1、引言
光纖激光器具有輸出激光光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，并可以產(chǎn)生高重復(fù)頻率（千赫茲量級(jí)）、窄脈寬（納秒量級(jí)）脈沖，因此其作為光發(fā)射源在激光雷達(dá)、測(cè)距與成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前獲得納秒脈沖的主要方法有調(diào)Q和主振蕩功率放大（MOPA）兩種。其中在以單模半導(dǎo)體激光器為種子源的MOPA結(jié)構(gòu)中，可以靈活調(diào)節(jié)種子光源的重復(fù)頻率、脈沖寬度等參數(shù)，并進(jìn)行功率放大，是脈沖光纖激光器研究的熱點(diǎn)。2013年，Teodoro 等加載相位調(diào)制展寬單頻脈沖種子，由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW，1.55ns脈沖輸出；同年，Saracco等采用薄片納秒激光種子加大模場(chǎng)光纖放大獲得百千瓦峰值功率 1.5ns激光輸出。上述報(bào)道中MOPA放大級(jí)數(shù)較多，且功率放大級(jí)采用空間耦合方式，系統(tǒng)復(fù)雜，體積較大。2011年，周翠蕓等采用脈沖調(diào)制單模帶尾纖半導(dǎo)體激光器，全光纖放大獲得1030nm波長(zhǎng)峰值功率16kW，脈沖寬度6.53ns脈沖輸出。但是其采用寬光譜種子，放大后光譜展寬較嚴(yán)重，超過了激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中接收濾波器帶寬（約為1nm），導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)接收過程中有效脈沖能量降低，背景噪聲干擾加大。
為了滿足相干探測(cè)系統(tǒng)對(duì)光源的要求， 本文研究了窄線寬脈沖種子激光的全光纖放大特性，實(shí)現(xiàn)了窄線寬、高峰值功率的納秒級(jí)光纖激光器。該激光器系統(tǒng)采用直接脈沖調(diào)制的單頻半導(dǎo)體激光器為種子源，通過雙程光纖功率預(yù)放和優(yōu)化主放大光纖的長(zhǎng)度，獲得了光譜線寬為1.5GHz，峰值功率達(dá) 15kW 的脈沖激光輸出。該激光器作為發(fā)射光源可以提高探測(cè)接收效率，增強(qiáng)信號(hào)對(duì)比度，且為全光纖化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于小型化，應(yīng)用前景廣闊。
2、實(shí)驗(yàn)裝置
窄線寬、窄脈寬高峰值功率光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。電調(diào)制的分布反饋式單頻半導(dǎo)體激光器（DFB）作為種子源（連續(xù)輸出時(shí)線寬2MHz），中心波長(zhǎng)為 1064.12nm，輸出調(diào)制脈沖寬度為3.92ns。種子光經(jīng)過隔離器后進(jìn)入由環(huán)形器、光纖布拉格光柵（FBG）及單模摻鐿光纖（SM YSF）所構(gòu)成的一級(jí)雙程光纖預(yù)放大結(jié)構(gòu)，該 FBG（中心反射波長(zhǎng)為1064.68nm，反射譜半峰全寬為 1.65nm）只對(duì)信號(hào)光高反，殘余抽運(yùn)光和自發(fā)輻射放大（ASE）經(jīng)光柵濾除從另一端透射輸出。 其中，隔離器和環(huán)形器可以隔離后向傳輸?shù)墓猓Ｗo(hù)種子源，預(yù)放大級(jí)抽運(yùn)源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分復(fù)用器（WDM）耦合到單模摻鐿光纖中。信號(hào)光反射二次放大后經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入主放大級(jí)，主放大級(jí)抽運(yùn)源采用一個(gè)多模976nmLD，經(jīng)過（2+1）×1合束器與信號(hào)光一起耦合進(jìn)入雙包層摻鐿光纖（DC YDF），光纖纏繞直徑為10cm。摻鐿光纖輸出端熔接20cm無(wú)源輸出光纖，并在熔點(diǎn)處涂敷高折射率膠進(jìn)行抽運(yùn)濾除（PS）。主放與預(yù)放之間加入1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，之后加入2×2的 1：9 耦合器以監(jiān)測(cè)前、后向激光。預(yù)放光柵與主放激光輸出端面都切斜 8°角，避免端面的菲涅耳反射產(chǎn)生激光寄生振蕩。
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 種子源及雙程光纖預(yù)放
實(shí)驗(yàn)中種子源采用高速的MOSFET驅(qū)動(dòng)單模帶尾纖輸出的單頻DFB，得到納秒寬度、重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)的信號(hào)光輸出。 重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，調(diào)制DFB輸出光脈沖寬度3.92ns，平均功率為4.4μW。由于種子光功率較低，在放大過程中比較容易出現(xiàn)ASE，從而降低系統(tǒng)信噪比，影響放大器放大效率。實(shí)驗(yàn)中為抑制ASE，預(yù)放級(jí)通過環(huán)形器與光纖光柵實(shí)現(xiàn)單級(jí)雙程光纖放大，小信號(hào)經(jīng)過SM YSF放大后被FBG反射進(jìn)行二次放大，ASE則經(jīng)由FBG高透濾除。與之對(duì)比，保持其他條件不變，僅除去FBG和環(huán)形器，種子光經(jīng)過隔離器后與抽運(yùn)光通過WDM耦合進(jìn)入相同的SM YSF進(jìn)行直通放大，測(cè)量?jī)煞N情況下輸出激光光譜，如圖2所示。結(jié)果表明，雙程預(yù)放結(jié)構(gòu)輸出激光信噪比和功率都要明顯優(yōu)于直通結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了單模光纖對(duì)小信號(hào)的放大能力，并有效地抑制了強(qiáng)抽運(yùn)光下產(chǎn)生的ASE。
進(jìn)入主放之前，預(yù)放激光經(jīng)過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，功率達(dá)到4mW，小信號(hào)增益超過25dB。圖3給出了經(jīng)過主放光纖后輸出信號(hào)光功率隨抽運(yùn)功率的變化情況，當(dāng)主放入纖抽運(yùn)功率達(dá)到3.7W時(shí)，輸出激光功率為460mW，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為12.5%。隨著抽運(yùn)增大，輸出功率逐漸線性增長(zhǎng)，并未觀察到飽和現(xiàn)象。
濾除包層抽運(yùn)光后測(cè)量最高功率460mW時(shí)輸出激光光譜，中心波長(zhǎng)為1064.12nm，ASE較低，與信號(hào)光峰值強(qiáng)度相差約40dB，如圖4所示，右上角小圖是光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，半峰全寬（FWHM）為0.037nm，計(jì)算得光譜范圍1064.12±0.5nm內(nèi)信號(hào)光能量占總能量比例超過90%，高的光譜強(qiáng)度保證確保雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)可以充分接收信號(hào)光，并提高抗背景噪聲能力。實(shí)驗(yàn)中，通過控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)并未觀察到受激布里淵散射（SBS）與受激拉曼散射（SRS）等非線性現(xiàn)象。然而受限于測(cè)量所用光譜儀（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨極限值附近的光譜線寬測(cè)量并不準(zhǔn)確，下文將會(huì)討論使用F-P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)一步測(cè)量線寬。采用示波器（Teledyne LeCroy 610Zi）和高速光電探頭（Thorlab DET025AFC）測(cè)量輸出功率460mW時(shí)的激光脈沖序列與波形如圖5所示，插圖中藍(lán)色為種子脈沖波形，紅色為放大后脈沖波形。由圖5可知，放大后輸出激光脈沖穩(wěn)定，波形與種子脈沖形狀相比基本保持不變，但是脈沖后沿下降更快導(dǎo)致脈寬壓窄了約0.9ns。這是因?yàn)榧す夥糯筮^程中存在瞬態(tài)增益，脈沖前沿先于脈沖后沿到達(dá)增益光纖，提前消耗部分反轉(zhuǎn)粒子導(dǎo)致脈沖后沿增益略微減小，最終導(dǎo)致了脈沖寬度的壓縮。脈沖寬度由初始的 3.92ns經(jīng)放大光纖壓窄為3.06ns，對(duì)應(yīng)的脈沖峰值功率達(dá)到15kW，由于脈寬壓縮也導(dǎo)致峰值功率提高，可以增加激光雷達(dá)距離。采用PRIMES LQM-HP測(cè)得光束質(zhì)量因子M2為1.226，如圖6所示。
在單頻或者窄線寬數(shù)納秒脈沖光纖激光放大系統(tǒng)中，SBS 是閾值最低首先出現(xiàn)的非線性效應(yīng)，其產(chǎn)生的后向傳輸脈沖會(huì)被放大甚至由于峰值功率過高而破壞前級(jí)器件。針對(duì)SBS 抑制，研究人員提出了縮短光纖有效長(zhǎng)度、使用大模場(chǎng)面積光纖、相位調(diào)制、加溫度/應(yīng)力梯度、聲場(chǎng)剪切等方案。本實(shí)驗(yàn)中，由于激光線寬窄（放大后為 1.53GHz），且峰值功率較高，考慮到未來小型化應(yīng)用的目標(biāo)應(yīng)保證系統(tǒng)簡(jiǎn)便性，所以采用優(yōu)化光纖長(zhǎng)度的方案來抑制 SBS 產(chǎn)生，最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈沖激光輸出，但是較短的增益光纖長(zhǎng)度也導(dǎo)致了抽運(yùn)光吸收不充分，降低了放大級(jí)的光光轉(zhuǎn)換效率。
3.3 調(diào)節(jié)重復(fù)頻率
進(jìn)一步改變種子光脈沖重復(fù)頻率研究輸出激光特性。調(diào)節(jié)外部信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)頻率10~50kHz變化，間隔10kHz。由于單個(gè)DFB種子光脈沖寬度與強(qiáng)度由驅(qū)動(dòng)板充放電回路電流大小與放點(diǎn)時(shí)間決定，只改變重復(fù)頻率，種子脈沖波形、幅值、脈沖寬度與輸出光譜并無(wú)改變，種子光輸出平均功率隨重復(fù)頻率線性上升。保持主放級(jí)抽運(yùn)功率 3.7W不變，輸出激光功率與單脈沖能量變化情況如圖8所示。隨著重復(fù)頻率增加，信號(hào)光變強(qiáng)提取了更多抽運(yùn)光功率，導(dǎo)致輸出平均功率提高，但是在一定的抽運(yùn)強(qiáng)度下增益光纖中可提取的能量有限，并不能成倍隨重復(fù)頻率增加，因此單脈沖能量會(huì)減弱。此時(shí)輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率關(guān)系如圖9所示。重復(fù)頻率減小，脈沖寬度壓窄，且隨著重復(fù)頻率降低，脈沖寬度壓縮程度越嚴(yán)重。這種脈沖寬度變化趨勢(shì)由光纖放大器中瞬態(tài)增益的低頻響應(yīng)特性導(dǎo)致。瞬態(tài)增益導(dǎo)致脈沖峰值向前沿轉(zhuǎn)移，在相同抽運(yùn)功率下，低頻脈沖消耗更多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)會(huì)加大脈沖前后沿之間增益差別，從而進(jìn)一步窄化脈沖。
報(bào)道了吉赫茲量級(jí)窄線寬、高峰值功率的納秒全光纖MOPA結(jié)構(gòu)脈沖光纖激光器。實(shí)驗(yàn)中利用脈沖調(diào)制的單頻DFB 種子，經(jīng)兩級(jí)全光纖MOPA放大，預(yù)放大級(jí)采用雙程放大結(jié)構(gòu)，主放大級(jí)優(yōu)化長(zhǎng)度抑制SBS，獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈沖寬度3.06ns脈沖激光輸出，重復(fù)頻率10~50kHz連續(xù)可調(diào)。整個(gè)系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)、放大級(jí)數(shù)少，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，輸出激光線寬窄，譜亮度高，因此抗背景噪聲能力強(qiáng)，適用作相干探測(cè)系統(tǒng)的光源。（中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠蕓 劉源 楊燕 周軍）
光纖激光器具有輸出激光光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，并可以產(chǎn)生高重復(fù)頻率（千赫茲量級(jí)）、窄脈寬（納秒量級(jí)）脈沖，因此其作為光發(fā)射源在激光雷達(dá)、測(cè)距與成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前獲得納秒脈沖的主要方法有調(diào)Q和主振蕩功率放大（MOPA）兩種。其中在以單模半導(dǎo)體激光器為種子源的MOPA結(jié)構(gòu)中，可以靈活調(diào)節(jié)種子光源的重復(fù)頻率、脈沖寬度等參數(shù)，并進(jìn)行功率放大，是脈沖光纖激光器研究的熱點(diǎn)。2013年，Teodoro 等加載相位調(diào)制展寬單頻脈沖種子，由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW，1.55ns脈沖輸出；同年，Saracco等采用薄片納秒激光種子加大模場(chǎng)光纖放大獲得百千瓦峰值功率 1.5ns激光輸出。上述報(bào)道中MOPA放大級(jí)數(shù)較多，且功率放大級(jí)采用空間耦合方式，系統(tǒng)復(fù)雜，體積較大。2011年，周翠蕓等采用脈沖調(diào)制單模帶尾纖半導(dǎo)體激光器，全光纖放大獲得1030nm波長(zhǎng)峰值功率16kW，脈沖寬度6.53ns脈沖輸出。但是其采用寬光譜種子，放大后光譜展寬較嚴(yán)重，超過了激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中接收濾波器帶寬（約為1nm），導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)接收過程中有效脈沖能量降低，背景噪聲干擾加大。
為了滿足相干探測(cè)系統(tǒng)對(duì)光源的要求， 本文研究了窄線寬脈沖種子激光的全光纖放大特性，實(shí)現(xiàn)了窄線寬、高峰值功率的納秒級(jí)光纖激光器。該激光器系統(tǒng)采用直接脈沖調(diào)制的單頻半導(dǎo)體激光器為種子源，通過雙程光纖功率預(yù)放和優(yōu)化主放大光纖的長(zhǎng)度，獲得了光譜線寬為1.5GHz，峰值功率達(dá) 15kW 的脈沖激光輸出。該激光器作為發(fā)射光源可以提高探測(cè)接收效率，增強(qiáng)信號(hào)對(duì)比度，且為全光纖化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于小型化，應(yīng)用前景廣闊。
2、實(shí)驗(yàn)裝置
窄線寬、窄脈寬高峰值功率光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。電調(diào)制的分布反饋式單頻半導(dǎo)體激光器（DFB）作為種子源（連續(xù)輸出時(shí)線寬2MHz），中心波長(zhǎng)為 1064.12nm，輸出調(diào)制脈沖寬度為3.92ns。種子光經(jīng)過隔離器后進(jìn)入由環(huán)形器、光纖布拉格光柵（FBG）及單模摻鐿光纖（SM YSF）所構(gòu)成的一級(jí)雙程光纖預(yù)放大結(jié)構(gòu)，該 FBG（中心反射波長(zhǎng)為1064.68nm，反射譜半峰全寬為 1.65nm）只對(duì)信號(hào)光高反，殘余抽運(yùn)光和自發(fā)輻射放大（ASE）經(jīng)光柵濾除從另一端透射輸出。 其中，隔離器和環(huán)形器可以隔離后向傳輸?shù)墓猓Ｗo(hù)種子源，預(yù)放大級(jí)抽運(yùn)源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分復(fù)用器（WDM）耦合到單模摻鐿光纖中。信號(hào)光反射二次放大后經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入主放大級(jí)，主放大級(jí)抽運(yùn)源采用一個(gè)多模976nmLD，經(jīng)過（2+1）×1合束器與信號(hào)光一起耦合進(jìn)入雙包層摻鐿光纖（DC YDF），光纖纏繞直徑為10cm。摻鐿光纖輸出端熔接20cm無(wú)源輸出光纖，并在熔點(diǎn)處涂敷高折射率膠進(jìn)行抽運(yùn)濾除（PS）。主放與預(yù)放之間加入1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，之后加入2×2的 1：9 耦合器以監(jiān)測(cè)前、后向激光。預(yù)放光柵與主放激光輸出端面都切斜 8°角，避免端面的菲涅耳反射產(chǎn)生激光寄生振蕩。
圖1 脈沖激光MOPA放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 種子源及雙程光纖預(yù)放
實(shí)驗(yàn)中種子源采用高速的MOSFET驅(qū)動(dòng)單模帶尾纖輸出的單頻DFB，得到納秒寬度、重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)的信號(hào)光輸出。 重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，調(diào)制DFB輸出光脈沖寬度3.92ns，平均功率為4.4μW。由于種子光功率較低，在放大過程中比較容易出現(xiàn)ASE，從而降低系統(tǒng)信噪比，影響放大器放大效率。實(shí)驗(yàn)中為抑制ASE，預(yù)放級(jí)通過環(huán)形器與光纖光柵實(shí)現(xiàn)單級(jí)雙程光纖放大，小信號(hào)經(jīng)過SM YSF放大后被FBG反射進(jìn)行二次放大，ASE則經(jīng)由FBG高透濾除。與之對(duì)比，保持其他條件不變，僅除去FBG和環(huán)形器，種子光經(jīng)過隔離器后與抽運(yùn)光通過WDM耦合進(jìn)入相同的SM YSF進(jìn)行直通放大，測(cè)量?jī)煞N情況下輸出激光光譜，如圖2所示。結(jié)果表明，雙程預(yù)放結(jié)構(gòu)輸出激光信噪比和功率都要明顯優(yōu)于直通結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了單模光纖對(duì)小信號(hào)的放大能力，并有效地抑制了強(qiáng)抽運(yùn)光下產(chǎn)生的ASE。
圖 2 雙程與直通預(yù)放放大結(jié)構(gòu)輸出光譜對(duì)比關(guān)系
3.2 重復(fù)頻率10kHz
進(jìn)入主放之前，預(yù)放激光經(jīng)過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，功率達(dá)到4mW，小信號(hào)增益超過25dB。圖3給出了經(jīng)過主放光纖后輸出信號(hào)光功率隨抽運(yùn)功率的變化情況，當(dāng)主放入纖抽運(yùn)功率達(dá)到3.7W時(shí)，輸出激光功率為460mW，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為12.5%。隨著抽運(yùn)增大，輸出功率逐漸線性增長(zhǎng)，并未觀察到飽和現(xiàn)象。
圖 3 激光輸出平均功率隨抽運(yùn)功率變化
濾除包層抽運(yùn)光后測(cè)量最高功率460mW時(shí)輸出激光光譜，中心波長(zhǎng)為1064.12nm，ASE較低，與信號(hào)光峰值強(qiáng)度相差約40dB，如圖4所示，右上角小圖是光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，半峰全寬（FWHM）為0.037nm，計(jì)算得光譜范圍1064.12±0.5nm內(nèi)信號(hào)光能量占總能量比例超過90%，高的光譜強(qiáng)度保證確保雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)可以充分接收信號(hào)光，并提高抗背景噪聲能力。實(shí)驗(yàn)中，通過控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)并未觀察到受激布里淵散射（SBS）與受激拉曼散射（SRS）等非線性現(xiàn)象。然而受限于測(cè)量所用光譜儀（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨極限值附近的光譜線寬測(cè)量并不準(zhǔn)確，下文將會(huì)討論使用F-P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)一步測(cè)量線寬。采用示波器（Teledyne LeCroy 610Zi）和高速光電探頭（Thorlab DET025AFC）測(cè)量輸出功率460mW時(shí)的激光脈沖序列與波形如圖5所示，插圖中藍(lán)色為種子脈沖波形，紅色為放大后脈沖波形。由圖5可知，放大后輸出激光脈沖穩(wěn)定，波形與種子脈沖形狀相比基本保持不變，但是脈沖后沿下降更快導(dǎo)致脈寬壓窄了約0.9ns。這是因?yàn)榧す夥糯筮^程中存在瞬態(tài)增益，脈沖前沿先于脈沖后沿到達(dá)增益光纖，提前消耗部分反轉(zhuǎn)粒子導(dǎo)致脈沖后沿增益略微減小，最終導(dǎo)致了脈沖寬度的壓縮。脈沖寬度由初始的 3.92ns經(jīng)放大光纖壓窄為3.06ns，對(duì)應(yīng)的脈沖峰值功率達(dá)到15kW，由于脈寬壓縮也導(dǎo)致峰值功率提高，可以增加激光雷達(dá)距離。采用PRIMES LQM-HP測(cè)得光束質(zhì)量因子M2為1.226，如圖6所示。
圖 4 輸出激光光譜
圖 5 460mW輸出激光脈沖序列與波形
圖 6 460mW輸出激光M2因子
實(shí)驗(yàn)中，單頻DFB調(diào)制脈沖種子線寬極窄且已超過光譜儀分辨極限，因此采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具（Toptica FPI 100 4GHz）測(cè)量最高輸出峰值功率時(shí)激光線寬。圖7為放大激光 F-P掃腔光譜，F(xiàn)-P腔自由光譜范圍為4GHz，并且定義激光線寬為峰值強(qiáng)度一半處所對(duì)應(yīng)光譜范圍，因此測(cè)得激光線寬為10/26.1*4GHz=1.53GHz。
圖 7 放大激光F-P掃腔光譜
在單頻或者窄線寬數(shù)納秒脈沖光纖激光放大系統(tǒng)中，SBS 是閾值最低首先出現(xiàn)的非線性效應(yīng)，其產(chǎn)生的后向傳輸脈沖會(huì)被放大甚至由于峰值功率過高而破壞前級(jí)器件。針對(duì)SBS 抑制，研究人員提出了縮短光纖有效長(zhǎng)度、使用大模場(chǎng)面積光纖、相位調(diào)制、加溫度/應(yīng)力梯度、聲場(chǎng)剪切等方案。本實(shí)驗(yàn)中，由于激光線寬窄（放大后為 1.53GHz），且峰值功率較高，考慮到未來小型化應(yīng)用的目標(biāo)應(yīng)保證系統(tǒng)簡(jiǎn)便性，所以采用優(yōu)化光纖長(zhǎng)度的方案來抑制 SBS 產(chǎn)生，最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈沖激光輸出，但是較短的增益光纖長(zhǎng)度也導(dǎo)致了抽運(yùn)光吸收不充分，降低了放大級(jí)的光光轉(zhuǎn)換效率。
3.3 調(diào)節(jié)重復(fù)頻率
進(jìn)一步改變種子光脈沖重復(fù)頻率研究輸出激光特性。調(diào)節(jié)外部信號(hào)發(fā)生器觸發(fā)頻率10~50kHz變化，間隔10kHz。由于單個(gè)DFB種子光脈沖寬度與強(qiáng)度由驅(qū)動(dòng)板充放電回路電流大小與放點(diǎn)時(shí)間決定，只改變重復(fù)頻率，種子脈沖波形、幅值、脈沖寬度與輸出光譜并無(wú)改變，種子光輸出平均功率隨重復(fù)頻率線性上升。保持主放級(jí)抽運(yùn)功率 3.7W不變，輸出激光功率與單脈沖能量變化情況如圖8所示。隨著重復(fù)頻率增加，信號(hào)光變強(qiáng)提取了更多抽運(yùn)光功率，導(dǎo)致輸出平均功率提高，但是在一定的抽運(yùn)強(qiáng)度下增益光纖中可提取的能量有限，并不能成倍隨重復(fù)頻率增加，因此單脈沖能量會(huì)減弱。此時(shí)輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率關(guān)系如圖9所示。重復(fù)頻率減小，脈沖寬度壓窄，且隨著重復(fù)頻率降低，脈沖寬度壓縮程度越嚴(yán)重。這種脈沖寬度變化趨勢(shì)由光纖放大器中瞬態(tài)增益的低頻響應(yīng)特性導(dǎo)致。瞬態(tài)增益導(dǎo)致脈沖峰值向前沿轉(zhuǎn)移，在相同抽運(yùn)功率下，低頻脈沖消耗更多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)會(huì)加大脈沖前后沿之間增益差別，從而進(jìn)一步窄化脈沖。
圖 8 不同重復(fù)頻率下輸出脈沖能量與平均功率
圖 9 輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率關(guān)系
4、結(jié)論
報(bào)道了吉赫茲量級(jí)窄線寬、高峰值功率的納秒全光纖MOPA結(jié)構(gòu)脈沖光纖激光器。實(shí)驗(yàn)中利用脈沖調(diào)制的單頻DFB 種子，經(jīng)兩級(jí)全光纖MOPA放大，預(yù)放大級(jí)采用雙程放大結(jié)構(gòu)，主放大級(jí)優(yōu)化長(zhǎng)度抑制SBS，獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈沖寬度3.06ns脈沖激光輸出，重復(fù)頻率10~50kHz連續(xù)可調(diào)。整個(gè)系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)、放大級(jí)數(shù)少，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，輸出激光線寬窄，譜亮度高，因此抗背景噪聲能力強(qiáng)，適用作相干探測(cè)系統(tǒng)的光源。（中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠蕓 劉源 楊燕 周軍）
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