曹 康，秦文斌，葛廷武，吳 迪，賈冠男，閆岸如，曹銀花，王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 100124)

1 引 言

近年來，高功率調(diào)Q光纖激光器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、峰值功率高、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、醫(yī)療、工業(yè)微加工、軍事國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-9]。特別是近幾年激光清洗行業(yè)的興起，使得高功率調(diào)Q光纖激光器得到越來越多的商業(yè)化應(yīng)用[10-12]。在激光清洗應(yīng)用中，峰值功率是決定一臺(tái)脈沖激光器性能優(yōu)良的關(guān)鍵參數(shù)之一，在單脈沖能量一定條件下，通過減小脈沖脈寬來獲得高峰值功率輸出是激光器設(shè)計(jì)中一種行之有效的方法[13-17]。高功率調(diào)Q光纖激光器基本采用的是MOPA結(jié)構(gòu)，這樣通過控制種子源的脈寬就能控制整個(gè)激光器的脈沖寬度[18]。2008年，天津大學(xué)寧繼平教授從速率方程理論出發(fā)，得出調(diào)Q光纖激光器基本參數(shù)影響脈寬的規(guī)律，優(yōu)化參數(shù)搭建全光纖激光器，在重復(fù)頻率500Hz時(shí)，輸出激光脈沖寬度3μs[19]；2009年，電子科技大學(xué)黃琳博士從泵浦方式、輸出耦合鏡反射率和摻雜光纖長度這3個(gè)因素理論上分析和數(shù)據(jù)仿真得出這些諧振腔參數(shù)對(duì)AOM調(diào)Q光纖激光器輸出脈寬的影響[20]；2011年，北京工業(yè)大學(xué)張文啟理論分析了泵浦功率、增益光纖長度、光纖芯徑、輸出透過率和光纖固有損耗等因素對(duì)調(diào)Q脈寬的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了增益光纖長度和泵浦功率兩個(gè)因素的影響，最后搭建了全光纖調(diào)Q種子源，在重復(fù)頻率為23kHz時(shí)，輸出脈沖寬度為200ns[21]。通過上述文獻(xiàn)調(diào)研可知，已有文獻(xiàn)是對(duì)諧振腔參數(shù)對(duì)調(diào)Q脈寬影響的理論分析和數(shù)值模擬，然后結(jié)合模擬的結(jié)果直接搭建激光器，沒有針對(duì)分析的規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于理論模型和公式都進(jìn)行過多次近似，所以不結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)推導(dǎo)結(jié)果會(huì)存在偏差，供同類激光器設(shè)計(jì)參考不夠完善。

本文從速率方程理論出發(fā)，結(jié)合數(shù)值分析理論上得到影響脈寬的因素，然后通過具體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論推導(dǎo)，全面系統(tǒng)地分析增益光纖長度、泵浦功率、輸出鏡反射率、AOM性能等諧振腔基本參數(shù)對(duì)輸出脈沖寬度的影響，然后優(yōu)化諧振腔參數(shù)，以MOPA方式搭建調(diào)Q全光纖激光器，采用光纖型AOM和光纖光柵等搭建全光纖型種子源，然后通過兩級(jí)光纖放大器放大種子光。最終，在重復(fù)頻率為20kHz時(shí)，得到了平均功率為0.86W、脈寬54ns的種子光。在重復(fù)頻率為100kHz時(shí)，對(duì)平均功率為1.66W、脈寬142ns、光譜寬度為0.27nm的種子光進(jìn)行兩級(jí)放大，最終得到平均功率120W、脈寬180ns、光譜寬度約為0.67nm的脈沖激光輸出。

2 理論分析

下面以兩能級(jí)為例，通過速率方程的推導(dǎo)來分析影響脈沖寬度的參數(shù)。在脈沖的形成過程中，腔內(nèi)光子數(shù)密度N由Nm/2增加到最大值Nm的時(shí)間為Δtr，由Nm降到Nm/2的時(shí)間為Δtc，則巨脈沖的脈沖寬度定義為

Δt=Δtr+Δtc,

(1)

接下來討論估算Δt。

在本次討論中假設(shè)工作物質(zhì)充滿諧振腔，即L=l，當(dāng)L>l時(shí)，其結(jié)果應(yīng)做修正，但這一差別并不影響得出激光器參量對(duì)輸出脈寬的變化關(guān)系。假定統(tǒng)計(jì)權(quán)重比值ηf=1，即E1、E2能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等，在t>0(即Q開關(guān)打開后)時(shí)中心頻率處三能級(jí)系統(tǒng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和光子數(shù)密度的速率方程：

(2)

(3)

因?yàn)檎{(diào)Q脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十納秒，所以式(3)中忽略了自發(fā)輻射和泵浦激勵(lì)的影響。對(duì)式(3)兩邊進(jìn)行積分，再代入式(2)，消去dt，然后兩端積分代入，得到式(4)：

(4)

當(dāng)N達(dá)到最大值Nm時(shí)，Δn=Δnt，帶入求解可得出當(dāng)N=Nm/2時(shí)，Δn=Δnr，Δnc,由此可得到t值積分的上下限，再由Ni?Nm，可得出Δtr和Δtc如下所示[22]:

圖1 Δt/τR隨Δni/Δnt的變化模擬曲線Fig.1 Δt/τR with Δni/Δnt changes in the simulation curve

對(duì)式(5)、(6)進(jìn)行簡(jiǎn)化，令Δn=Δnt，通過對(duì)分母的求導(dǎo)分析可知，分母并非單調(diào)的，所以這種近似計(jì)算是允許的，然后結(jié)合式(1)可得

(7)

由于Δnc和Δnr均為中間值，不方便與初始條件直接構(gòu)建關(guān)系，式(5)函數(shù)圖像近似為洛倫茲線型，故可將式(7)再進(jìn)行近似計(jì)算可得

(8)

上列各式中，Ni為自發(fā)輻射的初始光子數(shù)密度，Δni為Q開關(guān)打開前閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，τR為腔內(nèi)光子壽命，Δnt為Q開關(guān)打開后閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，Δnf為巨脈沖熄滅后腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，σ21為發(fā)射界面，v為光子速率。由式(8)可知，Δt沒有具體的解析解，只能設(shè)定Δni/Δnt的具體值得出數(shù)值解。通過數(shù)值模擬，由圖1可知，Δt隨Δni/Δnt的變化關(guān)系基本成反比，隨Δni/Δnt增大而減小，最終理論極限等于腔內(nèi)光子壽命τR。為了壓縮脈沖寬度，一是減小腔內(nèi)光子壽命，二是增大Δni/Δnt。結(jié)合到具體諧振腔各參數(shù)，為壓縮脈沖寬度，在設(shè)計(jì)種子源的時(shí)候采用以下幾個(gè)方案。一、增大泵浦功率；二、設(shè)計(jì)合適有源纖長度；三、保證Q開關(guān)關(guān)閉時(shí)，諧振腔光路關(guān)閉；四、設(shè)計(jì)合適反射率的輸出鏡。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)采用MOPA結(jié)構(gòu)，包括AOM調(diào)Q種子源以及功率預(yù)放大器和功率主放大器。

種子源部分使用光纖光柵作為腔鏡，一端為高反光柵，反射率為99%，中心波長為1064nm，反射帶寬3nm，尾纖10/125μm單包層光纖。腔鏡另一端為低反光柵，實(shí)驗(yàn)中所用光柵反射率分別為20%、40%、60%，中心波長皆為1064nm，反射帶寬1nm。實(shí)驗(yàn)中采用光纖型聲光調(diào)制器(AOM)進(jìn)行調(diào)制，AOM分別由兩家單位提供，型號(hào)有所不同，尾纖均為10/125μm單包層光纖。1號(hào)AOM衍射效率75%，開關(guān)上升時(shí)間50～500ns可調(diào)，中心波長1064nm，可調(diào)制重復(fù)頻率。2號(hào)AOM衍射效率85%，開關(guān)光上升時(shí)間60～500ns可調(diào)，中心波長1064nm，可調(diào)制重復(fù)頻率。種子源采用后向泵浦方式，增益光纖選用nufern10/130μm雙包層摻鐿光纖，纖芯有效數(shù)值孔徑0.075，對(duì)于975nm的泵浦光，包層吸收系數(shù)為4.5dB/m。功率預(yù)放大器同樣采用后向泵浦方式，增益光纖型號(hào)與種子源相同，增益光纖長度4m。泵浦源選用10W多模泵浦源，尾纖105/125μm，纖芯數(shù)值孔徑0.22，中心波長976nm，光譜寬度6nm，通過一只(2+1)×1的泵浦光合束器耦合進(jìn)系統(tǒng)。功率主放大器同樣采用后向泵浦方式，選用nufern20/130μm雙包層摻鐿光纖進(jìn)行增益，長度2m，對(duì)975nm泵浦光包層吸收系數(shù)為8.4dB/m，纖芯有效數(shù)值孔徑0.08。泵浦源最大功率60W，尾纖105/125μm，纖芯數(shù)值孔徑0.22，中心波長976nm，光譜寬度5nm。泵浦光通過一只(6+1)×1泵浦光合束器耦合進(jìn)系統(tǒng)，該合束器單臂最大承受功率70W。

圖2 激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser system structure

本實(shí)驗(yàn)采用Thorlabs公司DET01CFC型號(hào)InGaAs探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，示波器型號(hào)為泰克利克公司MDO4054B，探測(cè)激光光譜使用橫河AQ6370Optical Spectrum Analyzer，測(cè)量脈沖平均功率選用NOVAⅡ功率計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果

為驗(yàn)證諧振腔器件參數(shù)對(duì)輸出脈沖寬度的影響，采取以下3組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均只改變一個(gè)變量。首先，對(duì)比兩種不同型號(hào)的AOM，AOM外部調(diào)制信號(hào)統(tǒng)一為23kHz，種子源輸出脈沖參數(shù)的變化如圖3所示。由圖3(a)可見，1號(hào)AOM比2號(hào)AOM調(diào)制的脈沖寬度更寬，通過腔外測(cè)試發(fā)現(xiàn)1號(hào)AOM在關(guān)斷之后信號(hào)光傳輸透過率為50%，而2號(hào)AOM在關(guān)斷之后信號(hào)光傳輸透過率基本為0。通過分析可知AOM關(guān)斷時(shí)，是諧振腔中積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的時(shí)段，如果此時(shí)腔內(nèi)仍有振蕩，則必然消耗腔內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，使得 Δni減小，從而減弱了脈寬壓縮。接著，為了驗(yàn)證諧振腔長度對(duì)脈寬的影響，采用了3種不同長度的有源纖，光纖型號(hào)相同，長度分別為4.5，3，1.5m，通過實(shí)驗(yàn)得到圖3(b)中的數(shù)據(jù)。對(duì)比可知，隨著有源纖長度縮短，種子光的脈寬也在變窄。分析可知，諧振腔長度和腔內(nèi)光子壽命成反比，而腔內(nèi)光子壽命直接影響脈寬，所以諧振腔長度的變化對(duì)脈寬影響非常明顯，與理論相符，但在具體選擇有源纖長度時(shí)還需考慮到Δni受有源纖和泵浦功率的影響，若有源纖長度過短，鐿離子過少，反而會(huì)展寬脈沖寬度。最后，分析輸出鏡的影響，本文采用了光纖光柵作為腔鏡，諧振腔從低反光柵一端輸出種子光，低反光柵對(duì)1064nm激光的反射率分別為20%、40%、60%，中心波長為1064nm，反射帶寬1nm，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(c)。由圖3(c)可看出，隨著輸出鏡反射率提高，種子源輸出的脈沖寬度越窄，輸出功率越小。通過公式分析，諧振腔的輸出鏡反射率影響整個(gè)諧振腔的損耗，當(dāng)Q開關(guān)打開時(shí)，諧振腔的損耗決定了Δnt的大小，成正比關(guān)系，同時(shí)，諧振腔此時(shí)通光，諧振腔的損耗影響了光子壽命，二者成反比關(guān)系，通過綜合的數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)理論結(jié)果是隨著損耗增加，種子光的脈寬會(huì)略微地增加一些，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的方案對(duì)脈寬的壓縮效果，接下來結(jié)合所得驗(yàn)證結(jié)果搭建激光器。

圖3脈沖寬度隨AOM性能(a)、增益光纖長度(b)、反射鏡反射率(c)的變化曲線。
Fig.3Pulse width varies with AOM performance(a), gain fiber length(b), and reflectance of the reflector(c), respectively.

為了壓縮脈沖寬度并同時(shí)保證一定的輸出功率，本文選取合適的諧振腔參數(shù)，搭建全光纖聲光調(diào)Q激光器。諧振腔摻鐿光纖長度為1.5m，采用2號(hào)AOM，腔鏡選用一對(duì)反射率分別為99%和10%的光纖光柵。測(cè)試種子源的輸出脈沖波形和斜效率如圖4所示。當(dāng)重復(fù)頻率為20kHz、抽運(yùn)功率為5.33W時(shí)，得到脈寬為54ns、平均功率為0.86W的脈沖激光輸出。當(dāng)重復(fù)頻率提升至50kHz和100kHz時(shí)，種子源輸出的脈沖寬度隨泵浦功率變化如圖4所示。由圖可知，脈沖寬度隨著重復(fù)頻率的提高而明顯展寬。通過分析，認(rèn)為重復(fù)頻率增大之后，腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度因?yàn)殛P(guān)閉時(shí)間變短而減小，所以Δni/Δnt值變小，從而減弱了脈寬的壓縮?？梢娪绊懨}寬的因素除了諧振腔固有的參數(shù)外，調(diào)制參數(shù)的影響也很大，在設(shè)計(jì)的時(shí)候可根據(jù)需要選擇調(diào)制參數(shù)。同時(shí)測(cè)得種子源輸出的光譜如圖4所示，由光譜儀分析測(cè)量結(jié)果可知，光譜在波長為1064nm處的3dB帶寬均在1nm以下。

在完成種子源測(cè)試實(shí)驗(yàn)之后，為檢測(cè)種子源的放大特性，搭建功率預(yù)放大器和功率主放大器。

圖4 種子源輸出參數(shù)Fig.4 Seed source output parameters

種子源的重復(fù)頻率設(shè)置為100kHz，輸出的平均功率為1.66W，脈寬為142ns，光譜寬度為0.27nm。為抑制放大級(jí)中的非線性效應(yīng)，預(yù)放大器采用反向泵浦的方式，得到放大器的斜效率曲線如圖5。由圖5中可看出放大器工作在線性區(qū)，未發(fā)生飽和。在泵浦功率為11W時(shí)，輸出平均功率為5W，測(cè)得脈沖寬度為160ns，測(cè)得光譜寬度為0.5nm，光譜未發(fā)生明顯展寬，且沒有殘余泵浦和受激拉曼散射等其他非線性效應(yīng)引入的波長。之后對(duì)功率預(yù)放大器輸出的激光進(jìn)行放大，同樣采取后向泵浦的方式，為了獲得更好光束質(zhì)量的激光，功率主放大器的摻鐿光纖采用nufern20/130μm的雙包層光纖，得到功率主放大器泵浦功率和輸出功率關(guān)系如圖6(a)所示。當(dāng)泵浦功率達(dá)到160W時(shí)，信號(hào)光輸出功率為120.3W，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了73%，脈沖寬度為180ns。測(cè)得此時(shí)的輸出光譜如圖6(b)所示。由圖可知泵浦光基本無剩余，但在1120nm處有受激拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的斯托克斯光，不過和信號(hào)光相差30dB以上，且在泵浦光功率上升的時(shí)候并不會(huì)有明顯提升，所以分析放大器并未達(dá)到拉曼閾值，若增加泵浦功率，輸出功率可進(jìn)一步放大。

圖5 功率預(yù)放大器輸出參數(shù)Fig.5 Preamplifier stage output parameters

圖6 功率主放大器輸出參數(shù)Fig.6 Main power amplifier output parameters

5 結(jié) 論

本文比較系統(tǒng)全面地從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面研究調(diào)Q激光輸出脈沖寬度的影響因素。首先從速率方程出發(fā)，推導(dǎo)了脈寬的表達(dá)式，分析了諧振腔長度、輸出鏡反射率、AOM性能等諧振腔基本參數(shù)與脈沖寬度的關(guān)系，其次從實(shí)驗(yàn)方面，結(jié)合理論分析制定驗(yàn)證方案，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。通過提升AOM性能、減小增益光纖長度等參數(shù)優(yōu)化方式，最終獲得重復(fù)頻率為20kHz、平均功率為0.86W、脈寬54ns的激光輸出。改變調(diào)制頻率為100kHz時(shí)，激光輸出平均功率為1.66W，脈寬約為142ns，光譜寬度為0.27nm。以此作為種子源進(jìn)行預(yù)放大和功率主放大后，獲得平均功率120.3W、脈寬180ns、光譜寬度約為0.67nm的脈沖激光輸出。

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