朱 辰，王雄飛，張 昆，李 堯，張浩彬，張大勇，張利明

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

基于增益開(kāi)關(guān)LD的高功率脈沖光纖激光器研究

朱 辰，王雄飛，張 昆，李 堯，張浩彬，張大勇，張利明

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

進(jìn)行了采用1064 nm增益開(kāi)關(guān)LD全光纖高功率光纖放大的實(shí)驗(yàn)研究。采用三級(jí)級(jí)聯(lián)光纖放大的方式，第一級(jí)放大為單包層光纖放大，第二、三級(jí)放大為雙包層光纖放大。在第三級(jí)放大最大泵浦注入功率為45.2 W時(shí)，獲得了25.3W的脈沖激光輸出，脈沖寬度223 ps，三級(jí)放大的光－光效率為55.9%。若后續(xù)進(jìn)一步增大泵浦功率，則有望實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。

光纖光學(xué)；光纖放大器；皮秒脈沖；增益開(kāi)關(guān)；全光纖

1 引 言

皮秒激光脈沖在工業(yè)加工、光學(xué)測(cè)量、激光通訊、非線性光學(xué)、國(guó)防等很多領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。皮秒激光加工由于在加工工件上不會(huì)產(chǎn)生大量的熱，對(duì)于熱沖擊或熱應(yīng)力敏感的材料來(lái)說(shuō)加工處理面較為光滑平整，因此常常用于太陽(yáng)能硅片切割、金屬或非金屬材料精細(xì)加工。此外利用高峰值功率激光的非線性光學(xué)效應(yīng)，可以觀察到超連續(xù)譜現(xiàn)象，從而獲得輸出光譜的極大展寬，特別是近紅外的皮秒脈沖激光注入高非線性光子晶體光纖，可以獲得400～1700 nm連續(xù)光譜的輸出。

皮秒激光的產(chǎn)生手段主要有鎖模激光器（包含光纖、固體、半導(dǎo)體等形式）、短腔調(diào)Q固體激光器、增益開(kāi)關(guān)激光器等。其中增益開(kāi)關(guān)技術(shù)是一種較為簡(jiǎn)單的獲得超短激光脈沖技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)預(yù)先在半導(dǎo)體激光器出光閾值附近設(shè)置直流偏置，再疊加一個(gè)大振幅電流脈沖的電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)該激光器，從而使半導(dǎo)體激光器快速達(dá)到諧振狀態(tài)，然后選擇輸出對(duì)應(yīng)弛豫振蕩第一個(gè)峰值的諧振光脈沖。通過(guò)這種方式可以得到比調(diào)制電脈沖的寬度要小的光信號(hào)脈沖。該技術(shù)的特點(diǎn)主要是使用調(diào)制電路就能產(chǎn)生超短激光脈沖。與鎖模方式的激光器相比，增益開(kāi)關(guān)激光器的輸出特性主要取決于調(diào)制電路，因此輸出激光的單脈沖能量和重復(fù)頻率變化范圍很大；而且可以通過(guò)調(diào)制電路電流波形來(lái)優(yōu)化光脈沖的波形和寬度。此外采用該技術(shù)的器件機(jī)械穩(wěn)定性較高，適宜整機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用。但缺點(diǎn)是輸出光脈沖平均功率很低，要獲得高功率輸出時(shí)需要的放大級(jí)數(shù)較多，系統(tǒng)相應(yīng)會(huì)較復(fù)雜。

由于增益開(kāi)關(guān)技術(shù)對(duì)于調(diào)制電路的技術(shù)要求很高，且輸出激光功率較低，因此基于1064 nm增益開(kāi)關(guān)激光器作為種子源的主振蕩功率放大（MOPA）技術(shù)方案獲得全光纖高功率光纖激光輸出的研究報(bào)道還很少。本文基于上述研究方案，以增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器作為種子源，采用三級(jí)光纖放大的方式，利用30μm纖芯大模場(chǎng)高摻雜雙包層光纖作為功率放大級(jí)增益介質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)了25.3 W的全光纖輸出。

2 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

2.1 原 理

由于工作在增益開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的半導(dǎo)體激光器輸出功率很低，如果要達(dá)到精細(xì)加工或非線性變換等應(yīng)用對(duì)高平均功率（峰值功率）光源的需要，采用MOPA方式對(duì)其進(jìn)行后續(xù)放大是必不可少的。雙包層光纖形式MOPA的基本原理是：信號(hào)光由耦合器件耦合到雙包層光纖的纖芯；泵浦光由耦合器件耦合到雙包層光纖的內(nèi)包層，在波導(dǎo)傳輸過(guò)程中多次經(jīng)過(guò)纖芯并被摻雜離子吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在信號(hào)光的激發(fā)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的功率放大。

如前所述，由于實(shí)驗(yàn)中采用的種子源輸出功率要比被動(dòng)鎖模激光器輸出功率低很多，信號(hào)光容易被增益光纖大部分或完全吸收，在放大過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)高功率或高倍率放大，能量反而會(huì)以自發(fā)輻射（ASE）的形式耗散掉，降低輸出激光的信噪比，因此設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)放大器的優(yōu)化，使之能有效地抑制ASE。此外在高功率工作條件下，還需要著重考慮光纖傳輸過(guò)程中的非線性效應(yīng)抑制以及光纖器件、增益介質(zhì)的熱管理，以保證激光器系統(tǒng)的可靠工作。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Yb3＋離子的975 nm吸收波長(zhǎng)接近1064 nm發(fā)射波長(zhǎng)，具有較高的量子效率和較低的廢熱，容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出，因此考慮采用摻Y(jié)b3＋的光纖作為各級(jí)放大器的增益介質(zhì)。

從應(yīng)用角度出發(fā)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，減少光學(xué)失調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)裝置采用全光纖化設(shè)計(jì)，通過(guò)掌握低損耗光纖熔接工藝連接各個(gè)光纖器件，從而保證了激光器的穩(wěn)定可靠工作。

本文涉及的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

種子源為光纖耦合輸出的增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器，輸出中心波長(zhǎng)1064.6 nm，平均功率0.573 mW，脈沖寬度300 ps，重復(fù)頻率100 MHz。為了保護(hù)LD不被回光損壞，在種子源后面串聯(lián)了一個(gè)隔離器加以保護(hù)。

第一級(jí)放大的設(shè)計(jì)輸出功率較小，因此采用了單包層摻Y(jié)b3＋光纖放大的方式，由單模輸出的975 nm LD泵浦源、975／1060 nm波分復(fù)用器（WDM）、2 m單包層增益光纖和單模隔離器構(gòu)成。

第二級(jí)放大采用了雙包層光纖放大的方式。光學(xué)器件包含有：一支Oclaro公司生產(chǎn)的975 nm半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，其額定輸出功率25 W，輸出光纖105／125，NA為0.22；一支（2＋1）×1的合束器作為耦合器，信號(hào)纖為10／130雙包層GDF光纖，泵浦單臂最大承受功率50W；3m長(zhǎng)的Nufern公司10／130摻Y(jié)b3＋雙包層光纖作為增益介質(zhì)，其對(duì)975 nm的泵浦光吸收系數(shù)為3.9 dB／m；隔離器的最大承受功率為5W。

第三級(jí)放大同樣采用了雙包層光纖放大的方式，出于抑制非線性效應(yīng)的考慮采用了較粗纖芯的雙包層光纖作為增益、傳輸介質(zhì)。泵浦源為兩只Oclaro公司975 nm LD，合束器為ITF公司（6＋1）×1產(chǎn)品，信號(hào)纖為10／130雙包層光纖，輸出光纖為30／250雙包層光纖，單臂最大承受功率50W，增益光纖為Nufern公司的摻Y(jié)b雙包層光纖，纖芯和內(nèi)包層的直徑分別為30μm和250μm，纖芯NA為0.08，內(nèi)包層NA為0.46，975 nm的泵浦吸收系數(shù)為4 dB／m，選取長(zhǎng)度3 m。為了防止回光損傷器件，將輸出光纖切成斜8°角。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)種子源注入到第一級(jí)放大后，通過(guò)調(diào)節(jié)第一級(jí)泵浦LD電流，在泵浦電流達(dá)到1000 mA時(shí)，獲得了第一級(jí)放大輸出54 mW。激光功率與泵浦功率的關(guān)系如圖2。由于信號(hào)光的輸出功率小，為小信號(hào)功率提取模式；且使用的增益光纖較長(zhǎng)，導(dǎo)致信號(hào)光被后續(xù)增益光纖吸收，因此光－光提取效率較低。

維持第一級(jí)放大泵浦功率700 mW，增加第二級(jí)放大泵浦LD的工作電流，當(dāng)泵浦LD的工作電流為5A（此時(shí)泵浦功率為10.7 W）時(shí)，第二級(jí)放大的輸出功率為4.3 W，光－光提取效率40.2%。激光功率與泵浦功率的關(guān)系如圖3。

圖2 第一級(jí)放大泵浦電流與輸出功率的關(guān)系

圖3 第二級(jí)放大泵浦功率與輸出功率的關(guān)系

結(jié)合對(duì)雙包層光纖放大器的理論計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮到第三級(jí)放大器工作的穩(wěn)定可靠，選擇第二級(jí)放大級(jí)的泵浦工作電流為3.5 A，此時(shí)二級(jí)放大的輸出功率為2.33W。將該信號(hào)光注入至三級(jí)放大器的纖芯中，逐步增加兩支第三級(jí)放大器泵浦LD的工作電流，最終在泵浦電流為10 A時(shí)，獲得了25.3 W的激光輸出，其輸出功率特性曲線、輸出光譜、脈沖寬度如圖4所示。通過(guò)光譜儀測(cè)試輸出光譜，未發(fā)現(xiàn)有非線性現(xiàn)象，且輸出激光的信噪比大30 dB。

圖4 輸出特性圖

由于第三級(jí)放大采用了（6＋1）×1的合束器，有六支泵浦單臂，而實(shí)驗(yàn)中實(shí)際只用了兩支泵浦LD；從圖4（a）中線性增長(zhǎng)的輸出曲線可以推斷：進(jìn)一步增大泵浦注入功率，則有望獲得更高功率的激光輸出。

4 結(jié)論與展望

報(bào)道了基于1064 nm增益開(kāi)關(guān)的全光纖高功率脈沖光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究，采用三級(jí)級(jí)聯(lián)放大的方式，在最大注入泵浦功率45.2 W時(shí)，實(shí)現(xiàn)了25.3 W的激光輸出，光－光轉(zhuǎn)換效率為55.9%，激光器的輸出功率與泵浦功率保持線性。結(jié)果預(yù)示：若后期進(jìn)一步增大泵浦功率，有望獲得更高功率的激光輸出。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于高非線性光纖中的非線性光譜展寬實(shí)驗(yàn)研究，也可以用于太陽(yáng)能硅晶體的切割、金屬或非金屬材料表面去除等方面的應(yīng)用。

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Experimental study of high power pulse fiber laser based on gain-sw itched LD

ZHU Chen，WANG Xiong-fei，ZHANG Kun，LIYao，ZHANG Hao-bin，ZHANG Da-yong，ZHANG Li-ming
（Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory，Beijing 100015，China）

Experimental study on all-fiber high power pulse fiber laser based on 1064 nm gain-switched laser diode is reported.Themethod of tri-stage cascade amplification is employed in the experimental.The first stage amplification is single-mode ytterbium-doped fiber，and gain medium of the second and third stage amplification is double-cladding fiber.Average power of 25.3W is obtained under amaximum 45.2W pump power，and the optical-optical efficiency is 55.9%.The pulse width is 223 ps with center wavelength of 1064 nm.No nonlinear effect is observed by spectrometer，and the SNR is beyond 30 dB.A higher power laser output can be realized as the pump power is further enhanced.

fiber optics；fiber amplifier；picosecond pulse；gain-switched；all-fiber

TN248.1

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0145-04

朱 辰（1977－），男，高工，碩士，從事高功率連續(xù)、脈沖光纖激光器及超連續(xù)譜技術(shù)研究。E-mail：zhuch＠sina.com

2013-07-10