沈炎龍，黃 珂，陶蒙蒙，諶鴻偉，欒昆鵬，于 力，易愛平

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

中紅外可調(diào)諧增益開關(guān)Er:ZBLAN脈沖光纖激光器

沈炎龍，黃 珂，陶蒙蒙，諶鴻偉，欒昆鵬，于 力，易愛平

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710024)

報(bào)道了波長(zhǎng)可調(diào)諧增益開關(guān)中紅外2.8 μm脈沖光纖激光器。采用脈沖975 nm半導(dǎo)體激光器泵浦高摻Er：ZBLAN雙包層光纖，以閃耀光柵為諧振腔反饋元件，獲得了波長(zhǎng)可調(diào)諧增益開關(guān)中紅外脈沖光纖激光輸出。激光器工作頻率為1～10 kHz，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為2.703～2.819 μm。在泵浦源重頻10 kHz條件下，激光器最大平均功率為110 mW，最小脈寬為661.2 ns，峰值功率為16.5 W，斜率效率達(dá)28.6%。

中紅外；增益開關(guān)；可調(diào)諧；光纖激光器；摻鉺氟化物光纖

中紅外3 μm波段光源處于“大氣窗口”，同時(shí)又涵蓋水分子的吸收峰，而中紅外3 μm波段光纖激光器由于兼具光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)[1]，在軍事和民用方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景[2-3]，成為目前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。目前，成熟的商用大功率975 nm半導(dǎo)體激光器可以用作鉺離子的泵浦源，因此，利用975 nm 半導(dǎo)體激光器泵浦高摻Er:ZBLAN光纖可以獲得高功率的中紅外2.8 μm光纖激光輸出[4]。國(guó)外研究方面，1999年，Jackson利用790 nm LD泵浦Er/Pr共摻ZBLAN光纖，首次實(shí)現(xiàn)了2.8 μm光纖瓦級(jí)連續(xù)輸出[5]。隨著材料工藝的進(jìn)步以及泵浦源功率的提升，激光器輸出功率不斷提升[6-8]，并已獲得最高功率超過(guò)30 W的全光纖中紅外激光連續(xù)輸出[9-10]。

國(guó)內(nèi)早在2002年，西安光機(jī)所開展了ZBLAN光纖激光器研究，但是受制于材料的特殊性和處理方法，研究停留在理論階段，并未開展實(shí)驗(yàn)研究[11]。近些年來(lái)，該方向研究發(fā)展較為迅速。2012年，中國(guó)工程物理研究院報(bào)道了在泵浦功率為40 W條件下，獲得了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下最高功率為4.3 W的2.8 μm激光輸出，斜率效率為11.9%，光纖端面損傷限制了功率進(jìn)一步提升[12]。2013年，西北核技術(shù)研究所報(bào)道了中心波長(zhǎng)為2.785 μm，功率為瓦級(jí)、工作模式為單模的激光輸出[13]。2014年，通過(guò)對(duì)泵浦端面特殊處理和有效防護(hù)，項(xiàng)目組將輸出功率提升到10 W量級(jí)，獲得了最大功率為9.2 W，斜率效率為24.8%的單模激光連續(xù)輸出[14]，并實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)可調(diào)諧輸出[15]。2015年，電子科技大學(xué)利用低摻鉺ZBLAN光纖獲得了最大功率為15 W，斜率效率為21.5%，波長(zhǎng)為2.9 μm的級(jí)聯(lián)激光輸出[16]。

與連續(xù)激光相比，中紅外脈沖激光在效應(yīng)機(jī)理研究、生物醫(yī)療、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用更廣闊[17]。產(chǎn)生脈沖激光的方法主要有增益開關(guān)、調(diào)Q和鎖模3種。調(diào)Q是獲得高脈沖能量輸出的主要途徑，目前,中紅外脈沖激光器主要集中在主動(dòng)調(diào)Q[18-19]和被動(dòng)調(diào)Q[20-24]獲得高能量中紅外光纖激光脈沖輸出。鎖?？梢垣@得短脈沖和高峰值功率脈沖輸出，目前中紅外鎖模脈沖激光主要是基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡獲得鎖模脈沖輸出[20,25]。雖然調(diào)Q或鎖模具有高脈沖能量或高峰值功率等優(yōu)點(diǎn)，但是，調(diào)Q和鎖模技術(shù)用于中紅外ZBLAN光纖激光時(shí)，可能存在兩個(gè)問(wèn)題[26]：一是由于中紅外光纖脈沖激光器輸出為非全光纖結(jié)構(gòu)，需要在腔內(nèi)插入調(diào)Q或鎖模元件，增加了激光器復(fù)雜度，不利于后續(xù)放大；二是插入元件引入的損耗降低了激光器工作效率。而直接采用脈沖泵浦的增益開關(guān)方式，具有頻率可調(diào)，脈寬可控，簡(jiǎn)單方便，同時(shí)便于MOPA(master oscillator power amplifier)放大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于摻Tm光纖激光器中[27-29]。2001年，Dickinson等報(bào)道了利用鈦寶石脈沖激光器泵浦Er:ZBLAN光纖獲得了脈沖能量1.9 mJ的增益開關(guān)脈沖激光輸出[26]，但是激光脈沖較寬(18 μs)，輸出脈沖為多峰，且波長(zhǎng)不可調(diào)；2011年，Gorjan等報(bào)道了重復(fù)頻率達(dá)100 kHz的高重復(fù)頻率的增益開關(guān)中紅外脈沖激光輸出，平均功率超過(guò)2 W，然而激光器工作波長(zhǎng)單一[30]；2014年，本項(xiàng)目組報(bào)道了增益開關(guān)獲得中紅外脈沖激光輸出，但是激光脈沖和輸出光譜均較寬，脈沖峰值功率相對(duì)較低[31]，而采用光柵可以有效地壓縮光譜線寬和脈寬[32]，并且波長(zhǎng)可調(diào)。

本文報(bào)道了波長(zhǎng)可調(diào)諧增益開關(guān)中紅外2.8 μm脈沖光纖激光器。采用調(diào)制的975 nm半導(dǎo)體激光器(LD)作為泵浦源，通過(guò)在激光器腔內(nèi)插入光柵作為調(diào)諧元件，獲得激光器工作頻率為1～10 kHz，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為2.703～2.819 μm的增益開關(guān)中紅外脈沖激光輸出。在泵浦源重頻10 kHz條件下，激光器最大輸出功率為110 mW，脈寬為661.2 ns，峰值功率為16.5 W，斜率效率達(dá)28.6%。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

中紅外可調(diào)諧增益開關(guān)脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。泵浦源采用中心波長(zhǎng)為975 nm、尾纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器，其尾纖的芯徑和數(shù)值孔徑分別是105 μm和0.22 μm，LD經(jīng)信號(hào)源調(diào)制后成脈沖輸出，重復(fù)頻率為1～10 kHz，占空比為20%。激光器工作介質(zhì)為一根長(zhǎng)度約為3.2 m，形狀為八邊形的ZBLAN雙包層光纖，摻雜后ErF3的摩爾分?jǐn)?shù)為6 %，芯徑直徑和數(shù)值孔徑分別是33 μm和0.12 μm，內(nèi)包層直徑為330 μm。光纖兩端裝載在刻有U型槽的紫銅熱沉中。975 nm脈沖泵浦光經(jīng)由準(zhǔn)直器(f=11 mm)和非球面透鏡(f=22 mm)組成的泵浦耦合系統(tǒng)進(jìn)入ZBLAN光纖內(nèi)包層，系統(tǒng)的泵浦耦合效率約為80%。在諧振腔設(shè)計(jì)方面，光纖一端進(jìn)行0°角切割后將其作為激光器輸出端，輸出耦合率約為96%，菲涅耳反射率約為4%，并作為泵浦光的輸入端。光纖另一端進(jìn)行約10°角切割處理，以抑制寄生振蕩。2.8 μm信號(hào)光經(jīng)焦距為15 mm的CaF2透鏡準(zhǔn)直后入射到可調(diào)諧激光器核心部件——閃耀光柵上。采用立特羅工作模式的閃耀光柵，一方面為激光器提供反饋，另一方面起波長(zhǎng)選擇作用，其主要參數(shù)：刻線密度為625 mm-1，閃耀波長(zhǎng)為2.8 μm，閃耀角為61.2°，2.8 μm處衍射效率約為90%。在泵浦耦合系統(tǒng)和光纖泵浦端之間，45°角放置了雙色鏡(975 nm高透，透過(guò)率T>95%，2.8 μm高反，反射率R>99%)，將2.8 μm激光耦合輸出，然后通過(guò)焦距為50 mm的CaF2透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)用功率計(jì)(Gentec, XLP12-3S-H2-D0)測(cè)量激光輸出功率，中紅外光譜儀(Andor Shamrock 750)測(cè)量激光光譜，硅探測(cè)器(DET10A)和碲鎘汞探測(cè)器(Vigo PVM-2TE-10.6-2)分別測(cè)量泵浦光和中紅外激光脈沖信號(hào)。

圖1 中紅外可調(diào)諧增益開關(guān)Er:ZBLAN脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Layout of experimental setup for tunable gain-switched Er:ZBLAN fiber laser

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

首先，在LD連續(xù)輸出一定功率(高于激光器工作閾值)條件下，仔細(xì)調(diào)節(jié)光柵，使得激光器輸出功率達(dá)到最大，即確定光柵最佳位置和激光器最佳工作狀態(tài)。然后，將調(diào)制信號(hào)加載到泵浦源LD上，泵浦源重復(fù)頻率與信號(hào)源頻率一致。通過(guò)調(diào)節(jié)LD工作電流和調(diào)制信號(hào)頻率，控制單個(gè)泵浦脈沖能量。當(dāng)單個(gè)脈沖能量調(diào)節(jié)到合適值，即可獲得2.8 μm增益開關(guān)激光脈沖輸出。在LD重復(fù)頻率為10 kHz，注入的單個(gè)泵浦脈沖能量為54.8 μJ時(shí)，測(cè)量到的泵浦脈沖和激光脈沖波形，如圖2所示。從圖中可以看出，在一個(gè)泵浦周期內(nèi)，只產(chǎn)生了一個(gè)激光脈沖。當(dāng)單個(gè)泵浦脈沖能量小于70 μJ時(shí)，單個(gè)周期內(nèi)激光脈沖只有一個(gè)，如果繼續(xù)增加泵浦能量，激光脈沖會(huì)出現(xiàn)多峰，即發(fā)生脈沖分裂，后續(xù)研究了在沒(méi)有發(fā)生脈沖分裂下的激光脈沖特性。

圖2 脈沖能量為54.8 μJ、重頻為10 kHz下泵浦脈沖與激光脈沖波形Fig.2Pump and laser pulse waveforms with pumped energy of 54.8 μJ and repetition of 10 kHz

一般，激光脈沖頻率與LD重復(fù)頻率相同，也就是1～10 kHz。圖3給出了激光器在最低工作頻率1 kHz和最高工作頻率10 kHz條件下的脈沖序列?？梢钥闯?，激光工作頻率與泵浦源重復(fù)頻率一致，激光脈沖幅值波動(dòng)小于5%。

(a)2.8 μm pulse train at 1 kHz

(b)2.8 μm pulse train at 10 kHz 圖3不同工作頻率下中紅外增益開關(guān)激光脈沖序列Fig.3Measured typical pulse trains of the minimum and maximum repetition rates in the experiment

然而，值得指出的是，當(dāng)泵浦脈沖能量低于一定值，如49.7 μJ 時(shí)激光脈沖工作頻率并不總是與泵浦源重復(fù)頻率相同。圖4給出了泵浦源重頻10 kHz時(shí)的激光脈沖序列?？梢钥闯?，激光脈沖工作頻率為泵浦源重頻的一半。也就是說(shuō)，在相同諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)下，單個(gè)泵浦脈沖不足以使激光上能級(jí)4I11/2與下能級(jí)4I13/2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需要兩個(gè)泵浦脈沖能量促成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以形成激光振蕩。

圖4 激光器工作頻率為5 kHz時(shí)的脈沖序列(單脈沖泵浦能量約為49.7 μJ)Fig.4Measured pulse train with a laser pulse frequency of 5 kHz in the experiment under a pump energy of ～49.7 μJ

圖5給出了測(cè)量的激光脈沖脈寬與峰值功率隨注入的泵浦光脈沖能量變化關(guān)系。與文獻(xiàn)[29]結(jié)果類似，激光脈寬與泵浦脈沖能量呈反比。激光脈沖最小脈寬為661.2 ns, 比文獻(xiàn)[30]中的結(jié)果稍大些，這是由于本文中激光器腔長(zhǎng)較大，可以通過(guò)縮短腔長(zhǎng)獲得更短脈沖輸出[28]。盡管在泵浦脈沖能量50 μJ處，激光工作頻率為泵浦重頻的一半導(dǎo)致脈沖峰值功率有個(gè)躍變，但是總的來(lái)說(shuō)，激光脈沖峰值功率大致與泵浦脈沖能量呈線性增加關(guān)系。通過(guò)對(duì)測(cè)量到的最小脈寬和最大脈沖能量進(jìn)行計(jì)算，得到增益開關(guān)激光脈沖最大峰值功率約為16.5 W。與我們之前采用鍍金全反鏡(結(jié)構(gòu)A)作為諧振腔反饋元件時(shí)的最大激光脈沖峰值功率僅為3.5 W相比較，采用光柵(結(jié)構(gòu)B)作為反饋元件后，激光脈沖的脈寬更窄，峰值功率更高。激光脈沖參數(shù)明顯的提高可以通過(guò)脈沖泵浦的高摻鉺ZBLAN光纖激光光譜動(dòng)力學(xué)理論解釋[32]，其主要依據(jù)是激光光譜演變是依賴時(shí)間的。也就是說(shuō)，激光脈沖不同時(shí)間部位攜帶著不同波長(zhǎng)信息。結(jié)構(gòu)A中，在激光激射建立的時(shí)刻，激光下能級(jí)4I13/2多重態(tài)是空的，因此，初始時(shí)刻激光光子能量大，波長(zhǎng)短。隨著多重態(tài)中能級(jí)較低的態(tài)被逐漸占據(jù)，諧振腔內(nèi)熒光短波部分由于重吸收損耗，因此激光長(zhǎng)波部分占據(jù)優(yōu)勢(shì)，形成振蕩。這樣，光譜寬度和脈沖寬度將被同時(shí)展寬。

圖5 脈沖寬度、峰值能量隨注入的泵浦光功率變化曲線(泵浦源重復(fù)頻率為10 kHz)Fig.5Measured pulse width and calculated peak power at gain-switching mode vs. launched pump energy at the repetition rate of 10 kHz

實(shí)驗(yàn)觀察了激光器不同重復(fù)頻率下的輸出特性。在相同泵浦功率，不同重復(fù)頻率下，激光脈沖脈寬隨著頻率的增加而減小。這可以通過(guò)激光脈沖的脈寬估算式[33]得以解釋：

式中，TR為光子在諧振腔內(nèi)往返時(shí)間；r為泵浦超閾度。該表達(dá)式給出的趨勢(shì)是，r越大，脈寬τp也越大。在相同泵浦功率下，泵浦源重復(fù)頻率越低，單個(gè)泵浦脈沖能量越大，對(duì)應(yīng)的r值越大，因此脈寬就大；隨著重復(fù)頻率增加，單個(gè)泵浦脈沖能量變小，脈寬也隨之變小。

選定泵浦源重復(fù)頻率為10 kHz，測(cè)量到的激光輸出平均功率隨注入的泵浦光功率變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 脈沖激光輸出平均功率隨注入的泵浦光功率變化曲線Fig.6Average output power vs. launched pump power

在沒(méi)有脈沖分裂條件下，激光器最大平均功率為110 mW。通過(guò)曲線擬合，得到激光器斜率效率為28.6%，該效率與激光器的斯托克斯效率(約35%)非常接近，但是與理論效率相差較遠(yuǎn)，這是因?yàn)?，在高摻鉺ZBLAN光纖中，由于能量循環(huán)利用機(jī)制，也就是處于能級(jí)4I13/2的粒子之間能量轉(zhuǎn)移，使得激光振蕩的理論效率可以高達(dá)約50%[34]。

圖7給出激光器增益開關(guān)輸出光譜，中心波長(zhǎng)穩(wěn)定在2.777 3 μm，譜寬約為1.5 nm，相比較激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)，采用光柵作為諧振腔反饋元件，激光輸出光譜譜寬得到明顯壓縮[14]。

圖7 中紅外增益開關(guān)激光光譜Fig.7Spectrum of the laser output in gain-switched operation

固定泵浦源重復(fù)頻率為10 kHz，在最大注入泵浦功率為0.7 W的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)光柵，得到不同激光波長(zhǎng)處的激光輸出功率分布，如圖8所示。從圖中可以看出，激光器在波長(zhǎng)范圍2.703～2.819 μm內(nèi)的平均輸出功率均大于40 mW，最大輸出功率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)在2.777 3 μm 處，并且激光平均功率在該波長(zhǎng)兩側(cè)呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楣鈻旁谠摬ㄩL(zhǎng)處的衍射效率最高，偏離該波長(zhǎng)，衍射效率降低，增加了腔內(nèi)損耗，降低了激光輸出功率[8]。

圖8 激光器的功率隨波長(zhǎng)分布Fig.8Average output power vs. wavelength

3 結(jié)論

報(bào)道了波長(zhǎng)可調(diào)諧增益開關(guān)中紅外2.8 μm脈沖光纖激光器。采用脈沖975 nm半導(dǎo)體激光器泵浦高摻鉺ZBLAN雙包層光纖，閃耀光柵作為諧振腔反饋元件，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)可調(diào)諧增益開關(guān)脈沖激光輸出。激光器工作頻率為1～10 kHz，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為2.703～2.819 μm。在重頻10 kHz條件下，激光器最大輸出功率為110 mW，脈寬為661.2 ns，峰值功率為16.5 W，斜率效率達(dá)28.6%，該激光器有望用作MOPA放大系統(tǒng)的種子源。

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A Tunable Gain-Switched Er:ZBLAN Mid-Infrared Fiber Laser

SHEN Yan-long,HUANG Ke,TAO Meng-meng,CHEN Hong-wei, LUAN Kun-peng,YU Li,YI Ai-ping

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China; State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter,Xi’an710024,China)

A wavelength-tunable and gain switched mid-infrared 2.8 μm fiber laser is introduced. The pulsed output is obtained from Er3+-doped ZBLAN double-clad fiber pumped by a laser-diode(LD) with central wavelength of 975 nm. The wavelength and the repetition rate of the laser can be tuned in the range of 2.703-2.819 μm and 1-10 kHz, respectively. The maximum averaged output power of 110 mW, and the minimum pulse width of 661.2 ns are measured at the calculated peak power of 16.5 W, corresponding to a slope efficiency of 28.6% at a repetition of 10 kHz.

mid-infrared;gain-switched;tunable;fiber laser;Er:ZBLAN

2016-10-10；

2016-11-19

激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(SKLLIM1502Z)

沈炎龍(1983- )，男，湖南岳陽(yáng)人，助理研究員，碩士，主要從事激光器件技術(shù)研究。

E-mail:shenyanlong@nint.ac.cn

TN212；TN248.1

A

2095-6223(2016)040302(6)