張培培，張 鵬，黃榜才，王曉龍，張雪蓮，龍潤(rùn)澤，韓桂云，梁小紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

1 引言

隨著包層抽運(yùn)技術(shù)的引入和光纖元器件的不斷成熟，使得光纖激光器的發(fā)展更加迅速，不僅輸出功率大大提高，而且使全光纖化成為可能，激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，穩(wěn)定性大大提高，更加滿足實(shí)用化和商品化的需求［1－3］。而脈沖光纖激光器除保持了光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長(zhǎng)等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)外，還具有極高的峰值功率和脈沖能量，這使其在光纖通信、激光加工、光信息處理、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［4－6］。

2011年，馮宇彤等人利用光纖光柵、摻鐿雙包層光纖及聲光調(diào)制器構(gòu)成的光纖激光器作為種子源，在重復(fù)頻率50 kHz的條件下，通過(guò)兩級(jí)功率放大，實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度240 ns、平均功率102.5 W的激光輸出［7］。2012年，何晶等人利用光纖光柵和平面鏡構(gòu)成線性F－P腔，LD與光纖耦合器進(jìn)行后向抽運(yùn)，并利用單端光纖耦合的AOM，最終獲得了平均功率2.64 W，脈寬56 ns，單脈沖能量528 μJ以及峰值功率943 W的穩(wěn)定脈沖輸出［8］。2014年，Gongwen Zhu等人利用2.8 μm的摻鉺調(diào)Q光纖激光器作種子源，975 nm的半導(dǎo)體LD進(jìn)行后向泵浦，獲得了中心波長(zhǎng) 2.8 μm，脈沖能量 24 μJ，平均功率1.0 W的激光輸出［9］。雖然很多研究工作者對(duì)各種結(jié)構(gòu)的脈沖激光器進(jìn)行了研究，但是關(guān)于激光器功率穩(wěn)定性方面的研究報(bào)道較少。

本文基于聲光調(diào)Q技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊、功率穩(wěn)定的全光纖化脈沖光纖激光器進(jìn)行了研究。比較分析了不同重復(fù)頻率對(duì)脈沖寬度和平均輸出功率的影響，并通過(guò)監(jiān)測(cè)LD表面溫度、種子源合束器閑置泵浦端的回光和激光器8 h的輸出功率變化，對(duì)脈沖激光器的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

調(diào)Q脈沖光纖激光器采用全光纖化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光纖及各光纖元器件通過(guò)熔融焊接的方式熔接在一起，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。種子源光路為典型的F－P線性腔結(jié)構(gòu)，一對(duì)雙包層光纖光柵構(gòu)成激光諧振腔的前后腔鏡，光柵的尾纖為10/125 μm的無(wú)源雙包層光纖(GDF)，中心波長(zhǎng)1064 nm，其中高反光柵的反射率＞99%，低反光柵的反射率為10%。增益介質(zhì)采用一段長(zhǎng)為4 m的摻鐿雙包層光纖(YDCF)，該摻鐿光纖為國(guó)產(chǎn)光纖，由中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十六所自行研制，纖芯直徑10 μm，八角形的內(nèi)包層直徑130 μm，在915 nm處的包層吸收系數(shù)為1.5 dB/m。光纖耦合輸出的多模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，最大輸出功率9 W，泵浦光通過(guò)2×1合束器的其中一個(gè)泵浦端對(duì)增益光纖進(jìn)行前端抽運(yùn)。在摻鐿光纖與低反光柵之間插入聲光調(diào)制器(AOM)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光的脈沖調(diào)制輸出。種子源輸出的激光通過(guò)(2+1)×1合束器的信號(hào)纖耦合進(jìn)放大級(jí)的增益光纖中，放大級(jí)增益光纖也為八角形的摻鐿雙包層光纖，長(zhǎng)度為5 m，纖芯與內(nèi)包層直徑分別為20 μm和130 μm，對(duì)于915 nm的泵浦光，包層吸收系數(shù)為 3.2 dB/m。中心波長(zhǎng)915 nm，最大輸出功率10 W的兩只泵源分別通過(guò)(2+1)×1合束器的兩泵浦端對(duì)增益光纖進(jìn)行泵浦。種子光經(jīng)過(guò)放大級(jí)光路進(jìn)行放大后最后通過(guò)準(zhǔn)直隔離器實(shí)現(xiàn)激光的準(zhǔn)直隔離輸出。在每級(jí)光路的摻鐿光纖后面，均做了泵浦泄露處理，這樣既能防止端面反射光影響泵源和前級(jí)光路，同時(shí)還能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作。

圖1 全光纖結(jié)構(gòu)脈沖光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 激光器輸出特性實(shí)驗(yàn)研究

圖2給出了重復(fù)頻率分別為20、25、30、35 kHz時(shí)，脈沖寬度和平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線。

圖2 不同重復(fù)頻率下，脈沖寬度及平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線

從圖2(a)中可以看出，對(duì)于同一重復(fù)頻率，脈沖寬度隨泵浦功率的增加而迅速減小，當(dāng)泵浦功率增加到一定值時(shí)，脈沖寬度的減小趨勢(shì)趨向平緩。這是因?yàn)樵谕恢貜?fù)頻率的條件下，鐿離子上能級(jí)積累的粒子數(shù)會(huì)隨著泵浦功率的增加而逐漸增多，激光器諧振腔內(nèi)的增益系數(shù)變大，腔內(nèi)光子數(shù)的增長(zhǎng)及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的衰減就更加迅速，因此輸出激光的脈沖寬度被壓縮，當(dāng)泵浦功率增加到一定值后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)趨于飽和，增益系數(shù)達(dá)到最大，脈沖寬度不會(huì)再繼續(xù)壓縮，而是趨于一個(gè)定值;對(duì)于同一泵浦功率，脈沖寬度隨重復(fù)頻率的降低而變窄。這是因?yàn)樵诒闷止β氏嗤臈l件下，重復(fù)頻率越低，調(diào)Q的單個(gè)脈沖能量積累時(shí)間也就越長(zhǎng)，激光諧振腔的增益隨之增大，因此輸出激光脈寬變窄。圖2(b)給出了不同重復(fù)頻率下，激光平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線。從圖中可以看出，同一重復(fù)頻率下，平均輸出功率隨泵浦功率的增大而迅速增加。而泵浦功率一定時(shí)，平均輸出功率隨重復(fù)頻率增加而變化的趨勢(shì)分為兩個(gè)階段:在泵浦功率較低時(shí)，激光的平均輸出功率隨重復(fù)頻率增大而增加的趨勢(shì)并不明顯，隨著泵浦功率逐漸增大，平均輸出功率隨重復(fù)頻率增大而增加趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

當(dāng)重復(fù)頻率為20 kHz，泵浦功率5.6 W時(shí)，獲得了中心波長(zhǎng)1064.4 nm，平均功率1.4 W，脈沖寬度108.9 ns的激光輸出，輸出激光的脈沖波形圖和光譜圖分別如圖3、4所示。從圖中可以看出，脈沖形狀平滑干凈，光譜圖中也只有1064 nm的激光光譜，說(shuō)明輸出激光沒(méi)有受到泵浦光及受激拉曼散射(SRS)等非線性效應(yīng)的影響。

圖3 泵浦功率5.6 W時(shí)的脈沖波形圖(20 kHz)

圖4 泵浦功率5.6 W時(shí)的光譜圖(20 kHz)

以上述調(diào)Q脈沖光纖激光器作為種子源，進(jìn)行功率放大，放大的激光最后通過(guò)準(zhǔn)直隔離器進(jìn)行準(zhǔn)直隔離輸出。種子激光的重復(fù)頻率設(shè)定為20 kHz，泵浦功率5.6 W，逐漸增加功率放大級(jí)的泵浦功率，光纖放大器的平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，隨著泵浦功率的逐漸增大，激光功率幾乎呈線性增長(zhǎng)，并且最后也未出現(xiàn)飽和趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)，若繼續(xù)增大泵浦功率，激光輸出功率還會(huì)進(jìn)一步提高。在放大級(jí)泵浦功率為17.5 W時(shí)，獲得了最大平均功率10.68 W，脈沖寬度120 ns的穩(wěn)定激光輸出，激光波長(zhǎng)為1064 nm，計(jì)算得到此時(shí)的脈沖能量為 0.5 mJ，峰值功率為 4.45 kW。

圖5 光纖放大器的平均輸出功率隨泵浦功率的變化曲線

3.2 激光器穩(wěn)定性研究

高質(zhì)量的激光焊接技術(shù)是保證全光纖化激光器穩(wěn)定工作的首要前提。該激光器中光纖及各光纖元器件之間的焊接均進(jìn)行精確的對(duì)準(zhǔn)，各熔接點(diǎn)的損耗均控制在0.01 dB以下，尤其是八角形內(nèi)包層和圓形內(nèi)包層光纖之間的焊接通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)行準(zhǔn)確的纖芯對(duì)準(zhǔn)，并且各光纖焊點(diǎn)處均做了再涂覆保護(hù)處理;另外，泵浦源選用915 nm的LD，摻鐿光纖在此波段處吸收平坦，LD溫度的波動(dòng)對(duì)激光輸出功率影響很小，并且在每個(gè)LD的底部均涂有散熱膠，并固定在散熱板上用風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷散熱，這樣可以防止LD工作過(guò)程中的波長(zhǎng)漂移，從而有效保證了激光器的功率穩(wěn)定。

激光器輸出平均功率為10.0 W時(shí)，LD1、LD2 1 h內(nèi)表面的溫度變化如表1所示。從表中可以看出，0～40 min的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，LD1、LD2的溫度變化分別為26.4 ℃→28.5℃和28.9 ℃→31.4℃，但是40 min之后兩LD的溫度分別穩(wěn)定在28.6℃和31.5℃，這是因?yàn)長(zhǎng)D的溫度剛開(kāi)始時(shí)會(huì)隨工作時(shí)間增加逐漸升高，但是當(dāng)LD工作穩(wěn)定后，溫度便會(huì)趨于穩(wěn)定。而LD在50℃以內(nèi)均可保持安全穩(wěn)定的工作，因此該LD的工作溫度不會(huì)對(duì)激光器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

表1 LD1、LD2 1 h內(nèi)表面的溫度變化情況

圖6、7分別為合束器閑置泵浦端功率即光路中的回光功率隨一級(jí)、二級(jí)泵浦功率的變化曲線，監(jiān)測(cè)該功率的變化可以有效預(yù)防回光過(guò)大時(shí)LD被燒毀。從圖6中可以看出，雖然回光功率隨泵浦功率的增加而增加，但是當(dāng)泵浦功率增加到8 W時(shí)，回光功率也只有 2.29 mW，對(duì)應(yīng)的峰值功率為1.05 W，而保證LD安全工作的回光峰值功率閾值大概為5 kW，因此該激光器的回光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)處于安全范圍。從圖7中可以看出，二級(jí)泵浦功率從0 W增加到17.5 W，一級(jí)回光功率僅從1.8 mW增加到1.83 mW，變動(dòng)僅有0.03 mW，這說(shuō)明二級(jí)泵浦功率的增加對(duì)一級(jí)回光功率幾乎沒(méi)有影響，這也是該激光器能夠安全穩(wěn)定工作的重要保障。

圖6 合束器閑置泵浦端功率隨泵浦功率的變化曲線

圖7 一級(jí)回光功率隨二級(jí)泵浦功率的變化曲線

下面分析整個(gè)調(diào)Q脈沖光纖激光器的功率穩(wěn)定性情況。該激光器8 h內(nèi)輸出功率的平均值和均方差值PSD表達(dá)式分別如下所示:

式中，N為8 h內(nèi)測(cè)量的功率的總個(gè)數(shù);Pi為測(cè)量的第i個(gè)功率值。根據(jù)公式和圖8中所測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別得到輸出功率的平均值和均方差值分別為10.83 W和0.119，而該激光器的功率不穩(wěn)定性可用r表示，因此我們得到該激光器在8 h內(nèi)的功率不穩(wěn)定性為1.1%，這說(shuō)明該激光器可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的工作，這也是激光器能夠?qū)嵱没蜕唐坊闹匾疤帷?/p>

圖8 脈沖激光器功率穩(wěn)定性測(cè)試

4 結(jié)論

對(duì)基于聲光調(diào)Q技術(shù)的脈沖光纖激光器進(jìn)行了研究。以自制摻鐿雙包層光纖作為增益介質(zhì)，雙包層光纖光柵構(gòu)成諧振腔鏡，光纖型的聲光調(diào)制器(AOM)為Q開(kāi)關(guān)，并用915 nm的多模半導(dǎo)體激光器進(jìn)行抽運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1064.4 nm，平均功率為1.4 W，脈沖寬度108.9 ns的脈沖激光輸出。以該調(diào)Q脈沖光纖激光器作為種子源，通過(guò)一級(jí)光纖放大器對(duì)其進(jìn)行功率放大，并通過(guò)準(zhǔn)直隔離器進(jìn)行準(zhǔn)直隔離輸出，最終獲得了平均功率10.68 W，脈沖寬度120 ns，脈沖能量0.5 mJ，峰值功率4.45 kW的脈沖激光輸出。高質(zhì)量的激光焊接技術(shù)、泵源控溫技術(shù)以及多余泵浦光剝除技術(shù)保證了該激光器的整體性能穩(wěn)定性，最后測(cè)得該脈沖激光器在8 h的工作時(shí)間內(nèi)功率不穩(wěn)定性為1.1%。該脈沖激光器采用全光纖化、線性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，功率穩(wěn)定，性能可靠，可以滿足實(shí)用化和商品化的要求。

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