1 引言
超短脈沖激光由于具有高峰值功率、窄脈沖寬度、高重復頻率等特點，已經成為激光技術的一個重要研究方向。如今，在工業(yè)精細加工、精密測量、生物、醫(yī)療、光通信、軍事等各個領域，超短脈沖激光都發(fā)揮著無以替代的作用。以摻鐿光纖為增益介質的鎖模光纖激光器近年來發(fā)展迅猛，特別是進入20世紀80年代后期，隨著光纖技術的快速發(fā)展，以及大功率半導體激光器(LD)技術的不斷突破，鎖模光纖激光器，以其轉換效率高、散熱性能好、結構緊湊等優(yōu)點成為了激光技術研究和應用的熱點之一。
鎖模光纖激光器從技術層面主要分為主動鎖模和被動鎖模兩種。主動鎖模光纖激光器通常在腔內采用調制器件，這會產生腔體的附加損耗，由于調制器件多為非光纖元件，其引入難以實現(xiàn)全光纖化集成，制約了該技術的全光纖化發(fā)展；同時，主動鎖模容易受到外界環(huán)境，諸如溫度變化，機械振動，以及超模噪聲，諧振腔內偏振態(tài)起伏等因素的影響，需要很多復雜的技術來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結果是大大增加了系統(tǒng)的復雜性并提高了激光器的成本。反觀被動鎖模光纖激光器，由于結構簡單、性能穩(wěn)定、便于集成等優(yōu)點受到國內外很多科研機構的廣泛關注，并在通信、醫(yī)學、加工、傳感和探測等眾多領域得到了越來越廣泛的應用。
被動鎖模光纖激光器主要通過采用非線性光學環(huán)形鏡，非線性偏振旋轉和基于半導體可飽和吸收鏡等機制來實現(xiàn)。其中，基于半導體可飽和吸收鏡（SESAM）的被動鎖模技術由于具有設計靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定、自啟動等諸多優(yōu)點，同時，半導體可飽和吸收鏡在制備過程中可靈活控制調制深度、恢復時間、飽和通量等關鍵參數，并且根據需要可加工集成在光纖端頭上，便于全光纖化，因此，該類型被動鎖模光纖激光器在實際應用領域被廣泛關注。
本文采用主振蕩功率放大(MOPA)結構，利用基于半導體可飽和吸收鏡的鎖模光纖激光器作為種子源，通過三級放大實現(xiàn)了平均功率74.3W的被動鎖模光纖激光器。實驗中分析了種子源的不同狀態(tài)，以及這些狀態(tài)對放大級的影響，同時，通過重復頻率倍增系統(tǒng)，在增加重頻的同時，加之對放大級光纖長度的優(yōu)化，減小了非線性效應對輸出功率的影響。
2 實驗方案
圖1是實驗結構示意圖。整個激光器由五部分組成：被動鎖模光纖種子源、預放大器、重復頻率倍增系統(tǒng)、一級功率放大器、二級功率放大器。
該激光器的種子源是基于半導體可飽和吸收鏡(SESAM)線性腔結構的被動鎖模光纖激光器。種子源結構示意圖如圖2所示。泵浦源為帶尾纖的975nm半導體激光器，最大泵浦功率約550mW，其驅動源帶有溫控系統(tǒng)，可保證輸出波長的穩(wěn)定性為了防止泵浦源被回光損傷，在其末端熔接一個泵浦保護器。泵浦保護器的另一端與光纖布拉格光柵(FBG)熔接，泵浦光經光柵(FBG)注入諧振腔。該光柵(FBG)中心波長1063.4 nm，3dB帶寬0.15nm，反射率95%，作為腔內的一個反射鏡。光纖分束器OC一端連接光纖光柵，另一側70%分光端連接增益光纖，用于將泵浦光耦合進增益光纖，30%端用于激光輸出；增益光纖采用了2m長的高濃度單模摻鐿光纖，其在976nm處的吸收系數為1200dB/m，該光纖的另一端與SESAM的尾纖連接，實現(xiàn)諧振腔的閉合。根據SESAM的特性，腔內的強激光脈沖經尾纖匯聚在SESAM上，由于其對強脈沖吸收率低，反射后沿原路返回進增益光纖，弱激光脈沖由于SESAM吸收而被抑制，如此多次循環(huán)，強脈沖不斷被放大并最終輸出高強度窄脈寬脈沖序列。實驗中采用的是BATOP公司生產的吸收層為多量子阱結構的SESAM，高反區(qū)1010 ～ 1120nm，反射率大于40%，調制深度30%，飽和通量30μJ/cm2，非飽和吸收損耗15%，恢復時間為9 ps。OC輸出端連接的偏振控制器是一個光纖型偏振控制器件，其作用是為了調節(jié)激光的偏振態(tài)；之后連接一段0.55m的摻鐿光纖用于對多余的泵浦光進行吸收，末端連接的光纖隔離器(ISO)是防止放大級的回光損傷種子源。
預放大器的增益介質采用與種子源相同的高濃度單模摻鐿光纖，長度2.5m。泵浦源同樣采用550mW帶尾纖的975nm半導體激光器。為了防止光路中反向光打壞泵浦源，在泵浦源后熔接泵浦保護器。泵浦光通過WDM耦合入增益光纖，對種子光進行放大。在預放大級末端熔接光纖隔離器，防止回光損傷光路。之后的重頻倍增系統(tǒng)由分束器和無源光纖組成，其主要原理是通過精確計算脈沖間隔和延遲時間使得一個脈沖周期內的脈沖數量得以增加。
功率放大器分兩級結構，一級功率放大器采用的是Nufern公司生產10/130雙包層摻鐿光纖，泵浦源采用OCLARO公司生產的一只25W，中心波長975nm的半導體激光器；通過(2+1)×1合束器耦合入增益光纖，光纖的輸出端熔接大功率光纖隔離器。二級功率放大器采用的是Nufern公司生產25/250雙包層摻鐿光纖；為了提高功率，泵浦源采用了4只OCLARO公司生產的25W，中心波長975nm的半導體激光器，它們通過(6+1)×1光纖合束器耦合入增益光纖。增益光纖的末端熔接一段無源光纖，在熔接點出制作了泵浦傾瀉裝置，濾除未被吸收的多余的泵浦光；最終輸出端切8°斜角輸出。
3 實驗結果與分析
種子源的激光輸出特性隨著泵浦功率的增加會經歷不同的狀態(tài)。當泵浦功率未達到被動鎖模的閾值時，激光器無脈沖輸出，經實驗觀察，其一直處于連續(xù)波輸出階段；而當泵浦功率達到62.1mW閾值功率時，激光器瞬時進入穩(wěn)定的連續(xù)鎖模狀態(tài)，幅值穩(wěn)定無變化。經測量，其重復頻率16.80MHz，中心波長1063.6nm，光譜寬度0.908nm 脈沖形狀以及光譜形狀如圖3和圖4所示。
隨著泵浦功率的增加，當泵浦功率高于152mW時，光纖激光器會出現(xiàn)多脈沖調制現(xiàn)象，及諧波鎖模，如圖5所示。其具體表現(xiàn)為多個脈沖序列周期性的出現(xiàn)，但同一序列內的各脈沖幅值、脈寬各不相同，且相應的峰值不穩(wěn)定；并且隨著泵浦功率的不斷升高，變化的不穩(wěn)定性逐漸加劇，這種現(xiàn)象是鎖模脈沖的極不穩(wěn)定現(xiàn)象，是由半導體可飽和吸收鏡被深度飽和所引起的；此時，如果減小泵浦功率，降至152mW以下，種子源又能實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)經實驗研究，多脈沖調制現(xiàn)象對系統(tǒng)穩(wěn)定性和后續(xù)的功率放大是極其不利的，種子源輸出應避免這種狀態(tài)。同時，實驗發(fā)現(xiàn)，選用此腔型的種子源，從連續(xù)波狀態(tài)到鎖模狀態(tài)的過程中，激光器無調Q不穩(wěn)定現(xiàn)象出現(xiàn)，這一結構優(yōu)勢會極大地減少SESAM的損壞幾率，提高種子源的穩(wěn)定性。
圖6為連續(xù)波鎖模狀態(tài)下種子源輸出功率隨泵浦功率變化的曲線圖。從圖中可以看出，當泵浦功率未達到100mW 時，輸出功率隨著泵浦功率增大的幅度越來越大，在曲線上表現(xiàn)為斜率逐漸增大這是由于低泵浦功率的條件下，鎖模的模式隨著泵浦功率的增大而逐漸增多，使得輸出功率上升的速度加快。當泵浦功率大于100mW后，由于光纖光柵帶寬的約束，激發(fā)出的鎖模模式數不再增加，輸出功率便會隨泵浦功率的增加呈線性上升。最終當泵浦功率達到152mW時，種子源穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出功率為5.97mW，用自相關儀測得的脈沖寬度為7ps脈沖自相關軌跡如圖7所示。
在預放大級，輸出功率隨著泵浦功率的增大基本呈線性增加，當泵浦功率達到552mW 時，放大器實現(xiàn)最大平均功率173.4mW激光輸出，其輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖8所示。之后，激光器連接重復頻率倍增系統(tǒng)(f×4) ，將重復頻率從16.8 MHz增加到68MHz，脈沖序列圖如圖9所示。經過該系統(tǒng)的輸出功率為76.2mW。采用重復頻率倍增系統(tǒng)可以有效的增加重復頻率，降低光纖內激光峰值功率密度，減小甚至消除后級光纖放大中的非線性效應。
一級功率放大器采用10/130雙包層摻鐿光纖作為增益介質，輸出功率曲線如圖10所示。當泵浦功率增大到9.6W時，輸出功率達到3.56W由于該放大級采用了雙包層增益光纖，因此，通過光纖放大后，輸出端的光纖包層中會殘留有未被吸收的泵浦光，為了消除其影響，在輸出端制作了包層傾瀉裝置；同時，輸出光纖末端連接了光纖隔離器，作用是對放大級光路進行保護，防止回光損傷器件。
二級功率放大器采用了25/250雙包層摻鐿光纖，其輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，當泵浦功率較低時，輸出功率隨泵浦功率增加的速度會逐漸變大，即曲線斜率增大；當泵浦增大到一定范圍時，輸出功率隨泵浦功率的增加呈線性增加狀態(tài)。造成這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于LD溫度變化所引起。因為該放大級采用的泵浦源不帶溫控和波長穩(wěn)定系統(tǒng)，因此，當泵浦功率較低時，LD 并沒有工作在最佳波長附近，從而造成增益光纖對泵浦光的吸收效率偏低。但隨著驅動電流的不斷增大，泵浦功率不斷升高，LD的工作溫度也相應升高，輸出波長逐漸向最佳吸收峰976nm逼近，泵浦光的吸收效率也不斷增大，這就使得輸出功率隨泵浦功率增加的趨勢加快。當泵浦功率增大到一定范圍后，LD的波長便移動到976nm附近，此時，吸收效率基本保持不變，從而表現(xiàn)為輸出功率變化曲線的斜率保持不變。
最終，當泵浦功率增大到98.9W時，得到最大輸出功率74.3W，中心波長1063.4nm，重復頻率68MHz的鎖模激光輸出。通過光譜儀、示波器測得的鎖模脈沖的光譜圖和脈沖波形如圖12、13所示。從光譜圖中可以看出，除了有少量未被吸收的泵浦光外(輸出激光和泵浦光的峰值波長相差 27 dB)，輸出光譜波形穩(wěn)定良好，沒有出現(xiàn)受激布里淵散射(SBS)受激拉曼散射(SRS)等非線性效應引起的其他波段的光譜。同時，從示波器上顯示的脈沖波形狀態(tài)也很穩(wěn)定，重復頻率并沒有隨著高泵浦功率放大而產生變化。但從圖形中可以看出，脈沖波形的峰值有一定起伏，這主要是由于二級放大泵浦LD輸出功率和輸出波長的狀態(tài)變化造成的。因為該放大級采用的泵浦LD沒有波長鎖定功能，LD的輸出特性隨著驅動電流的不斷增大，輸出波長對應的輸出功率會產生非線性波動，這種變化必然會對激光脈沖的穩(wěn)定性產生影響。此外，整個系統(tǒng)工作過程中一直暴露在開放的實驗環(huán)境中，由于光路中的部分元器件對偏振有一定程度的依賴性，因此，外界環(huán)境，諸如振動、氣流等因素的變化容易引起偏振態(tài)的變化， 進而也會對輸出激光脈沖的峰值變化產生一定影響。所以，基于上述分析，若能將整個激光器系統(tǒng)處于相對密閉的工作環(huán)境中，并采用更加穩(wěn)定的泵浦源進行泵浦，相信輸出激光的脈沖波形將更加穩(wěn)定。
4 總 結
本文研究了MOPA結構的皮秒級鎖模脈沖光纖激光器。整個系統(tǒng)的種子源是基于SESAM的自啟動被動鎖模摻鐿光纖激光器，預放大器是采用高摻雜濃度單模摻鐿光纖構建的光纖放大器，經過重復頻率倍增系統(tǒng)和兩級雙包層摻鐿光纖放大器，實現(xiàn)了平均功率74.3 W，中心波長1063.4 nm，重復頻率68 MHz，脈沖脈寬7.0 ps的鎖模脈沖激光輸出實驗中無受激拉曼散射、受激布里淵散射等非線性效應產生。激光輸出的脈沖波形有一定波動，若能對種子源、增益光纖等器件采用密閉環(huán)境，同時采用更加穩(wěn)定的LD進行泵浦，將會提高鎖模脈沖的穩(wěn)定性。（固體激光技術重點實驗室 王雄飛，李堯，朱辰，張昆，張利明，張大勇，趙鴻）
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