主动调Q掺铥双包层光纤激光器

杜戈果，张灵聪，赵俊清，闫培光，郭春雨

深圳市激光工程重点实验室先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室深圳大学电子科学与技术学院，深圳518060

光纤激光器以其光束质量好、优良的散热性能、可靠的稳定性及结构紧凑等优点，成为企业和学界研究的热点［1］.包层泵浦技术诞生后，高功率的光纤激光器成为可能，其在工业应用领域，如打标、切割和焊接等方面，有取代传统灯泵浦和半导体泵浦固体激光器的趋势.铥 (thulium，Tm)有丰富的能级结构，利用其上转换效应，可获得470、650及800 nm波段的激光输出［2-4］.掺铥光纤具有宽的荧光光谱，可获得1 650～2 150 nm的激光输出［5］.工作波长在1.5～2.0 μm的近红外激光器被认为是最有前景的光源之一［6］，其中，2 μm波段激光可用于外科手术、超低损长距离通讯和非线性频率转换等领域，因此研究2 μm波段的掺铥光纤激光器受到广泛关注［7-9］.本研究以790 nm半导体激光器作为泵浦源，采用4 m长的掺铥双包层D型光纤，搭建调Q掺铥光纤激光器，并获得脉冲激光输出.讨论了在阈值入纤功率附近形成1/2、1/3调制频率脉冲，以及在较大泵浦功率时形成多脉冲的原因.

1 实验

实验装置如图1.泵浦源的最大输出功率为24 W，中心波长为790 nm.泵浦光经由一个1.0∶0.8的双透镜耦合系统，和一个790 nm高透、2 μm高反的二色镜耦合进入光纤，光斑直径约为320 μm.所用光纤为掺铥双包层D型光纤，长度4 m，纤芯直径为20 μm，数值孔径 (numerical aperture，NA)为0.17;内包层直径为300 μm，NA为0.4;外包层和涂敷层直径分别为353 μm和459 μm;对790 nm信号光的吸收系数为2.2 dB/m.光纤后端面用宝石刀切出8°角以抑制光纤端面的菲涅尔反射.采用10倍的显微物镜准直，使输出的2 μm激光成为平行光.声光调制器 (acoustic-optical modulator，AOM)置于显微物镜和输出镜之间，两表面均镀有2 μm高透膜，透过率大于99.6%，重复频率在0.1～50.0 kHz可调.输出镜对790 nm高反，对2 μm激光的透过率为50%.

图1 实验装置图Fig.1 The schematic diagram of the experiment

实验所用测量仪器有:功率计、示波器 (Tektronix，型号为TDS3032B)、傅立叶变换红外光谱仪(Bruker，型号为Tensor27)、InGaAs探测器 (Electro-optics technology，型号为ET-5000).

2 结果及讨论

当未启动声光调制器时，激光器的输出功率随入纤功率的变化曲线如图2.当入纤功率达到1.5 W时，开始出现2 μm激光.入纤功率为9.17 W时，最大输出功率为1.7 W，光－光转换效率为18.5%.由图2可见，输出功率基本呈线性增加，斜率效率为22.3%，效率较低.研究认为，原因之一在于使用宝石刀切割光纤端面不能保持很好的平整性，影响激光在腔内的振荡;另外，准直物镜的各个镜片都没有镀增透膜，致使腔内损耗增加.

图2 输出功率随入纤功率的变化Fig.2 Output power as a function of the launched pump power

图3为激光器的输出光谱，中心波长位于2 015 nm，谱线宽度为5 nm.通过一个790 nm的高反镜片观察光纤，在泵浦端附近，可以发现明亮的蓝光.这是由于泵浦端的功率密度较高，一部分泵浦光在光纤内发生上转换，产生上转换光谱.

图3 激光器输出光谱Fig.3 The spectrum of the laser

声光调制器工作时，应该对激光器进行适当调节，使调制器达到最大衍射效率，但这会使激光器的输出功率有所降低.激光器在30～50 kHz可得到稳定的脉冲.图4为不同重复频率下输出功率随入纤功率的变化情况.由图4可见，在不同重复频率下的输出功率随入纤功率的增加都呈现线性增大趋势.当入纤功率相同时，频率越高则输出功率越大.当入纤功率为9.17 W、重复频率为50 kHz时得到最大输出功率为1.26 W，光－光转换效率为13.7%.

图4 不同重复频率下输出功率与入纤功率的关系Fig.4 Output power versus the launched pump power in different frequencies

图5为不同频率下的单脉冲能量随入纤功率的变化情况.在同一频率下入纤功率越大则脉冲能量越高;同一入纤功率下，频率越低则脉冲能量越高.因此，为获得大的脉冲能量，应提高激光器的泵浦效率，并且使其工作在低频.由图5可见，当入纤功率9.17 W、重复频率为30 kHz时，得到最大的脉冲能量为40 μJ.

图5 不同频率下的单脉冲能量与入纤功率的关系Fig.5 The relationship of pulse energy and launched pump power in different frequencies

图6(a)和 (b)分别是入纤功率9.17 W、重复频率为50 kHz时的脉冲序列和单脉冲波形.当入纤功率超过10 W，或者声光调制器的调制频率小于30 kHz时，脉冲开始变得不稳定，如图7.主脉冲旁边开始出现一些小脉冲.这是由于入纤功率增大，使更多粒子跃迁到上能级，声光调制器不能完全关断激光器，导致输出一些小脉冲;同时，降低调制频率意味着更长的储能周期，在声光调制器关断时将产生更多的脉冲.

图6 输出激光时域波形Fig.6 Temporal trace of the output laser

图7 不稳定的脉冲序列Fig.7 The unstable pulse trains

在调制频率50 kHz、入纤功率下降到3.5 W时，观察到了1/2的重复频率，即25 kHz，如图8(a);继续降低入纤功率到2.8 W时又得到1/3的重复频率，如图8(b).此现象仅在激光阈值附近产生，其原因在于，当入纤功率较低时，腔内损耗大于增益，在一个储能周期内上能级粒子数较少，不能实现粒子数反转，所以需要大于一个周期的储能时间让上能级粒子数聚集，并足以保证腔内增益大于损耗，从而辐射出激光.因此，脉冲的产生周期为调制周期的2倍或3倍，甚至4倍，也就是脉冲的重复频率是调制频率的1/2或1/3.据文献检索，这是国内首次在调Q的掺铥光纤激光器中观察到此现象.2008年王蓟等［10］在铒镱共掺调Q光纤激光器也曾观察到此现象.

图8 1/2及1/3重复频率脉冲序列Fig.8 Pulse trains with 1/2 and 1/3 modulation frequency

结 语

研究调Q掺铥光纤激光器，以790 nm半导体激光器作为泵浦源，采用4 m长的掺铥双包层D型光纤作为增益介质，实验获得波长为2 015 nm.谱线宽度为5 nm的激光输出.测量了不同调制频率下输出功率和脉冲能量随入纤功率的变化情况，在入纤功率为9.17 W、重复频率为50 kHz时得到最大输出功率为1.26 W，脉冲宽度为541 ns;重复频率为30 kHz时获得最大脉冲能量为40 μJ.在入纤功率较低时，由于激光器需要更长的储能周期，因此出现重复频率分别为调制频率1/2和1/3的激光脉冲;在入纤功率较高或重复频率较低时，观察到多脉冲现象.光纤端面质量直接关系到整个激光器的工作效率，下一步我们将进一步优化光纤端面质量，提高光－光转换效率和斜率效率.

致谢:衷心感谢阮双琛教授的悉心指导.

/References:

［1］ DU Ge-guo，HU Hui，YAN Pei-guang，et al.Experimental study on tunable thulium-doped double-cladding fiber laser［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2011，28(2):105-108.(in Chinese)杜戈果，胡 辉，闫培光，等.可调谐掺铥双包层光纤激光器实验研究 ［J］.深圳大学学报理工版，2011，28(2):105-108.

［2］ Qin G，Huang S，Feng Y，et al.Power scaling of Tm3+-doped ZBLAN blue upconversion fiber lasers:modeling and experiments［J］.Applied Physics B:Lasers and Optics，2006，82(1):65-70.

［3］ Simpson D A，Gibbs W E K，Collins S F，et al.Visible and near infra-red up-conversion in Tm3+/Yb3+co-doped silica fibers under 980nm excitation ［J］.Optics Express，2008，16(18):13781-13799.

［4］ Dennis M L，Dixon J W，Aggarwal I.High power upconversion lasing at 810nm in Tm:ZBLAN fibre［J］.Electronics Letters，1994，30(2):136-137.

［5］ DU Ge-guo，LI Da-jun，ZHANG Min，et al.LD-pumped 6W cw Tm3+-doped silica double-cladding fibre laser［J］.Chinese Physics Letters，2008，25(3):957-959.

［6］ Jackson S D.Passively Q-switched Tm3+-doped silica fiber lasers［J］.Applied Optics，2007，46(16):3311-3317.

［7］ YANG Kun，REN Qiu-shi，WEI Shi-gang，et al.Application of 2μm Tm Laser on biomedicine［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2005，42(9):52-56.(in Chinese)杨 昆，任秋实，魏石刚，等.2μm铥 (Tm)激光器在生物医学中的应用 ［J］.激光与光电子学进展，2005，42(9):52-56.

［8］ ZHAO Jun-qin，DU Ge-guo，ZHANG Ling-cong，et al.Experimental studies on double-end pumped thulium doped fiber laser［J］.Applied Laser，2011，31(4):332-337.(in Chinese)赵俊清，杜戈果，张灵聪，等.双端泵浦掺铥光纤激光器的实验研究［J］.应用激光，2011，31(4):332-337.

［9］ El-Sherif A F，King T A.Analysis and optimization of Q-switched operation of a Tm3+-doped silica fiber laser operating at 2μm ［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，2003，39(6):759-765.

［10］ WANG Ji，WANG Guo-zheng，LIU Yang，et al.All-fiber acousto-optic Q-switched Er3+/Yb3+co-doped doublecladding fiber lasers［J］.Chinese Journal of Luminescence，2008，29(6):1018-1022.(in Chinese)王 蓟，王国政，刘 洋，等.全光纤声光调Q铒镱共掺双包层光纤激光器 ［J］.发光学报，2008，29(6):1018-1022.