2 μm大能量摻銩脈沖光纖激光器研究進展

鄭博文,楊 超,李永亮,李 鑫

(長春理工大學 光電工程學院,吉林 長春 130012)

1 引 言

光纖激光器具有轉化效率高、體積小、結構緊湊、溫度穩定性好等優點。銩離子發射光譜涵蓋1.7～2.1 μm,是產生2 μm波段激光高效的工作物質。2 μm波段激光對CO2,H2O,CH4等具有明顯的吸收峰[1-2],在生物醫療、非金屬材料加工、光通信等方面具有廣泛的應用前景。在生物醫療領域,水在1.94 μm處強烈吸收,摻銩光纖激光器可作為激光手術刀使用,可以快速凝固血液,對組織損傷小,止血效果好[3-6]。2 μm波段處在人眼安全波段,用2 μm激光進行眼科手術時,大大降低了手術風險。在非金屬材料加工領域,與近紅外波段光纖激光器相比,聚合物、透明玻璃等非金屬材料對2 μm波段激光具有較強的吸收作用[7],因此2 μm波段摻銩光纖激光器有著近紅外波段激光器無法取代的作用。在光通信領域,2 μm波段激光位于大氣傳輸窗口,2 μm波段激光在大氣中傳輸損耗較低,2 μm脈沖光纖激光器可以輸出大能量激光,能夠在大氣中進行遠距離激光通信[8-9]。2 μm脈沖激光還可以作為中紅外3～5 μm高效泵浦源[10],該波段可用于光電對抗等國防領域。

相較于連續激光,脈沖激光的峰值功率高、熱影響區小,因此具有更廣闊的應用前景。目前2 μm摻銩光纖振蕩器單脈沖能量能達到納焦量級,想要繼續提高單脈沖能量需要用到主控振蕩器的功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)結構。近些年,2 μm脈沖光纖激光器獲得的單脈沖能量不斷增大。2011年,北京工業大學劉江課題組[11]搭建了全光纖結構被動鎖模的摻銩皮秒脈沖光纖激光器,使用環形腔結構設計,實驗測出激光單脈沖能量為8 nJ。2017年香港大學Li Can[12]課題組,設計了短波長基本鎖模摻銩光纖激光器,隨后使用光纖啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)技術。實現了激光單脈沖能量為5.7 nJ的激光脈沖。2019年,馬來亞大學光子學研究中心H.Ahmad[13]課題組搭建出一種可飽和吸收體為ZnO的鎖模摻銩光纖激光器。產生的單脈沖能量為58.4 pJ。

綜上可以看出目前在2 μm波段使用脈沖摻銩光纖振蕩器來產生大能量脈沖是很困難的。我們可以使用調Q、耗散孤子共振鎖模、增益開關技術結合MOPA結構進行多級放大以達到毫焦量級的單脈沖能量輸出。

2 DSR鎖模摻銩脈沖光纖激光器

鎖模脈沖光纖激光器[14-16]輸出峰值功率高,但脈沖寬度窄,這就限制了鎖模脈沖光纖激光器輸出的單脈沖能量。但是利用耗散孤子共振[17-19](Dissipative Soliton Resonance,DSR)這一理論設計出的DSR鎖模脈沖光纖激光器可以輸出大能量激光脈沖。耗散孤子與以往的高斯型脈沖不同,其脈沖形狀與矩形相同,當泵浦功率不斷增高,其脈沖幅值會保持穩定不變。這種孤子不易分裂,在理論上其脈沖能量可無限疊加。輸出脈沖隨著泵浦功率的增加而線性變寬,但是輸出脈沖的峰值功率始終保持在一個水平,這會導致單脈沖能量一直增加,這是由于峰值功率箝位效應[20](Peak Power Clamping,PPC)引起的。

2016年,深圳大學的趙俊清等[21]在全異常色散的摻銩雙包層光纖激光器中產生納秒級耗散孤子共振(DSR),結構如圖1所示,利用兩級摻銩光纖(Thulium-doped Fiber,TDF)放大器將平均功率提高到100.4 W。用非線性光纖環鏡(Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM)實現了TDF振蕩器的DSR鎖模。TDF振蕩器能提供持續時間3.74～72.19 ns的矩形脈沖,同時保持幾乎相等的輸出峰值功率(0.65 W)。兩級放大器可以將脈沖擴展到相似的平均功率水平,但根據持續時間的不同,其峰值功率為0.94～18.1 kW。TDF主振蕩器功率放大器系統可以提供2 μm波段全光纖激光源,脈沖持續時間和峰值功率可調。

圖1 大功率DSR全光纖系統

2019年,深圳大學的鄭志堅等[22]搭建了在DSR下工作的全光纖9字腔鎖模雙包層摻銩光纖激光器。結構如圖2和圖3所示,用非線性放大環鏡技術(Nonlinear Amplification Loop Mirror,NALM)獲得穩定的矩形脈沖。輸出功率和脈沖能量通過三級MOPA系統進一步提高。在最大泵浦功率下,基于MOPA系統平均輸出功率可達104.3 W,脈沖能量為0.33 J。

圖2 DSR激光振蕩器

圖3 DSR的MOPA原理圖

DSR鎖模屬于被動鎖模的一種,在鎖模摻銩光纖激光器中,目前只有DSR鎖模光纖激光器能輸出毫焦量級的脈沖激光輸出。其輸出功率受到可用泵浦的影響,輸出能量進一步提高需增大泵浦功率。

3 增益開關摻銩脈沖光纖激光器

增益開關[23](Gain-Switch)技術通過對泵浦源電信號直接調制實現激光脈沖輸出。增益開關摻銩脈沖光纖激光器后接放大結構可以輸出大能量脈沖。

2010年,上海光學精密機械研究所的唐玉龍等[24]基于增益開關技術,實驗結構如圖4所示。使用Tm:YLF晶體[25]激光器實現了兩級摻Tm3+光纖激光器脈沖激光輸出。中心波長為2020 nm、脈沖重復頻率可從500 Hz～50 kHz進行調諧,脈沖寬度可從75 ns～1 μs進行調諧。最大脈沖峰值功率為138 kW、最大脈沖能量超過10 mJ。在一級放大系統中,峰值功率為10 kW,最大脈沖能量為4 mJ。在二級放大系統中,增加泵浦的功率直到端帽的端面被破壞。可以測得2 μm激光最大輸出功率為5.2 W,對應的脈沖能量為10.4 mJ。

圖4 組合增益開關Tm3+光纖激光器結構

2013年,國防科學技術大學的殷科等[26-27]基于增益開關技術搭建了全光纖結構摻銩二級MOPA激光器,輸出激光中心波長為1958 nm、重復頻率10 kHz、脈沖寬度為1.6μs、單脈沖能量為0.518 mJ。次年,基于增益開關技術結合兩級摻銩光纖放大器對激光進行放大,輸出激光中心波長為1979.4 nm、重復頻率20 kHz、峰值功率高于10 kW、脈沖寬度為82 ns、單脈沖能量為0.86 mJ。與上組實驗進行對比脈寬減小的原因是其減小了增益光纖的長度、增大了二級放大中光纖纖芯面積、增大了泵浦源的總功率。

2015年,國防科技大學的Li Lei等[28]采用大能量全光纖納秒摻銩二級MOPA光纖激光器。實驗結構如圖5所示,種子振蕩器是由1550 nm光纖激光器泵浦的線性偏振增益開關光纖激光器。在使用兩級雙包層光纖放大器以后,系統中心波長2050 nm,為重復頻率為40 kHz時,脈沖寬度為100 ns、峰值功率為10 kW、單脈沖能量為1 mJ。

圖5 摻銩MOPA系統原理圖

2022年,德國弗勞恩霍夫光電系統技術和圖像開發研究所的Dominik Lorenz等[29]研制了2047 nm的脈沖保偏(PM)三級MOPA光纖激光器,實驗如圖6所示,在重復頻率為50 kHz時,脈沖寬度為50 ns、單脈沖能量為396 μJ。

圖6 MOPA結構圖

表1為增益開關摻銩脈沖光纖激光器近年來在2 μm波段的主要成就。增益開關脈沖摻銩光纖激光器結合MOPA結構可產生大能量激光脈沖。但是它還有些不足之處,增益開關光纖激光器的調制深度通常會受到限制、增益開關光纖激光器在切換狀態時可能引入相位噪聲會導致激光輸出頻率的不穩定性和相位漂移、增益開關光纖激光器通常需要較高的功率來實現快速切換和調制。這可能導致較高的功耗和熱量產生,需要有效的熱管理系統來保持激光器的溫度穩定、增益開關光纖激光器的設計和制造相對復雜,需要高度精確的組件和控制系統。這可能導致成本較高,不適用于某些應用場景、由于增益開關光纖激光器的復雜性,其可靠性和使用壽命可能受到影響。特別是在高功率和快速切換的情況下,泵浦源的壽命可能會縮短。

表1 大能量增益開關摻銩脈沖光纖激光器主要成果(大能量)

4 調Q脈沖摻銩光纖激光器

通常使用主動調Q技術[30-32]和被動調Q技術[33-35]來對調Q脈沖摻銩光纖激光器進行調制,主動調Q技術的周期與外加場的周期相同并且可以通過外加場進行調諧,其調諧范圍通常來說比較大,激光脈沖的能量也比較大。被動調Q技術的周期與調Q晶體材料自身特性有關,通常不能調諧,脈沖能量比較小。

2003年,英國曼徹斯特大學物理和天文學系激光光子學研究組AshrafF.El-Sherif等[36]首次報導摻銩光纖激光器中使用電光調Q技術獲得脈沖激光。其重復頻率為70 Hz、最大峰值功率為3.3 kW、脈沖寬度為320 ns、單脈沖能量為2.5 mJ。

2013年,北京工業大學的劉江等[37]報導了半導體可飽和吸收反射鏡(SESAM)[38-40]被動調Q摻銩光纖激光器,使用兩級全光纖結構摻銩光纖放大器。MOPA系統中心波長為1966 nm、脈沖寬度為270 ns、單脈沖能量為100 μJ。

2013年,德國阿貝光子學中心的Fabian Stutzki等[41]報導了一種高脈沖能量和高平均功率聲光調Q 摻Tm3+光纖振蕩器,實驗裝置如圖7所示,振蕩器產生重復頻率為13.9 kHz、脈寬為15 ns、峰值功率超過150 kW、單脈沖能量為2.4 mJ。輸出激光光譜在最高能量脈沖下會出現兩個峰分別為1850 nm和1900 nm。

圖7 激光振蕩器示意圖

2014年,上海交通大學唐玉龍等[42]報導了由聲光調制器調制的窄帶脈沖激光器泵浦的兩級2 μm摻Tm3+光纖放大器。激光中心波長為1951 nm、重復頻率為50 kHz時,峰值功率為10 kW、單脈沖能量為1 mJ。脈沖寬度可從幾十ns調諧到幾百ns,光譜寬度為1.4 nm。

2018年,美國中佛羅里達大學的Ali Abdulfattah等[43]報導了一個2 μm MOPA光纖激光系統,實驗裝置如圖8所示。振蕩器是單模摻銩光纖,工作方式為聲光調Q。該系統脈沖寬度為114 ns,中心波長為1977 nm,產生了700 μJ的單脈沖能量。

圖8 高能摻銩MOPA結構圖

2021年,上海光學精密機械研究所的賀振興等[44]報導了一種基于聲光Q技術的2 μm波段全光纖高功率脈沖全保偏摻銩光纖激光器。實驗裝置如圖9所示,使用聲光調制器來調制激光器,后接二級摻銩光纖放大器,獲得了中心波長2009.71 nm,峰值功率為2.1 kW、脈沖能量大于204 μJ。

圖9 MOPA結構示意圖

調Q脈沖摻銩光纖激光器能夠產生毫焦量級的脈沖激光,但是在產生大能量激光的同時光纖內易產生非線性效應,實驗時應多加注意。有些應用需要線偏振大能量光,所以光纖應選用保偏光纖。保偏光纖非線性效應閾值低于正常光纖更容易產生非線性效應。如何減小保偏光纖非線性效應帶來的影響是目前研究的一個熱點。表2為調Q脈沖摻銩光纖激光器近年來在2 μm波段的主要成就。

表2 調Q摻銩脈沖光纖激光器主要成果

5 總結與展望

在目前的研究中,由于鎖模的機制,不易產生大能量的激光。DSR鎖模不同于其他的鎖模技術,在理論上其脈沖能量可以達到無限疊加。在DSR鎖模脈沖摻銩光纖激光系統中,多用NOLM和NALM作為可飽和吸收體,其損傷閾值高、環境穩定性高、易啟動。

在增益開關光纖激光器系統中,盡管增益開關光纖激光器具有某些優勢,但也存在一些技術限制和不足之處。這些限制需要在特定應用中進行考慮,并根據需求評估是否選擇增益開關光纖激光器作為合適的實驗方案。在調Q光纖激光器系統中,目前常用聲光調Q技術獲得大能量脈沖光,我們可以用聲光調Q脈沖摻銩光纖激光器為種子源,后接功率放大系統繼續對大能量脈沖光進行放大。近些年激光器光纖多選用PM光纖,與常規光纖相比,PM光纖更易發生非線性效應,例如受激拉曼散射、受激布里淵散射,因此更難進行調制。可以通過增加光纖的線寬、減小增益光纖的長度、增加增益光纖的芯徑、減少熱負載等來減弱光纖非線性效應。