸增多，使得輸出功率上升的速度加快。當(dāng)泵浦功率大于100mW后，由于光纖光柵帶寬的約束，激發(fā)出的鎖模模式數(shù)不再增加，輸出功率便會隨泵浦功率的增加呈線性上升。最終當(dāng)泵浦功率達(dá)到152mW時(shí)，種子源穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出功率為5.97mW，用自相關(guān)儀測得的脈沖寬度為7ps脈沖自相關(guān)軌跡如圖7所示。
在預(yù)放大級，輸出功率隨著泵浦功率的增大基本呈線性增加，當(dāng)泵浦功率達(dá)到552mW 時(shí)，放大器實(shí)現(xiàn)最大平均功率173.4mW激光輸出，其輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖8所示。之后，激光器連接重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)(f×4) ，將重復(fù)頻率從16.8 MHz增加到68MHz，脈沖序列圖如圖9所示。經(jīng)過該系統(tǒng)的輸出功率為76.2mW。采用重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)可以有效的增加重復(fù)頻率，降低光纖內(nèi)激光峰值功率密度，減小甚至消除后級光纖放大中的非線性效應(yīng)。
一級功率放大器采用10/130雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，輸出功率曲線如圖10所示。當(dāng)泵浦功率增大到9.6W時(shí)，輸出功率達(dá)到3.56W由于該放大級采用了雙包層增益光纖，因此，通過光纖放大后，輸出端的光纖包層中會殘留有未被吸收的泵浦光，為了消除其影響，在輸出端制作了包層傾瀉裝置；同時(shí)，輸出光纖末端連接了光纖隔離器，作用是對放大級光路進(jìn)行保護(hù)，防止回光損傷器件。
二級功率放大器采用了25/250雙包層摻鐿光纖，其輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，當(dāng)泵浦功率較低時(shí)，輸出功率隨泵浦功率增加的速度會逐漸變大，即曲線斜率增大；當(dāng)泵浦增大到一定范圍時(shí)，輸出功率隨泵浦功率的增加呈線性增加狀態(tài)。造成這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于LD溫度變化所引起。因?yàn)樵摲糯蠹壊捎玫谋闷衷床粠乜睾筒ㄩL穩(wěn)定系統(tǒng)，因此，當(dāng)泵浦功率較低時(shí)，LD 并沒有工作在最佳波長附近，從而造成增益光纖對泵浦光的吸收效率偏低。但隨著驅(qū)動電流的不斷增大，泵浦功率不斷升高，LD的工作溫度也相應(yīng)升高，輸出波長逐漸向最佳吸收峰976nm逼近，泵浦光的吸收效率也不斷增大，這就使得輸出功率隨泵浦功率增加的趨勢加快。當(dāng)泵浦功率增大到一定范圍后，LD的波長便移動到976nm附近，此時(shí)，吸收效率基本保持不變，從而表現(xiàn)為輸出功率變化曲線的斜率保持不變。
最終，當(dāng)泵浦功率增大到98.9W時(shí)，得到最大輸出功率74.3W，中心波長1063.4nm，重復(fù)頻率68MHz的鎖模激光輸出。通過光譜儀、示波器測得的鎖模脈沖的光譜圖和脈沖波形如圖12、13所示。從光譜圖中可以看出，除了有少量未被吸收的泵浦光外(輸出激光和泵浦光的峰值波長相差 27 dB)，輸出光譜波形穩(wěn)定良好，沒有出現(xiàn)受激布里淵散射(SBS)受激拉曼散射(SRS)等非線性效應(yīng)引起的其他波段的光譜。同時(shí)，從示波器上顯示的脈沖波形狀態(tài)也很穩(wěn)定，重復(fù)頻率并沒有隨著高泵浦功率放大而產(chǎn)生變化。但從圖形中可以看出，脈沖波形的峰值有一定起伏，這主要是由于二級放大泵浦LD輸出功率和輸出波長的狀態(tài)變化造成的。因?yàn)樵摲糯蠹壊捎玫谋闷諰D沒有波長鎖定功能，LD的輸出特性隨著驅(qū)動電流的不斷增大，輸出波長對應(yīng)的輸出功率會產(chǎn)生非線性波動，這種變化必然會對激光脈沖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。此外，整個(gè)系統(tǒng)工作過程中一直暴露在開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由于光路中的部分元器件對偏振有一定程度的依賴性，因此，外界環(huán)境，諸如振動、氣流等因素的變化容易引起偏振態(tài)的變化， 進(jìn)而也會對輸出激光脈沖的峰值變化產(chǎn)生一定影響。所以，基于上述分析，若能將整個(gè)激光器系統(tǒng)處于相對密閉的工作環(huán)境中，并采用更加穩(wěn)定的泵浦源進(jìn)行泵浦，相信輸出激光的脈沖波形將更加穩(wěn)定。
4 總 結(jié)
本文研究了MOPA結(jié)構(gòu)的皮秒級鎖模脈沖光纖激光器。整個(gè)系統(tǒng)的種子源是基于SESAM的自啟動被動鎖模摻鐿光纖激光器，預(yù)放大器是采用高摻雜濃度單模摻鐿光纖構(gòu)建的光纖放大器，經(jīng)過重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)和兩級雙包層摻鐿光纖放大器，實(shí)現(xiàn)了平均功率74.3 W，中心波長1063.4 nm，重復(fù)頻率68 MHz，脈沖脈寬7.0 ps的鎖模脈沖激光輸出實(shí)驗(yàn)中無受激拉曼散射、受激布里淵散射等非線性效應(yīng)產(chǎn)生。激光輸出的脈沖波形有一定波動，若能對種子源、增益光纖等器件采用密閉環(huán)境，同時(shí)采用更加穩(wěn)定的LD進(jìn)行泵浦，將會提高鎖模脈沖的穩(wěn)定性。（固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王雄飛，李堯，朱辰，張昆，張利明，張大勇，趙鴻）
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