大能量納秒脈沖光纖激光器研究進展

李 堯,張 昆,李 政,張浩彬,余 洋

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

三維成像激光雷達是通過發射激光束探測目標的距離、速度、三維輪廓等特征量的探測系統,可實現多目標成像與探測,具有角度/距離/速度分辨率高、抗干擾能力強、信息量大的特點。

具有大脈沖能量、高峰值功率、高重頻、窄脈寬、輕小型、低功耗等特點的納秒脈沖光纖激光器,非常適合作為光源應用于激光主動成像系統中用于目標探測和成像制導。

近年來,受激光三維成像雷達和光電對抗的需求牽引,國內外對相關納秒光纖激光器的研究取得了巨大進展。國外比較著名的研究機構包括美國IPG公司、英國Southampton大學、德國Friedrich-schiller大學以及美國密歇根大學等,國內包括天津大學、清華大學、中國電科十一所在內的眾多單位,都對該領域展現出極大的興趣,并以提升激光能量和峰值功率為目標,相繼開展了深入技術探索。

本文簡要介紹了實現大能量激光輸出的納秒脈沖光纖激光器的典型結構,以及為了提升單脈沖能量國內外采取的相應技術措施及研究進展。最后對大能量納秒脈沖光纖激光器的應用和發展前景進行展望。

2 國內外研究進展

由于單個諧振腔得到的單脈沖能量較小,脈沖光纖激光器通常采用主振蕩功率放大(MOPA)結構實現大能量短脈沖輸出[1-3]。如圖1所示,MOPA結構脈沖光纖激光器主要由脈沖激光種子源、光纖預放大器(可能包含多級)和光纖功率放大器三部分組成。

圖1 MOPA結構脈沖光纖激光器結構圖

目前主流的脈沖光纖激光器均采用調制后的半導體激光器作為種子源。與其他類型的脈沖種子源相比,半導體激光器具有調制靈活、體積小和可靠性高等突出特點。使用半導體激光調制技術,可以實現重復頻率,脈沖寬度在一定范圍內連續可調,也可以實現任意波形的光脈沖輸出(包括三角波,正弦波,等等),并且可以利用其任意波形輸出的優勢來補償放大過程中的增益飽和現象,有效抑制其放大過程中由于脈沖窄化導致峰值功率過高而出現非線性效應。

由于基本采用相同的光纖激光系統設計結構(MOPA),脈沖光纖激光器主要依據功率放大級的增益光纖區分其技術途徑。

市場上現有的大能量短脈沖光纖激光器,為了抑制光纖中的各種非線性效應,通常使用基于石英玻璃階躍折射率的大模場增益光纖,來構建最后一級光纖功率放大級,從而產生所需要的脈沖輸出能量。如圖2所示,雙包層光纖具有相對簡單的結構[4],但由于纖芯尺寸超過了單模截止條件,無法保證激光器的單模運轉,造成光束質量下降。

圖2 大模場雙包層光纖結構示意圖

以國外較為成熟的1 μm高功率脈沖光纖激光器代表——法國Keopsys公司制造的PYFL系列產品為例,其脈寬為1～4 ns,重復頻率50～400 kHz,并且利用VSP(V型槽側邊泵浦)技術,可以得到60 μJ的單脈沖能量,并且具有小于1.3的良好光束質量。

在這種脈沖光纖激光器中,由于增益光纖較長,極大地限制了它們的最大輸出能量。例如對于脈沖寬度為10 ns量級的激光脈沖,如果要具有良好的光束質量和較窄的光譜寬度,最大的單脈沖能量僅達百μJ量級,這主要受到增益光纖中受激拉曼散射(SRS)和交叉相位調制(XPM)等非線性效應的限制。由于較強的非線性效應,放大后的激光光譜寬度將展寬至～10 nm,無法滿足激光三維成像雷達系統的使用要求。

圖3 Keopsys公司高功率脈沖光纖激光器產品

在過去的近十年中,已經有大量的努力來應對這一挑戰,主要的技術途徑為采用光子晶體光纖、手性耦合光纖、硅酸鹽玻璃光纖等新型光纖作為功率放大級的增益光纖來抑制激光放大過程中產生的非線性效應。

2.1 光子晶體光纖

光子晶體光纖(PCF)又被稱為微結構光纖。如圖4所示,光子晶體光纖橫截面上有較復雜的折射率分布,通常含有不同排列形式的氣孔,這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度,光波可以被限制在低折射率的光纖芯區傳播[5]。

圖4 大纖芯直徑光子晶體光纖結構示意圖

在具有超大纖芯直徑的棒狀光子晶體光纖中,早就演示了可以產生單脈沖能量達到數mJ級的能力。2013年,美國諾格公司采用纖芯直徑100 μm的光子晶體光纖作為增益介質,獲得了峰值功率1.5 MW,單脈沖能量2.3 mJ,脈沖寬度1.55 ns,線寬60 GHz的脈沖激光輸出[6]。

圖5 棒狀光子晶體光纖納秒脈沖放大系統

但光子晶體光纖尚未在商用脈沖光纖激光器系統得到廣泛應用,主要原因在于其缺少信號激光和泵浦激光耦合的全光纖解決方案,不得不使用類似于固體激光器中脆弱的自由空間光耦合方案,這樣就完全失去了光纖激光器本身的最大優點,也就是其高度的緊湊性和可靠性。

2.2 手性耦合纖芯光纖

手性耦合纖芯光纖(CCC光纖)的芯徑比傳統的大模場面積雙包層光纖大得多,并且能夠實現單模輸出。如圖6所示,CCC光纖由中心的導引纖芯和至少一根螺旋型圍繞在中心纖芯周圍的衛星纖芯組成[7]。中心的導引纖芯芯徑通常在30 μm以上,對信號光起傳輸和放大的作用；衛星纖芯芯徑通常約10 μm,對在中心導引纖芯中傳輸的光起著模式控制的作用。

圖6 CCC光纖結構示意圖

這種結構設計可以有選擇的將中心纖芯中的高階光學模耦合到衛星纖芯中,同時只有LP01模在中心纖芯中傳輸。當滿足準相位匹配條件時,中心導引纖芯中的高階模耦合進衛星纖芯中。合適的衛星纖芯參數和螺旋周期可以導致耦合進入衛星纖芯的光模式產生高損耗,并被迅速損耗掉,使中心纖芯中僅剩下基模,并以近乎無損耗的狀態進行傳輸,從而實現有效單模工作。這種概念可以應用到非常大芯徑的光纖的設計中。

近年來,多個研究機構采用CCC光纖取得了巨大進展。早在2013年,美國密歇根大學采用纖芯直徑55 μm的CCC光纖作為增益介質,獲得了單脈沖能量9.1 mJ的脈沖激光輸出,具體實驗結果如圖7所示[8]。

圖7 CCC光纖納秒脈沖放大系統

由于CCC光纖制備工藝復雜,暫未獲得進一步的成熟應用。

2.3 硅酸鹽玻璃光纖

傳統的有源石英光纖的稀土摻雜濃度低,光纖長度較長,不利于光束的遠程傳播和高功率光纖激光器的發展。硅酸鹽玻璃光纖稀土摻雜濃度很高,比石英光纖高2個數量級,可以利用很短長度的光纖實現高增益。

圖8是雙包層保偏鉺鐿共摻雜的大模場硅酸鹽玻璃光纖的截面。這種光纖具有纖芯尺寸大、數值孔徑小、非線性閾值高等特點。因此,盡管這種大模場增益光纖纖芯直徑比大多數市售類似的摻鉺光纖產品大得多,但由于其獨特的設計(NA <0.04),激光輸出的光束質量仍然可以保持幾乎衍射極限模式。

圖8 高摻雜硅酸鹽玻璃光纖橫截面圖

2018年,美國Advalue公司利用此種光纖,研制了首臺大脈沖能量硅酸鹽玻璃光纖脈沖光纖激光器。在傅里葉變換受限線寬極限下,其輸出單脈沖能量超過了1.8 mJ[9],如圖9所示。

(a)

這種玻璃光纖的獨特性在于其非常高的稀土離子摻雜,使其在很短的大模場增益光纖中產生高光學增益,輸出單模場的高能量激光脈沖。利用這種特殊的增益光纖組成的光纖激光器,大幅度提高了非線性光學效應的閾值,并保持高光束質量。但硅酸鹽玻璃光纖的熔點低于普通的石英光纖,在兩種光纖的高質量熔接工藝上還需開展進一步探索。

2.4 錐形光纖

隨著光纖激光振蕩器與放大器功率水平的不斷提升,諸如泵浦亮度、光纖熱損傷、光纖端面損傷、熱透鏡效應、模式不穩定以及各種非線性效應等限制高功率光纖激光功率提升的因素不斷顯現,光纖纖芯在較長尺度上變化的長錐形光纖受到關注。長錐形光纖由于其自身纖芯直徑隨長度變化的特點,在抑制SBS、SRS方面有先天的優勢。俄羅斯科學院、芬蘭坦佩雷理工大學、加拿大國家光學所相繼報道了長錐形光纖的理論研究以及在光纖激光振蕩器和放大器中的應用。

圖10為錐形光纖的結構示意圖。光纖輸入端為35/250 μm光纖,長度1m；中間的錐形部分為從250 μm到400 μm的錐形區,長度0.7 m；輸出端為56/400 μm光纖,長度1 m。35/250 μm光纖段的盤繞直徑的設計對于濾除高階模式和確保在錐形區域放大激光的最佳模式質量至關重要。

圖10 錐形光纖結構示意圖

2017年,俄羅斯科學院報道了一種反向泵浦的大模面積高摻鐿保偏錐形光纖新型放大結構[10]。放大信號在錐形光纖的窄端傳播而不進行放大,在錐形光纖的粗端獲得極高的增益。在這種情況下,可直接從放大器獲得高峰值功率。8 ps脈沖放大后峰值功率高達0.76 MW,繼續增長受到SRS的限制。28 ps啁啾脈沖可從放大器直接放大到0.35 MW的峰值功率,然后以70 %的效率壓縮到(315±10)fs,此時對應于22 MW的峰值功率。

由此可見,長錐形光纖作為高功率光纖激光系統中的增益介質,具有光束質量優良、可支持高峰值功率大脈沖能量的優點,雖然目前以空間耦合結構居多,在集成度和穩定性上有所欠缺,但具有面向高峰值功率、大脈沖能量、單頻窄線寬脈沖激光器的發展趨勢。

在高峰值功率納秒脈沖光纖激光器的研究方面,目前國內的相關研究主要集中于石英光纖放大器的研究,研究單位包括天津大學、國防科技大學、深圳大學等等,但是輸出激光的光束質量和光譜寬度無法滿足激光主動成像系統的要求。目前清華大學采用光子晶體光纖方案開展了相關研究。

2014年,天津大學報道了一種基于MOPA結構的納秒脈沖光纖激光器,經過多級放大后使用0.78 m纖芯內包層直徑為50/400的雙包層摻鐿光纖作為增益介質,在976 nm激光泵浦下,最終得到了脈寬3.3 ns,峰值功率709 kW,重復頻率10 kHz,單脈沖能量2.34 mJ的脈沖激光輸出,如圖11所示[11]。

(a)

2015年,國防科技大學報道了三級級聯MOPA結構的納秒脈沖光纖激光器。通過在功率放大級采用低數值孔徑的雙包層摻鐿光纖抑制激光放大過程中的SRS,實現了最大輸出功率736W、重復頻率1.9MHz、脈沖寬度6.47ns的激光輸出,對應單脈沖能量0.39mJ,峰值功率64kW,如圖12所示[12]。

(a)

2017年,深圳大學報道了一種基于MOPA結構直接調制種子源的1 μm脈沖光纖激光器,通過調節驅動電流脈沖進而控制輸出激光脈沖寬度、形狀以及重復頻率,結構如圖13所示。經過一級預放后使用7米長纖芯/內包層直徑為30/250 μm的摻鐿光纖作為增益介質,最終在80 ns的脈寬下得到了1.4 mJ的脈沖激光輸出,光束質量約為1.7,光光效率約為67 %[13]。

圖13 MOPA結構直接調制種子源的1 μm脈沖光纖激光器

2012年,清華大學報道了一種基于MOPA結構摻鐿光子晶體光纖作為增益介質的脈沖光纖激光器,如圖14所示。其在1063 nm重復頻率1.5 MHz,脈寬2 ns的條件下得到了88 W的平均功率,最大峰值功率為112 kW,半峰全寬小于0.065 nm,且得到了小于1.3的良好光束質量[14]。

圖14 MOPA結構摻鐿光子晶體光纖脈沖光纖激光器

國防科技大學基于大模場長錐形增益光纖特殊的結構設計和強泵浦吸收特性,實現了全光纖結構單頻光纖放大器中SBS、TMI和ASE等多重受限因素的綜合抑制,獲得了輸出功率達550 W高光束質量單頻光纖激光輸出[15],如圖15所示。

圖15 基于錐形光纖的高光束質量單頻光纖激光器

綜上所述,應用于激光三維成像系統的納秒脈沖光纖激光器通常采用MOPA結構,并依據功率放大級增益光纖區分其技術途徑。受限于非線性效應,商用脈沖光纖激光器(基于石英階躍折射率光纖)的單脈沖能量僅為0.1 mJ量級；若采用光子晶體、3C、磷酸鹽玻璃、錐形光纖等新型光纖,可將單脈沖能量提升至10 mJ量級,更好地滿足激光主動成像系統的應用需求。

3 發展與展望

以光子晶體光纖、CCC光纖、硅酸鹽玻璃光纖、錐形光纖等新型光纖為代表的光纖激光器各有特點,逐漸發展為實現mJ級脈沖光纖激光最有前景的技術路徑之一。未來的大能量短脈沖納秒光纖激光器致力于獲得結構簡單、模式穩定和抗環境干擾能力強等優點,作為三維成像激光雷達系統中的光源,具有廣闊的應用前景。