基于鋸齒波脈沖抑制自相位調制的高功率窄線寬單頻脈沖光纖激光放大器*

盛泉 王盟 史朝督 田浩 張鈞翔 劉俊杰 史偉? 姚建銓

1) (天津大學精密儀器與光電子工程學院,天津 300072)

2) (光電信息技術教育部重點實驗室-天津大學,天津 300072)

3) (天津津航技術物理研究所,天津 300308)

報道了基于鋸齒波脈沖抑制自相位調制(SPM)的高功率窄線寬單頻脈沖光纖激光放大器.通過優化摻鐿(Yb)石英有源光纖的長度,在保證輸出功率和轉換效率的同時提高單頻光纖激光放大器中的受激布里淵散射閾值,并采用脈沖波形為鋸齒波的種子光,利用其光強對時間的變化率為常數的特性有效抑制了SPM效應導致的激光光譜展寬現象.主放大級泵浦功率為11.3 W 時獲得了平均輸出功率為3.13 W、脈沖重復頻率為20 kHz 的1064 nm 單頻激光輸出;此時脈沖寬度為6.5 ns,對應峰值功率為24 kW,測得光譜線寬僅為83 MHz,接近變換極限水平.與采用常規高斯波形脈沖種子光的對照實驗相比,鋸齒波形脈沖對SPM 所致的光譜展寬具有顯著抑制效果,為高功率窄線寬脈沖光纖激光放大器提供了一種行之有效的方法.

1 引言

基橫模、單縱模的單頻激光器具有窄線寬、低噪聲、高相干性、高光束質量等優良特性,在相干光通信、高精度光譜及精密測量等領域具有極其重要的應用[1,2].基于調制脈沖種子源的主振蕩器-功率放大器(MOPA)光纖激光系統具有時間特性靈活、轉換效率高等特點,特別是全光纖化的結構具有優秀的環境適應性和穩定性,對于需要較高脈沖峰值功率的應用來說是一種較為理想的光源,相關領域的研究人員在窄線寬脈沖單頻光纖激光MOPA 的功率和線寬這兩個主要參數的優化提升方面也付出了大量的努力[3-5].

單頻光纖激光器的功率和光譜線寬分別主要受限于受激布里淵散射(SBS)和自相位調制(SPM)這兩種非線性效應.相比連續波光纖激光器,脈沖光纖激光器具有更高的峰值功率,其中的非線性效應更為嚴重.SBS 產生的后向Stokes 光會在有源光纖中被放大,消耗反轉粒子數,影響正向輸出的轉換效率,放大的反向光也可能造成器件和系統的損傷;而SPM 則使光纖MOPA 輸出的光譜線寬發生明顯的展寬,劣化激光的光譜特性和時間相干性.抑制光纖中非線性效應的最直接的方法是增大光纖模場面積以降低激光功率密度,以及采用重摻雜的高增益有源光纖以縮短所需的光纖長度[6-10];對于SBS 效應,還可采用降低光場和聲場的交疊、施加溫度和應力梯度降低有效布里淵增益,以及采用錐形光纖增加反向信號損耗等抑制方法[11-15];另外采用小于聲子壽命(玻璃光纖中一般約為10 ns)的信號光脈沖寬度也能夠將SBS 閾值進一步提高1—2 個數量級,實際工作中經常將上述方法相配合應用.2012 年Petersen 等[7]用芯徑為25 μm、長度僅為12 cm 的高增益鉺鐿共摻磷酸鹽光纖放大短脈寬的1550 nm 單頻種子光,在脈寬為3 ns、峰值功率為128 kW 時未發生SBS 且仍能夠保持變換極限的光譜寬度;同年,Fang 等[16]采用長為41 cm 的高增益摻銩鍺酸鹽光纖對脈沖寬度為2 ns 的1918 nm 單頻種子光進行放大,輸出峰值功率達到78.1 kW.在抑制SBS 的基礎上,為避免SPM 導致的光譜展寬,還可通過對種子信號脈沖預先施加與光纖中的SPM 共軛的反向調制進行補償.中國人民解放軍國防科技大學的研究人員對此開展了大量的研究工作,并報道了數kW 脈沖峰值功率下實現近變換極限光譜寬度的實驗結果[17,18].

前述1550 nm 和1918 nm 的脈 沖MOPA 分別在128 kW 和78.1 kW 峰值功率下保持接近變換極限光譜線寬的實驗結果都是基于自制的高增益大芯徑軟玻璃單模光纖.如采用兼容性和穩定性更好的石英有源光纖,其相對較低的泵浦吸收系數必然要求更長的光纖長度,會導致更為嚴重的非線性積累,這就對相位調制補償SPM 時電光相位調制器(EOPM)的調制能力提出了很高的要求[19].進一步提高峰值功率,則常規EOPM 的調制能力不足以補償SPM 的作用,因此相關采用石英有源光纖的脈沖單頻MOPA 也大多只能在幾千瓦的峰值功率水平保持變換極限的光譜線寬.SPM 過程引起的激光頻率變化與光強對時間的變化率有關[20],如果光強對時間的導數為常數,則理論上不會因SPM 產生額外的頻率分量.2019 年,Su 等[20]提出采用方波或鋸齒波信號來抑制SPM 導致的光譜展寬的思路,并用方波信號對該設想進行了實驗驗證;2021 年,Huang 等[21]在基于4 ns 窄脈寬種子光抑制SBS 的基礎上,采用方波信號抑制SPM,摻鐿(Yb)光纖放大器輸出脈寬為3.8 ns、峰值功率為30 kW 時測得光譜半高全寬為283 MHz,接近變換極限水平(時域上方波的理論時間帶寬積極限為0.88).

鋸齒波脈沖中光強的時間導數為常數,因此同樣具有抑制SPM 的效果.與方波脈沖相比,鋸齒波的時間帶寬積極限更小,因此在同等的脈沖寬度下具有實現光譜線寬更窄的激光輸出的潛力.另外,在對脈沖能量有一定要求的應用中,也不宜單純依靠小于聲子壽命的短脈沖寬度來抑制SBS.本文采用鋸齒脈沖波形抑制高功率單頻摻鐿光纖激光放大器中SPM 導致的光譜展寬,結合對商用石英有源光纖長度的優化抑制SBS,獲得了峰值功率為24 kW、脈沖寬度為6.5 ns、脈沖重復頻率(PRF)為20 kHz 的1064 nm 脈沖單頻激光輸出;最高輸出功率時的光譜線寬僅為83 MHz,接近變換極限水平.

2 實驗裝置

圖1 為窄線寬脈沖單頻光纖MOPA 的實驗光路示意圖.波長為1063.66 nm 的單頻摻Yb 光纖激光振蕩器提供功率為70 mW 的連續波種子光,經過高速信號發生器(AFG)控制的電光強度調制器(EOIM)調制產生鋸齒波形、脈沖半高全寬為7.5 ns 的種子光,經過2 級由976 nm 單橫模半導體激光器(LD)纖芯泵浦的摻Yb 光纖預放大級后,又經過與EOIM 同步的聲光調制器(AOM)調制以減小連續波成分的放大的自發輻射(ASE)的影響.此時PRF 為20 kHz 的信號光平均功率為200 μW,峰值功率約為1.3 W.在進入主放大器之前,信號光又經歷2 級摻Yb 有源光纖尺寸分別為10/130 μm 和20/130 μm 的976 nm 包層泵浦的預放大器將種子光平均功率放大到50 mW和220 mW,對應的峰值功率分別約為330 W 和1.5 kW.主放大器所用有源光纖的纖芯和包層直徑分別為35 μm 和250 μm,由于光纖纖芯尺寸較大,采用14—15 cm 的小盤繞直徑以抑制高階橫模,實驗中嘗試了不同有源光纖長度以優化SBS閾值及泵浦吸收所決定的轉換效率.上述各級預放大器和主放大器采用穩波長為976 nm 的LD 作為泵浦源,各級放大器之前均加入了隔離器(ISO)濾除反向ASE,在3 級包層泵浦放大器之間還采用帶通濾波器(BPF)濾除帶內ASE.主放大器后用包層模式剝除器(CMS)去除未吸收的殘余泵浦光,光纖輸出端8°角斜切以避免端面對激光的反射.在主放大級所用的信號泵浦合束器的空閑端口觀察反向光光譜,以監測SBS 是否發生.

圖1 脈沖單頻光纖激光MOPA 光路示意圖Fig.1.Schematic of the pulsed single-frequency fiber MOPA.

3 實驗結果和討論

首先測量脈沖重復頻率20 kHz 時光纖MOPA的功率特性,結果如圖2,所用功率計探頭和表頭分別為Ophir 12A 和Ophir VEGA.進入主放大器的種子光平均功率為220 mW,在放大器有源光纖長度為0.9 m 時得到了最佳實驗結果,11.3 W泵浦功率下激光平均輸出功率為3.13 W,斜效率為35.5%,考慮20 kHz 的脈沖重復頻率,對應單脈沖能量為157 μJ.進一步增加泵浦功率則會在主放大器信號泵浦合束器的空閑端口觀察到明顯的SBS 斯托克斯光成分.有源光纖長度為1 m 時,得益于較高的泵浦吸收,斜效率達到38.8%,但泵浦功率為9.8 W、平均輸出功率為2.83 W 時即觀察到了SBS 斯托克斯光激射;而使用0.8 m 長的有源光纖時,受泵浦吸收所限,12.8 W 泵浦功率下的激光平均輸出功率為3.06 W,轉換效率與有源光纖長0.9 m 時相比偏低,且高泵浦功率下激光器的輸出功率曲線出現明顯的飽和現象;因此后續實驗中均采用0.9 m 長的有源光纖.需要說明的是,上述由平均功率換算得到的單脈沖能量與將激光功率衰減后用自動扣除連續波成分的能量計探頭Ophir PE10-C 測得的單脈沖能量相符,證明放大器的輸出中不存在明顯的連續波ASE.圖3 給出用光譜儀Yokogawa 6370D (分辨率0.02 nm)記錄的最高輸出功率為3.13 W 時的激光光譜,得益于帶通濾波器的使用,實驗中沒有觀察到明顯的ASE 現象,僅在BPF 的通光波段內有部分ASE成分,激光輸出與ASE 成分之間的信噪比為45 dB.利用刀口法測得此時的激光光束質量因子M2=1.2 .

圖2 不同有源光纖長度時光纖激光MOPA 的平均輸出功率曲線,進入放大器種子光功率為220 mW,重復頻率為20 kHzFig.2.Average power of the fiber MOPA with different active fiber lengths as a function of launched pump power with 220 mW seed power at a PRF of 20 kHz.

圖3 平均輸出功率為3.13 W、脈沖重復頻率為20 kHz時的激光光譜Fig.3.Laser spectrum power recorded at the average output power of 3.13 W and the PRF of 20 kHz.

實驗中使用高速光電探測器(Thorlabs DET 01CFC)和示波器(Tektronix TDS3052C)記錄激光脈沖時域波形,圖4(a)—(c)分別給出AOM 調制后、經過2 級包層泵浦預放大級后進入主放大器之前,以及主放大器最高輸出功率時的脈沖波形.如圖4(a),調制產生的種子源為上升沿陡、下降沿緩的鋸齒波脈沖,限于信號發生器的帶寬,上升沿寬度為～1 ns,脈沖的半高全寬則為7.5 ns;種子光經歷纖芯和包層預放大級時,由于較低的種子光功率沒有對有源光纖的增益造成明顯的飽和,因此從第二級包層預放大級輸出、進入主放大器的脈沖波形相比AOM 調制后的波形并未發生明顯變化,脈沖寬度仍為7.5 ns,見圖4(b);經過主放大器放大后,由于較強的脈沖前沿對有源光纖的增益飽和,輸出激光脈沖波形發生一定變化,脈沖半高全寬縮短至6.5 ns,但仍保持了鋸齒波的波形,如圖4(c)所示.此時對應前述3.13 W 平均輸出功率、20 kHz 脈沖重復頻率、157 μJ 單脈沖能量的脈沖峰值功率為24 kW.

圖4 (a)調制產生的脈沖種子源的波形;(b)經過預放大進入主放大級之前的波形;(c)主放大器最高輸出功率時的波形Fig.4.Oscilloscope traces of the (a) modulated seed pulse,(b) pulse after being pre-amplified,and (c) main amplifier output at the maximum power.

SPM 會對激光引入非線性頻移,頻率偏移量δω(t)的表達式為

式中,I(t)為隨時間變化的激光光強;P和Leff分別為激光脈沖峰值功率和有效光纖長度;γ為非線性參量,γ=n2(ω0)ω0/(cAeff),其中,n2(ω0)為非線性折射率系數,ω0為激光角頻率,c和Aeff分別為真空中的光速和光纖有效模場面積.對于高斯型等常規脈沖波形,其光強隨時間的變化率?I(t)/?t是時刻變化的,這就導致時域上脈沖內不同時刻的激光頻率相對其原有中心頻率的偏移量不同,即引起光譜展寬.對于本實驗中所用的鋸齒波來說,由于其下降沿光強隨時間線性變化,也即(1)式中?I(t)/?t為常數,因此忽略其很短的上升沿的作用后,整個脈沖內所產生的非線性頻移是一致的,也就不會產生額外的頻率分量,能夠抑制SPM 引起的光譜展寬.

用法珀掃描干涉儀(FPI,Thorlabs SA200-8B,分辨率7.5 MHz)測量激光峰值功率為24 kW時的激光光譜線寬,結果如圖5(a)所示,此時光譜的半高全寬為83 MHz.圖中示波器記錄的FPI 波形是由諸多尖峰組成的包絡,這是由于幾個ns 的激光脈寬遠小于ms 級的FPI 掃描周期,每個激光脈沖引起的響應在波形上體現為一個尖峰,而包絡體現了激光的光譜線寬.激光脈寬與光譜的時間帶寬積極限和激光脈沖的時域波形有關,對于常見的高斯、方波和鋸齒波等時域波形來說,其數值各不相同.對時域鋸齒波信號進行傅里葉變換,可知其時間帶寬積極限為0.491,脈寬為6.5 ns 的鋸齒波對應變換極限光譜線寬為76 MHz,24 kW 峰值功率下測得的83 MHz 的光譜線寬僅比其理論極限寬10%左右,得益于鋸齒波信號光強對時間的變化率為常數的性質,實驗中SPM 效應導致的光譜展寬得到了顯著的抑制.而通過信號發生器控制EOIM 使種子光脈沖為脈寬7.5 ns 的高斯型脈沖時,種子光經過第2 級包層泵浦預放大級、峰值功率為1.5 kW 時,其光譜即發生了非常明顯的展寬,如圖5(b).進一步改變鋸齒波信號的脈沖寬度,使放大器輸出脈沖寬度為5.9 ns 和7.5 ns,分別在峰值功率為24 kW 和20 kW 時測得了88 MHz和70 MHz 的光譜線寬.圖6 給出上述鋸齒波形高功率光纖MOPA 輸出光譜線寬與其理論變換極限的對比,可以看到其光譜線寬都接近理論變換極限,充分驗證了采用鋸齒波形脈沖是抑制高功率光纖激光MOPA 中SPM 導致的光譜展寬、獲得窄線寬單頻激光輸出的有效技術途徑.

圖5 (a)使用鋸齒波形時主放大器最高輸出功率為24 kW 時的激光線寬;(b)使用高斯波形時預放大級輸出的激光線寬(脈寬7.5 ns,峰值功率1.5 kW)Fig.5.Measured spectral linewidths of (a) the sawtooth pulse at the maximum peak power of 24 kW and (b) the Gaussian-shaped pulse after being pre-amplified to a peak power of 1.5 kW with a pulse width of 7.5 ns.

圖6 鋸齒波脈沖理論時間帶寬積極限(實線)和實驗中測得的不同脈寬鋸齒波形光譜線寬(圓點)Fig.6.Theoretical transform-limited spectral linewidth of the sawtooth pulses (line) and the measured spectral linewidths at different pulse widths (solid circle).

4 結論

本文研究了采用時域波形為鋸齒波的脈沖種子光對高功率光纖激光放大器中SPM 導致的光譜展寬現象進行抑制的方法,結合有源光纖長度的優化抑制SBS 效應,實驗實現了1064 nm 摻Yb 光纖激光MOPA 的高功率窄線寬輸出.獲得了平均功率為3.13 W、脈沖重復頻率為20 kHz、脈沖寬度為6.5 ns、峰值功率為24 kW 的單頻激光輸出,測得最高輸出功率時激光光譜線寬僅為83 MHz,接近變換極限;而對照實驗結果顯示高斯波形脈沖種子光在放大至峰值功率為1.5 kW 時就已發生明顯的光譜展寬現象,說明通過鋸齒波形脈沖抑制光譜展寬是實現高功率窄線寬單頻光纖激光輸出的有效方法.