用于測距的摻鐿脈沖光纖激光器的輸出特性

張義冬 武向農

摘 要： 研究了用于測距的被動調Q摻鐿光纖脈沖激光器的輸出特性，仿真對比了可飽和吸收體長度以及增益光纖長度對輸出功率的影響.結果表明：在抽運源功率為5 W的條件下，輸出脈沖寬度為0.8 μs，脈沖峰值功率為26 W，平均功率為2 W，脈沖能量為20 μJ.在物體反射率為10%，探測距離為200 m，以及大氣透過率為100%的條件下，返回最小功率為3.9×10-7 W.

關鍵詞： 光纖脈沖激光器; 測距; 被動調Q

中圖分類號： TN 248文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0091-05

Abstract： In this paper，the output characteristics of passive Q-switched ytterbium doped pulse fiber lasers for distance measurement was studied.Besides，the effects of saturable absorber length and gain fiber length on output power were studied by simulation.Under the condition that the pump source power was 5 W，the simulation results showed that the output pulse width was 0.8 μs，the pulse peak power was 26 W，the average power was 2 W and the pulse energy was 20 μJ.When the object reflectivity was 10%，and when the detection distance was 200 m，and when the atmospheric transmittance was 100%，the minimum power returned was 3.9×10-7 W.

Key words： pulse fiber laser; distance measurement; passive Q-switched

0 引 言

相比于普通的光纖激光器，脈沖光纖激光器通過調整其整個腔內的損耗（Q值），輸出連續的激光能量，即具有時間間隔的巨脈沖.Q值為腔內存儲總能量與腔內單位時間損失能量的比值，當Q值較大時，腔內的單位時間損失能量較小，整個諧振腔內積累大量能量;當Q值較小時，腔內的能量被釋放，整個諧振腔內的能量很小.

使用新材料的材料特性作為脈沖光纖激光器可飽和吸收體已成為研究的一大熱點.2012年，YIN等[1]分別以Cr4+∶YAG、單壁碳納米管新材料作為可飽和吸收體，實現激光抽運源抽運Nd∶YVO4鍵合晶體，以被動調Q鎖模方式輸出激光.2016年，林健[2]研制了基于二硫化鎢（WS2）的被動調Q光纖激光器和基于WS2被動調Q摻鉺激光器，其單脈沖能量為89.23 nJ，脈沖寬度在917～1.240 μs之間，重復頻率在88.67～157.29 kHz之間.

1 理論分析

采用行波模型[12] 進行理論模型研究，該模型適用于長諧振腔，能合理預測沿光纖的激光發射光譜、功率，以及摻雜反轉粒子密度等，并在此基礎上，研究基于可飽和吸收體的摻鐿光纖激光器的結構.與其他摻雜稀土光纖相比，摻鐿光纖采用的結構為線性腔結構，其能級結構相對簡單（二能級），并且能級相隔較大，對于一些如交叉弛豫現象有很好的抑制作用.

如圖1所示，光子攜帶能量在激光腔中來回移動，產生諧振.諧振腔由可飽和吸收體與增益光纖組成.箭頭所示為光纖中的光功率分布，功率在增益光纖中沿其路徑增強，并在可飽和吸收體光纖中衰減.輸出功率從低反射率光纖布拉格光柵處輸出.圖1中，P為抽運光功率，X為光傳播距離長度，P+k為正向信號光功率，P-k為反向信號光功率，Pout為輸出脈沖，Lsa為可飽和吸收體長度.

在活性纖維的核心半徑范圍內沿X軸均勻地摻雜活性離子，光通量在纖維芯中沿徑向均勻分布.

2 光纖脈沖激光器數值仿真與數據分析

2.1 仿真參數設置

根據式（4），（5），在Matlab環境中求解線性偏微分方程.在數值仿真中，使用摻鐿的雙包層光纖（美國Nufern公司的LMA-YDF-15/130-VIII）作為增益光纖.包層吸收系數為5.4 dB·m-1，中心波長為975 nm，增益光纖的摻雜密度為2.14×1025 m-3，可飽和吸收體采用光纖型號為Appendix A.CorActive Sm119，中芯直徑為6 μm，包層直徑為125 μm.衰減系數在波長1064 nm處為8 dB·m-1，可飽和吸收體的摻雜密度為1.45×1025 m-3，自發發射波長為1030～1100 nm.

高反光柵中心波長為1064 nm，反射率大于99.9%，低反光柵中心波長為1064 nm，反射率為10%.浦源為帶有尾纖的975 nm波長單模半導體激光器，增益光纖為雙包層摻鐿光纖，可飽和吸收體為單模摻釤光纖.

2.2 被動調Q介入的光纖激光器的數值仿真

對激光器的輸出功率峰值進行研究，假設增益光纖長度為L，可飽和吸收體長度為Lsa.分別設置L為3，4，5，6，7 m進行仿真，如圖3所示.圖3中，當L=3 m時，第一個功率輸出的時間大約在97 μs時，并且輸出峰值功率明顯較小;當L≥5 m時，增益光纖長度對輸出功率大小幾乎沒有影響.在此基礎上，再取L為4.5，4.6，4.7，4.8，4.9 m進行仿真，如圖4所示.分析對比圖4可知，當L=4.7 m時，輸出功率峰值最大.如圖5所示，在不同增益光纖長度下，當Lsa<0.1 m時，輸出功率幾乎無變化.所以設置Lsa初始值為0.1 m，并以0.1 m為步進，進行仿真.由圖5可知，當Lsa=0.1 m時，激光器輸出峰值最高.隨著Lsa的增加，輸出功率峰值逐漸降低.

根據以上結論，在L=4.7 m，Lsa=0.1 m的條件下，得到輸出功率特性，如圖6所示.圖6中，輸出功率間隔平穩，為30 μs.首個脈沖出現在90 μs，之后的每個脈沖間隔都恒定.

2.3 仿真結果分析

運用有限差分方法求解線性偏微分方程，實現被動調Q摻鐿光纖激光器的理論仿真，可以獲得理想的脈沖序列和單個脈沖的輸出.在輸出的脈沖序列中，第一個脈沖出現在90 μs附近，原因是仿真實驗開始時，上能級粒子數從0開始進行累加，隨著上能級粒子數的上升，累積時間縮短，輸出功率趨于穩定.根據以上的數據分析，在實際應用中，增益光纖長度可以控制在4.7 m左右，可飽和吸收體長度控制在0.1 m左右.相對其他被動調Q光纖激光器，本研究的激光器單脈沖能量相對較高，但是脈沖頻率相對較低，脈沖頻率還有待進一步提升.

本研究的最大測量距離為200 m，在1 km以內的大氣透過率近似為100%.根據脈沖光纖激光器仿真結果，峰值功率為26 W，假設ADP有效接收面積為40 cm2，目標物體的反射率取10%，最小可探測功率為3.9×10-7 W.

3 結 論

利用行波模型對被動調Q摻鐿脈沖光纖激光器進行了理論分析.仿真結果表明：隨著增益光纖的長度的增加，輸出功率達到最大值之后，再加長增益光纖的長度，并不會對光纖的輸出功率產生較大影響.同時對比分析了可飽和吸收體的長度對輸出功率的影響，增益光纖長度與脈沖長度成反比.通過優化增益光纖以及可飽和吸收體長度，得到脈沖寬度為30 μs，輸出峰值功率為26 W的光脈沖.針對實際場景，通過計算物體反射率，得到最小可探測功率為3.9×10-7 W.

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（責任編輯：包震宇）