高穩定性的全光纖化調Q脈沖光纖激光器研究

張培培，張 鵬，黃榜才，王曉龍，張雪蓮，龍潤澤，韓桂云，梁小紅

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津300220)

1 引言

隨著包層抽運技術的引入和光纖元器件的不斷成熟，使得光纖激光器的發展更加迅速，不僅輸出功率大大提高，而且使全光纖化成為可能，激光器的結構更加緊湊，穩定性大大提高，更加滿足實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換效率高、光束質量好、結構緊湊，使用壽命長等傳統優勢外，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、醫療等領域具有廣泛的應用［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制器構成的光纖激光器作為種子源，在重復頻率50 kHz的條件下，通過兩級功率放大，實現了脈沖寬度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成線性F－P腔，LD與光纖耦合器進行后向抽運，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的穩定脈沖輸出［8］。2014年，Gongwen Zhu等人利用2.8 μm的摻鉺調Q光纖激光器作種子源，975 nm的半導體LD進行后向泵浦，獲得了中心波長 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各種結構的脈沖激光器進行了研究，但是關于激光器功率穩定性方面的研究報道較少。

本文基于聲光調Q技術，對結構緊湊、功率穩定的全光纖化脈沖光纖激光器進行了研究。比較分析了不同重復頻率對脈沖寬度和平均輸出功率的影響，并通過監測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，對脈沖激光器的穩定性進行了研究。

2 實驗裝置

調Q脈沖光纖激光器采用全光纖化結構設計，光纖及各光纖元器件通過熔融焊接的方式熔接在一起，實驗裝置如圖1所示。種子源光路為典型的F－P線性腔結構，一對雙包層光纖光柵構成激光諧振腔的前后腔鏡，光柵的尾纖為10/125 μm的無源雙包層光纖(GDF)，中心波長1064 nm，其中高反光柵的反射率＞99%，低反光柵的反射率為10%。增益介質采用一段長為4 m的摻鐿雙包層光纖(YDCF)，該摻鐿光纖為國產光纖，由中國電子科技集團第四十六所自行研制，纖芯直徑10 μm，八角形的內包層直徑130 μm，在915 nm處的包層吸收系數為1.5 dB/m。光纖耦合輸出的多模半導體激光器作為泵浦源，最大輸出功率9 W，泵浦光通過2×1合束器的其中一個泵浦端對增益光纖進行前端抽運。在摻鐿光纖與低反光柵之間插入聲光調制器(AOM)來實現激光的脈沖調制輸出。種子源輸出的激光通過(2+1)×1合束器的信號纖耦合進放大級的增益光纖中，放大級增益光纖也為八角形的摻鐿雙包層光纖，長度為5 m，纖芯與內包層直徑分別為20 μm和130 μm，對于915 nm的泵浦光，包層吸收系數為 3.2 dB/m。中心波長915 nm，最大輸出功率10 W的兩只泵源分別通過(2+1)×1合束器的兩泵浦端對增益光纖進行泵浦。種子光經過放大級光路進行放大后最后通過準直隔離器實現激光的準直隔離輸出。在每級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光路，同時還能保證系統的安全穩定工作。

圖1 全光纖結構脈沖光纖激光器實驗裝置圖

3 實驗結果及分析

3.1 激光器輸出特性實驗研究

圖2給出了重復頻率分別為20、25、30、35 kHz時，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，對于同一重復頻率，脈沖寬度隨泵浦功率的增加而迅速減小，當泵浦功率增加到一定值時，脈沖寬度的減小趨勢趨向平緩。這是因為在同一重復頻率的條件下，鐿離子上能級積累的粒子數會隨著泵浦功率的增加而逐漸增多，激光器諧振腔內的增益系數變大，腔內光子數的增長及反轉粒子數的衰減就更加迅速，因此輸出激光的脈沖寬度被壓縮，當泵浦功率增加到一定值后，反轉粒子數趨于飽和，增益系數達到最大，脈沖寬度不會再繼續壓縮，而是趨于一個定值;對于同一泵浦功率，脈沖寬度隨重復頻率的降低而變窄。這是因為在泵浦功率相同的條件下，重復頻率越低，調Q的單個脈沖能量積累時間也就越長，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，平均輸出功率隨重復頻率增加而變化的趨勢分為兩個階段:在泵浦功率較低時，激光的平均輸出功率隨重復頻率增大而增加的趨勢并不明顯，隨著泵浦功率逐漸增大，平均輸出功率隨重復頻率增大而增加趨勢越來越明顯。

當重復頻率為20 kHz，泵浦功率5.6 W時，獲得了中心波長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，說明輸出激光沒有受到泵浦光及受激拉曼散射(SRS)等非線性效應的影響。

圖3 泵浦功率5.6 W時的脈沖波形圖(20 kHz)

圖4 泵浦功率5.6 W時的光譜圖(20 kHz)

以上述調Q脈沖光纖激光器作為種子源，進行功率放大，放大的激光最后通過準直隔離器進行準直隔離輸出。種子激光的重復頻率設定為20 kHz，泵浦功率5.6 W，逐漸增加功率放大級的泵浦功率，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，并且最后也未出現飽和趨勢，可以預測，若繼續增大泵浦功率，激光輸出功率還會進一步提高。在放大級泵浦功率為17.5 W時，獲得了最大平均功率10.68 W，脈沖寬度120 ns的穩定激光輸出，激光波長為1064 nm，計算得到此時的脈沖能量為 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 激光器穩定性研究

高質量的激光焊接技術是保證全光纖化激光器穩定工作的首要前提。該激光器中光纖及各光纖元器件之間的焊接均進行精確的對準，各熔接點的損耗均控制在0.01 dB以下，尤其是八角形內包層和圓形內包層光纖之間的焊接通過手動調節，進行準確的纖芯對準，并且各光纖焊點處均做了再涂覆保護處理;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溫度的波動對激光輸出功率影響很小，并且在每個LD的底部均涂有散熱膠，并固定在散熱板上用風扇進行風冷散熱，這樣可以防止LD工作過程中的波長漂移，從而有效保證了激光器的功率穩定。

激光器輸出平均功率為10.0 W時，LD1、LD2 1 h內表面的溫度變化如表1所示。從表中可以看出，0～40 min的監測時間內，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的溫度分別穩定在28.6℃和31.5℃，這是因為LD的溫度剛開始時會隨工作時間增加逐漸升高，但是當LD工作穩定后，溫度便會趨于穩定。而LD在50℃以內均可保持安全穩定的工作，因此該LD的工作溫度不會對激光器的穩定性產生影響。

表1 LD1、LD2 1 h內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、二級泵浦功率的變化曲線，監測該功率的變化可以有效預防回光過大時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，但是當泵浦功率增加到8 W時，回光功率也只有 2.29 mW，對應的峰值功率為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遠處于安全范圍。從圖7中可以看出，二級泵浦功率從0 W增加到17.5 W，一級回光功率僅從1.8 mW增加到1.83 mW，變動僅有0.03 mW，這說明二級泵浦功率的增加對一級回光功率幾乎沒有影響，這也是該激光器能夠安全穩定工作的重要保障。

圖6 合束器閑置泵浦端功率隨泵浦功率的變化曲線

圖7 一級回光功率隨二級泵浦功率的變化曲線

下面分析整個調Q脈沖光纖激光器的功率穩定性情況。該激光器8 h內輸出功率的平均值和均方差值PSD表達式分別如下所示:

式中，N為8 h內測量的功率的總個數;Pi為測量的第i個功率值。根據公式和圖8中所測得的數據，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定性可用r表示，因此我們得到該激光器在8 h內的功率不穩定性為1.1%，這說明該激光器可以長時間穩定可靠的工作，這也是激光器能夠實用化和商品化的重要前提。

圖8 脈沖激光器功率穩定性測試

4 結論

對基于聲光調Q技術的脈沖光纖激光器進行了研究。以自制摻鐿雙包層光纖作為增益介質，雙包層光纖光柵構成諧振腔鏡，光纖型的聲光調制器(AOM)為Q開關，并用915 nm的多模半導體激光器進行抽運，實現了中心波長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Q脈沖光纖激光器作為種子源，通過一級光纖放大器對其進行功率放大，并通過準直隔離器進行準直隔離輸出，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。高質量的激光焊接技術、泵源控溫技術以及多余泵浦光剝除技術保證了該激光器的整體性能穩定性，最后測得該脈沖激光器在8 h的工作時間內功率不穩定性為1.1%。該脈沖激光器采用全光纖化、線性腔結構設計，結構緊湊，功率穩定，性能可靠，可以滿足實用化和商品化的要求。

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