陳鵬飛，伍　波，沈琪皓，何幸鍇

(西南技術(shù)物理研究所, 成都 610041)

高重頻風(fēng)冷聲光調(diào)Q光纖激光器實(shí)驗(yàn)研究

陳鵬飛，伍波*，沈琪皓，何幸鍇

(西南技術(shù)物理研究所, 成都 610041)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定的風(fēng)冷高重頻脈沖光纖激光器，采用主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)，對(duì)聲光調(diào)Q的全光纖激光器進(jìn)行了研究。振蕩級(jí)采用聲光調(diào)Q方案，以光纖光柵對(duì)為激光器腔鏡，915nm激光二極管連續(xù)抽運(yùn)，得到了中心波長(zhǎng)1064nm、重復(fù)頻率10kHz到130kHz可調(diào)的激光脈沖輸出。采用兩級(jí)大模場(chǎng)雙包層光纖放大，實(shí)現(xiàn)了平均功率101W、脈沖寬度328.1ns、3dB光譜寬度0.6nm的激光輸出。第二放大級(jí)光光轉(zhuǎn)換效率69%，激光器總光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)62.7%。分析了聲光調(diào)Q產(chǎn)生的寬種子光脈沖經(jīng)放大后發(fā)生波形畸變的原因。結(jié)果表明，采用915nm抽運(yùn)波長(zhǎng)提高了激光器輸出激光功率穩(wěn)定性，在風(fēng)冷的情況下輸出功率長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于2%。

關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；全光纖激光器；主振蕩功率放大；聲光Q開(kāi)關(guān)；功率穩(wěn)定性

*通訊聯(lián)系人。E-mail:147448024@qq.com

引言

脈沖光纖激光器根據(jù)其脈沖形成原理可分為調(diào)Q光纖激光器、鎖模光纖激光器以及增益調(diào)制激光器[1-2]。調(diào)Q技術(shù)通過(guò)在諧振腔內(nèi)插入電光或聲光調(diào)Q器件產(chǎn)生激光脈沖，是一種獲得幾十到幾百納秒脈沖輸出的主要技術(shù)手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于脈沖寬度為納秒量級(jí)的1064nm波長(zhǎng)全光纖聲光調(diào)Q光纖激光器的報(bào)道相對(duì)較多。1999年，OFFERHAUS等人采用聲光調(diào)Q方案，獲得了重復(fù)頻率500Hz、單脈沖能量2.3mJ的脈沖輸出[3]。2002年，LIMPERT等人采用調(diào)Q的Nd∶YAG薄片激光器作為種子源，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)1064nm最大平均功率100W的放大激光輸出，當(dāng)重復(fù)頻率為50kHz時(shí)，單脈沖能量2mJ，脈沖寬度90ns[4]。2010年，LECOURT等人用主動(dòng)調(diào)Q的方式獲得了10ns的脈沖輸出[5]。2011年美國(guó)的IPG公司報(bào)道了最大輸出平均功率200W、能量10mJ的調(diào)Q脈沖光纖激光器。國(guó)內(nèi)早期采用空間耦合方式獲得調(diào)Q脈沖輸出。2006年上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用空間抽運(yùn)耦合主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)結(jié)構(gòu)，在重復(fù)頻率為100kHz時(shí)得到了平均功率為133.8W的聲光調(diào)Q激光脈沖輸出[6]。隨著大功率光纖合束器的發(fā)展，到2009年出現(xiàn)了采用全光纖結(jié)構(gòu)的大功率摻Y(jié)b3+脈沖光纖激光器[7]。2011年，華北光電技術(shù)研究所報(bào)道了全光纖結(jié)構(gòu)主振蕩功率放大摻Y(jié)b3+脈沖光纖激光器，以光纖光柵為腔鏡，光纖型聲光調(diào)Q的光纖激光器為種子源，通過(guò)兩級(jí)放大后得到了平均功率102.5W、脈沖寬度約240ns的激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率為60%[8]。2012年，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)報(bào)道了平均輸出功率為62W、脈寬157ns的全光纖型調(diào)Q脈沖光纖激光器[9]。2013年，北京理工大學(xué)報(bào)道了全光纖化高功率線偏振摻鐿脈沖光纖激光器，利用全光纖化聲光調(diào)Q光纖激光器作為種子源，通過(guò)保偏放大獲得了偏振輸出功率29.8W[10]。上述文獻(xiàn)中對(duì)光纖調(diào)Q理論和振蕩及放大實(shí)驗(yàn)方法報(bào)道較多，但是沒(méi)有對(duì)激光器的功率穩(wěn)定性分析以及對(duì)放大前后脈沖波形變化的比較分析。

本文中報(bào)道了全光纖聲光調(diào)Q光纖激光器，采用主振蕩功率放大方案，通過(guò)兩級(jí)正向抽運(yùn)放大獲得了重復(fù)頻率120kHz、平均功率101W、脈沖寬度328.1ns、光束質(zhì)量為1.6、風(fēng)冷條件下長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性小于2%的激光輸出，并分析了實(shí)驗(yàn)中聲光調(diào)Q產(chǎn)生的寬種子光脈沖經(jīng)放大后發(fā)生波形畸變的原因。

1調(diào)Q激光器的理論分析

調(diào)Q的基本原理是通過(guò)某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)依據(jù)規(guī)定的程序變化，剛開(kāi)始抽運(yùn)時(shí)，把激光器內(nèi)的損耗調(diào)高，此時(shí)由于激光器閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)得到積累，在積累到一定程度，迅速調(diào)低激光腔內(nèi)的損耗，閾值也突然降低，這時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過(guò)閾值，受激輻射迅速的增強(qiáng)[11]。即在極短時(shí)間內(nèi)上能級(jí)儲(chǔ)存粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛涞哪芰?，在輸出端輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光巨脈沖。根據(jù)激光腔內(nèi)工作物質(zhì)的粒子數(shù)和腔內(nèi)光子數(shù)變化建立速率方程[12]：

(1)

(2)

式中，Δn是反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，δ為激光腔內(nèi)損耗，φ為腔內(nèi)光子數(shù)，Δnth是反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度閾值。

在t=tp時(shí)刻，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)降至Δnth，這時(shí)激光腔內(nèi)的光子數(shù)達(dá)到最大值Nmax，此時(shí)輸出功率為最大Pmax，速率方程變?yōu)?

(3)

初始光子數(shù)和調(diào)Q脈沖開(kāi)始時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度分別用Nin和Δnin表示，將上式積分得[13]:

(4)

(5)

當(dāng)Δn=Δnth時(shí)，N達(dá)到最大值Nmax，此時(shí)輸出功率為最大值Pmax。由于Nin?Nmax，(5)式變?yōu)?

(6)

峰值功率Pmax為:

(7)

對(duì)于聲光調(diào)Q激光器峰值功率Pmax、脈沖重復(fù)頻率f、脈沖寬度τ以及平均功率Pave的關(guān)系式為:

(8)

對(duì)摻Y(jié)b3+脈沖光纖放大器的分析通常通過(guò)二能級(jí)粒子數(shù)速率方程和抽運(yùn)光、信號(hào)光功率傳輸方程的數(shù)值計(jì)算得到。在輸入種子光功率較強(qiáng)的情況下，放大自發(fā)輻射(amplifiedspontaneousemission,ASE)的影響較小。放大級(jí)增益光纖長(zhǎng)度根據(jù)增益光纖對(duì)抽運(yùn)光的吸收系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通常增益光纖對(duì)抽運(yùn)光的總吸收系數(shù)達(dá)到10dB時(shí)，吸收效率可以達(dá)到90%。并且由于摻Y(jié)b3+光纖對(duì)1064nm波長(zhǎng)信號(hào)光的吸收系數(shù)較低，在不引起非線性效應(yīng)的前提下，放大級(jí)中可以使用較長(zhǎng)的增益光纖。

2實(shí)驗(yàn)裝置

脈沖光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用主振蕩+2級(jí)功率放大方案。振蕩級(jí)諧振腔以一對(duì)光纖布喇格光柵(fiberBragggrating,FBG)為腔鏡，光纖光柵對(duì)的纖芯直徑為10μm，中心波長(zhǎng)1064nm，反射率R分別為99.5%和10.1%。振蕩腔中插入一只光纖型聲光(acousto-optic,AO)Q開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)Q脈沖輸出，Q開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間大于100ns。諧振腔中采用10μm/130μm大模場(chǎng)摻Y(jié)b3+光纖(largemodearea-Yb3+doped

Fig.1　Experimental setup of the pulsed fiber laser

fiber,LMA-YDF)為增益介質(zhì)，該光纖對(duì)915nm波長(zhǎng)吸收系數(shù)為1.35dB/m，在采用915nm波長(zhǎng)LD抽運(yùn)時(shí)光纖長(zhǎng)度優(yōu)化為約10m。諧振腔中采用自制的功率剝除器泄露包層中剩余抽運(yùn)光，避免剩余抽運(yùn)光損壞聲光Q開(kāi)關(guān)。種子光通過(guò)(2+1)×1光纖合束器的信號(hào)輸入端耦合到第一放大級(jí)。第一放大級(jí)采用的15μm/130μm大模場(chǎng)摻Y(jié)b3+光纖為增益介質(zhì)，長(zhǎng)度優(yōu)化為約8m。第1級(jí)放大器通過(guò)自制的功率剝除器泄露包層中剩余抽運(yùn)光后，注入到第二放大級(jí)。第二放大級(jí)信號(hào)與抽運(yùn)光輸入采用(6+1)×1光纖合束器，合束器信號(hào)輸入端光纖為25μm/250μm，與第一放大級(jí)輸出光纖不匹配。為了不影響注入光束的光束質(zhì)量和功率穩(wěn)定性，在(6+1)×1合束器前端接入了15μm/130μm光纖到25μm/250μm光纖的模場(chǎng)匹配器。第2級(jí)放大器采用25μm/250μm大模場(chǎng)摻Y(jié)b3+光纖為增益介質(zhì)，長(zhǎng)度優(yōu)化為7m。第二放大級(jí)激光通過(guò)功率剝除器濾除剩余抽運(yùn)光后輸出，輸出端切8°斜角。實(shí)驗(yàn)中均采用915nm波長(zhǎng)大功率激光二極管(laserdiode,LD)為抽運(yùn)源。相比于976nm波長(zhǎng)抽運(yùn)，摻Y(jié)b3+光纖對(duì)915nm波段的吸收譜線更寬。因此在不采用精確溫控的情況下，光纖激光器的輸出功率不易受到抽運(yùn)LD波長(zhǎng)隨溫度漂移的影響，輸出功率穩(wěn)定性更高。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　振蕩級(jí)脈沖種子光輸出

實(shí)驗(yàn)中以915nm波長(zhǎng)LD為抽運(yùn)源，研究振蕩級(jí)在不同輸入抽運(yùn)功率和重復(fù)頻率下的輸出特性。圖2為抽運(yùn)功率分別為8.3W和9.7W時(shí)不同重復(fù)頻率的激光輸出特性曲線。從圖中可知同一重復(fù)頻率時(shí)激光輸出功率隨著抽運(yùn)功率的增加而增大，當(dāng)抽運(yùn)功率一定時(shí)，激光平均輸出功率隨著脈沖重復(fù)頻率的增加而逐漸減小，這是因?yàn)殡S著重復(fù)頻率的增加，聲光Q開(kāi)關(guān)工作周期變短，在抽運(yùn)功率不變的情況下腔內(nèi)光子在一個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)周期內(nèi)積累的數(shù)量變少。

Fig.2　Average output power vs.repetition rate at different pump power

當(dāng)抽運(yùn)功率為9.7W、重復(fù)頻率為120kHz時(shí),實(shí)現(xiàn)了平均功率2.95W、脈沖寬度264ns、3dB光譜寬度0.32nm、中心波長(zhǎng)1064.96nm的振蕩級(jí)激光輸出。圖3a和圖3b中分別為振蕩級(jí)激光輸出的脈沖波形和光譜。從圖3a可知，振蕩級(jí)輸出的調(diào)Q脈沖波形不光滑。輸出脈沖寬度可以通過(guò)縮短振蕩級(jí)腔長(zhǎng)減小，但是由于振蕩級(jí)使用的聲光Q開(kāi)關(guān)上升時(shí)間大于100ns，縮短腔長(zhǎng)對(duì)減小脈沖寬度的效果有限，并且減小增益光纖的長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致輸出功率的下降，因此在振蕩級(jí)實(shí)驗(yàn)中最后采用了264ns脈沖寬度。

Fig.3　Pulse shape and optical spectrum of oscillator

3.2　第一放大級(jí)激光輸出

以振蕩級(jí)輸出的重頻120kHz、脈寬264ns、平均功率2.95W的脈沖激光為第一放大級(jí)的種子光。沒(méi)有抽運(yùn)光注入時(shí)，直接通過(guò)第一放大級(jí)的平均功率為2.4W。一級(jí)放大后的激光輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系如圖4所示。從圖4可知，激光輸出功率與抽運(yùn)注入功率呈線性關(guān)系，未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，繼續(xù)增加抽運(yùn)注入功率，激光輸出功率將會(huì)進(jìn)一步增大。當(dāng)抽運(yùn)注入功率為34.4W時(shí)激光輸出平均功率為24.1W。圖5為第一放大級(jí)輸出的脈沖波形。在逐漸增加抽運(yùn)功率的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)輸出激光脈沖的下降沿率先變得平滑而后上升沿會(huì)出現(xiàn)小的突起或尖刺，整個(gè)放大過(guò)程中脈沖先被壓窄而后被展寬，這是在放大過(guò)程中脈沖的下降沿被壓縮而上升沿被展寬的綜合效應(yīng)與種子光脈沖不平滑共同作用的結(jié)果。

Fig.4　Average output power vs. pump power of the first amplifier

Fig.5　Pulse shape of the first amplifier

3.3　第二放大級(jí)激光輸出

第二放大級(jí)沒(méi)有抽運(yùn)光注入時(shí)，直接輸出的平均功率為19.8W。第二放大級(jí)激光輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系如圖6所示。從圖6可知，激光輸出功率與抽運(yùn)注入功率呈線性關(guān)系，并未出現(xiàn)飽和。第2級(jí)放大器注入抽運(yùn)功率為117W時(shí)，放大激光平均輸出功率為101W，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)69%，光纖激光器總的光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)62.7%。

Fig.6　Average output power vs. pump input power of the second amplifier

激光器采用風(fēng)冷的溫控方式，增益光纖纏繞后緊貼金屬板，抽運(yùn)LD涂抹導(dǎo)熱脂后固定在熱沉上，在這樣的條件下激光器工作2s后輸出趨于穩(wěn)定，8h監(jiān)測(cè)，測(cè)量激光器長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性優(yōu)于2%。用光束質(zhì)量?jī)x測(cè)量輸出激光的光束質(zhì)量為1.6。

在輸出激光功率為101W、重復(fù)頻率120kHz時(shí),測(cè)量脈沖寬度約為328.1ns。使用光譜儀測(cè)量輸出脈沖激光光譜，輸出激光中心波長(zhǎng)1064.9nm，光譜寬度為0.6nm。激光輸出脈沖波形和光譜如圖7所示。

在增大抽運(yùn)功率的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),激光脈沖波形在上升沿一側(cè)逐漸出現(xiàn)凸起，并隨著輸出功率的增大而變得尖銳。繼續(xù)增加抽運(yùn)功率，輸出脈沖波形出現(xiàn)多個(gè)尖銳波峰，如圖7a所示。上述現(xiàn)象與第一放大級(jí)的輸出脈沖波形變化情況相同，只是由于注入抽運(yùn)功率遠(yuǎn)大于第一放大級(jí)，導(dǎo)致輸出脈沖波形上升沿的變化更加明顯。這是由于注入的調(diào)Q脈沖波形不平滑，而且在未飽和放大前提下，隨著抽運(yùn)功率的增大，放大級(jí)增益光纖內(nèi)儲(chǔ)能增加，種子光脈沖通過(guò)放大級(jí)時(shí)上升沿首先被放大，上能級(jí)粒子數(shù)因?yàn)楸幌亩杆贉p少，隨后又會(huì)因抽運(yùn)的抽運(yùn)而快速增多，準(zhǔn)備參與下一次的放大，并且抽運(yùn)功率越大,上能級(jí)粒子數(shù)增加得越快。種子脈沖上升沿越寬越不平滑，脈沖在放大過(guò)程中出現(xiàn)的波峰個(gè)數(shù)將會(huì)越多。

Fig.7　Pulse shape and optical spectrum of laser output

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了全光纖結(jié)構(gòu)的風(fēng)冷脈沖光纖激光器裝置，振蕩級(jí)采用聲光調(diào)Q方案，輸出激光脈沖重復(fù)頻率10kHz到130kHz可調(diào)。以120kHz重復(fù)頻率、脈沖寬度264ns、平均功率2.95W的振蕩級(jí)輸出為種子光，經(jīng)過(guò)兩級(jí)正向抽運(yùn)放大后獲得了功率為101W、脈沖寬度為328.1ns、光譜寬度為0.6nm的激光輸出。光纖激光器總的光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)62.7%，光束質(zhì)量為1.6，8h內(nèi)監(jiān)測(cè)輸出功率穩(wěn)定性小于2%。

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Experiment research of high repetition rate acousto-optic

Q-switched fiber laser under air cooling

CHENPengfei,WUBo,SHENQihao,HEXingkai

(Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)

Abstract：In order to obtain the air cooling high repetition fiber laser with stable power, an acoustic-optical Q-switched all-fiber laser with master oscillator power amplifier structure was studied. The oscillator used the scheme of acousto-optic Q-switched with a pair of fiber Bragg grating as laser cavity mirrors. Pumped by 915nm laser diodes, 1064nm laser pulse output was acquired with adjustable repetition rates from 10kHz to 130kHz. Through two-stage double clad large mode area fiber amplifier, 101W output power was obtained with 328.1ns pulse width. The 3dB optical spectrum width of fiber laser was 0.6nm. Optical-optical efficiency of the second amplifier stage was 69%. The total optical-optical efficiency of laser was 62.7%. The distortion cause of long width seed pulse created by acousto-optic Q-switched through the amplification was studied. The experimental results show that pumped by 915nm laser diodes, the long-term stability of output power is proved to less than 2% under air cooling.

Key words:laser technique; all-fiber laser; master oscillator power amplifier; acousto-optic Q-switched; power stability

收稿日期：2014-11-17；收到修改稿日期：2014-12-12

作者簡(jiǎn)介：陳鵬飛(1990-)，女，碩士研究生，主要從事脈沖光纖激光器的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011YQ110059)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN248.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.06.010

文章編號(hào)：1001-3806(2015)06-0780-05