高重频风冷声光调Q光纤激光器实验研究

陈鹏飞，伍　波，沈琪皓，何幸锴

(西南技术物理研究所, 成都 610041)

高重频风冷声光调Q光纤激光器实验研究

陈鹏飞，伍波*，沈琪皓，何幸锴

(西南技术物理研究所, 成都 610041)

摘要：为了实现功率稳定的风冷高重频脉冲光纤激光器，采用主振荡功率放大结构，对声光调Q的全光纤激光器进行了研究。振荡级采用声光调Q方案，以光纤光栅对为激光器腔镜，915nm激光二极管连续抽运，得到了中心波长1064nm、重复频率10kHz到130kHz可调的激光脉冲输出。采用两级大模场双包层光纤放大，实现了平均功率101W、脉冲宽度328.1ns、3dB光谱宽度0.6nm的激光输出。第二放大级光光转换效率69%，激光器总光光转换效率达62.7%。分析了声光调Q产生的宽种子光脉冲经放大后发生波形畸变的原因。结果表明，采用915nm抽运波长提高了激光器输出激光功率稳定性，在风冷的情况下输出功率长期稳定性优于2%。

关键词：激光技术；全光纤激光器；主振荡功率放大；声光Q开关；功率稳定性

*通讯联系人。E-mail:147448024@qq.com

引言

脉冲光纤激光器根据其脉冲形成原理可分为调Q光纤激光器、锁模光纤激光器以及增益调制激光器[1-2]。调Q技术通过在谐振腔内插入电光或声光调Q器件产生激光脉冲，是一种获得几十到几百纳秒脉冲输出的主要技术手段。近年来，国内外关于脉冲宽度为纳秒量级的1064nm波长全光纤声光调Q光纤激光器的报道相对较多。1999年，OFFERHAUS等人采用声光调Q方案，获得了重复频率500Hz、单脉冲能量2.3mJ的脉冲输出[3]。2002年，LIMPERT等人采用调Q的Nd∶YAG薄片激光器作为种子源，实现了波长1064nm最大平均功率100W的放大激光输出，当重复频率为50kHz时，单脉冲能量2mJ，脉冲宽度90ns[4]。2010年，LECOURT等人用主动调Q的方式获得了10ns的脉冲输出[5]。2011年美国的IPG公司报道了最大输出平均功率200W、能量10mJ的调Q脉冲光纤激光器。国内早期采用空间耦合方式获得调Q脉冲输出。2006年上海光学精密机械研究所采用空间抽运耦合主振荡功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)结构，在重复频率为100kHz时得到了平均功率为133.8W的声光调Q激光脉冲输出[6]。随着大功率光纤合束器的发展，到2009年出现了采用全光纤结构的大功率掺Yb3+脉冲光纤激光器[7]。2011年，华北光电技术研究所报道了全光纤结构主振荡功率放大掺Yb3+脉冲光纤激光器，以光纤光栅为腔镜，光纤型声光调Q的光纤激光器为种子源，通过两级放大后得到了平均功率102.5W、脉冲宽度约240ns的激光输出，光光转换效率为60%[8]。2012年，国防科学技术大学报道了平均输出功率为62W、脉宽157ns的全光纤型调Q脉冲光纤激光器[9]。2013年，北京理工大学报道了全光纤化高功率线偏振掺镱脉冲光纤激光器，利用全光纤化声光调Q光纤激光器作为种子源，通过保偏放大获得了偏振输出功率29.8W[10]。上述文献中对光纤调Q理论和振荡及放大实验方法报道较多，但是没有对激光器的功率稳定性分析以及对放大前后脉冲波形变化的比较分析。

本文中报道了全光纤声光调Q光纤激光器，采用主振荡功率放大方案，通过两级正向抽运放大获得了重复频率120kHz、平均功率101W、脉冲宽度328.1ns、光束质量为1.6、风冷条件下长期功率稳定性小于2%的激光输出，并分析了实验中声光调Q产生的宽种子光脉冲经放大后发生波形畸变的原因。

1调Q激光器的理论分析

调Q的基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗δ(或Q值)依据规定的程序变化，刚开始抽运时，把激光器内的损耗调高，此时由于激光器阈值高而不能产生激光振荡，亚稳态上的粒子数得到积累，在积累到一定程度，迅速调低激光腔内的损耗，阈值也突然降低，这时反转集居数大大超过阈值，受激辐射迅速的增强[11]。即在极短时间内上能级储存粒子的能量转变为激光辐射的能量，在输出端输出一个极强的激光巨脉冲。根据激光腔内工作物质的粒子数和腔内光子数变化建立速率方程[12]：

(1)

(2)

式中，Δn是反转粒子数密度，δ为激光腔内损耗，φ为腔内光子数，Δnth是反转粒子数密度阈值。

在t=tp时刻，反转粒子数降至Δnth，这时激光腔内的光子数达到最大值Nmax，此时输出功率为最大Pmax，速率方程变为:

(3)

初始光子数和调Q脉冲开始时的反转粒子数密度分别用Nin和Δnin表示，将上式积分得[13]:

(4)

(5)

当Δn=Δnth时，N达到最大值Nmax，此时输出功率为最大值Pmax。由于Nin≪Nmax，(5)式变为:

(6)

峰值功率Pmax为:

(7)

对于声光调Q激光器峰值功率Pmax、脉冲重复频率f、脉冲宽度τ以及平均功率Pave的关系式为:

(8)

对掺Yb3+脉冲光纤放大器的分析通常通过二能级粒子数速率方程和抽运光、信号光功率传输方程的数值计算得到。在输入种子光功率较强的情况下，放大自发辐射(amplifiedspontaneousemission,ASE)的影响较小。放大级增益光纤长度根据增益光纤对抽运光的吸收系数进行优化。通常增益光纤对抽运光的总吸收系数达到10dB时，吸收效率可以达到90%。并且由于掺Yb3+光纤对1064nm波长信号光的吸收系数较低，在不引起非线性效应的前提下，放大级中可以使用较长的增益光纤。

2实验装置

脉冲光纤激光器实验装置如图1所示，采用主振荡+2级功率放大方案。振荡级谐振腔以一对光纤布喇格光栅(fiberBragggrating,FBG)为腔镜，光纤光栅对的纤芯直径为10μm，中心波长1064nm，反射率R分别为99.5%和10.1%。振荡腔中插入一只光纤型声光(acousto-optic,AO)Q开关实现调Q脉冲输出，Q开关的上升时间大于100ns。谐振腔中采用10μm/130μm大模场掺Yb3+光纤(largemodearea-Yb3+doped

Fig.1　Experimental setup of the pulsed fiber laser

fiber,LMA-YDF)为增益介质，该光纤对915nm波长吸收系数为1.35dB/m，在采用915nm波长LD抽运时光纤长度优化为约10m。谐振腔中采用自制的功率剥除器泄露包层中剩余抽运光，避免剩余抽运光损坏声光Q开关。种子光通过(2+1)×1光纤合束器的信号输入端耦合到第一放大级。第一放大级采用的15μm/130μm大模场掺Yb3+光纤为增益介质，长度优化为约8m。第1级放大器通过自制的功率剥除器泄露包层中剩余抽运光后，注入到第二放大级。第二放大级信号与抽运光输入采用(6+1)×1光纤合束器，合束器信号输入端光纤为25μm/250μm，与第一放大级输出光纤不匹配。为了不影响注入光束的光束质量和功率稳定性，在(6+1)×1合束器前端接入了15μm/130μm光纤到25μm/250μm光纤的模场匹配器。第2级放大器采用25μm/250μm大模场掺Yb3+光纤为增益介质，长度优化为7m。第二放大级激光通过功率剥除器滤除剩余抽运光后输出，输出端切8°斜角。实验中均采用915nm波长大功率激光二极管(laserdiode,LD)为抽运源。相比于976nm波长抽运，掺Yb3+光纤对915nm波段的吸收谱线更宽。因此在不采用精确温控的情况下，光纤激光器的输出功率不易受到抽运LD波长随温度漂移的影响，输出功率稳定性更高。

3实验结果与分析

3.1　振荡级脉冲种子光输出

实验中以915nm波长LD为抽运源，研究振荡级在不同输入抽运功率和重复频率下的输出特性。图2为抽运功率分别为8.3W和9.7W时不同重复频率的激光输出特性曲线。从图中可知同一重复频率时激光输出功率随着抽运功率的增加而增大，当抽运功率一定时，激光平均输出功率随着脉冲重复频率的增加而逐渐减小，这是因为随着重复频率的增加，声光Q开关工作周期变短，在抽运功率不变的情况下腔内光子在一个声光Q开关周期内积累的数量变少。

Fig.2　Average output power vs.repetition rate at different pump power

当抽运功率为9.7W、重复频率为120kHz时,实现了平均功率2.95W、脉冲宽度264ns、3dB光谱宽度0.32nm、中心波长1064.96nm的振荡级激光输出。图3a和图3b中分别为振荡级激光输出的脉冲波形和光谱。从图3a可知，振荡级输出的调Q脉冲波形不光滑。输出脉冲宽度可以通过缩短振荡级腔长减小，但是由于振荡级使用的声光Q开关上升时间大于100ns，缩短腔长对减小脉冲宽度的效果有限，并且减小增益光纤的长度会导致输出功率的下降，因此在振荡级实验中最后采用了264ns脉冲宽度。

Fig.3　Pulse shape and optical spectrum of oscillator

3.2　第一放大级激光输出

以振荡级输出的重频120kHz、脉宽264ns、平均功率2.95W的脉冲激光为第一放大级的种子光。没有抽运光注入时，直接通过第一放大级的平均功率为2.4W。一级放大后的激光输出功率与抽运功率的关系如图4所示。从图4可知，激光输出功率与抽运注入功率呈线性关系，未出现饱和现象，继续增加抽运注入功率，激光输出功率将会进一步增大。当抽运注入功率为34.4W时激光输出平均功率为24.1W。图5为第一放大级输出的脉冲波形。在逐渐增加抽运功率的过程中，发现输出激光脉冲的下降沿率先变得平滑而后上升沿会出现小的突起或尖刺，整个放大过程中脉冲先被压窄而后被展宽，这是在放大过程中脉冲的下降沿被压缩而上升沿被展宽的综合效应与种子光脉冲不平滑共同作用的结果。

Fig.4　Average output power vs. pump power of the first amplifier

Fig.5　Pulse shape of the first amplifier

3.3　第二放大级激光输出

第二放大级没有抽运光注入时，直接输出的平均功率为19.8W。第二放大级激光输出功率与抽运功率的关系如图6所示。从图6可知，激光输出功率与抽运注入功率呈线性关系，并未出现饱和。第2级放大器注入抽运功率为117W时，放大激光平均输出功率为101W，相应的光光转换效率达69%，光纤激光器总的光光转换效率达62.7%。

Fig.6　Average output power vs. pump input power of the second amplifier

激光器采用风冷的温控方式，增益光纤缠绕后紧贴金属板，抽运LD涂抹导热脂后固定在热沉上，在这样的条件下激光器工作2s后输出趋于稳定，8h监测，测量激光器长期功率稳定性优于2%。用光束质量仪测量输出激光的光束质量为1.6。

在输出激光功率为101W、重复频率120kHz时,测量脉冲宽度约为328.1ns。使用光谱仪测量输出脉冲激光光谱，输出激光中心波长1064.9nm，光谱宽度为0.6nm。激光输出脉冲波形和光谱如图7所示。

在增大抽运功率的过程中发现,激光脉冲波形在上升沿一侧逐渐出现凸起，并随着输出功率的增大而变得尖锐。继续增加抽运功率，输出脉冲波形出现多个尖锐波峰，如图7a所示。上述现象与第一放大级的输出脉冲波形变化情况相同，只是由于注入抽运功率远大于第一放大级，导致输出脉冲波形上升沿的变化更加明显。这是由于注入的调Q脉冲波形不平滑，而且在未饱和放大前提下，随着抽运功率的增大，放大级增益光纤内储能增加，种子光脉冲通过放大级时上升沿首先被放大，上能级粒子数因为被消耗而迅速减少，随后又会因抽运的抽运而快速增多，准备参与下一次的放大，并且抽运功率越大,上能级粒子数增加得越快。种子脉冲上升沿越宽越不平滑，脉冲在放大过程中出现的波峰个数将会越多。

Fig.7　Pulse shape and optical spectrum of laser output

4结论

设计了全光纤结构的风冷脉冲光纤激光器装置，振荡级采用声光调Q方案，输出激光脉冲重复频率10kHz到130kHz可调。以120kHz重复频率、脉冲宽度264ns、平均功率2.95W的振荡级输出为种子光，经过两级正向抽运放大后获得了功率为101W、脉冲宽度为328.1ns、光谱宽度为0.6nm的激光输出。光纤激光器总的光光转换效率达62.7%，光束质量为1.6，8h内监测输出功率稳定性小于2%。

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Experiment research of high repetition rate acousto-optic

Q-switched fiber laser under air cooling

CHENPengfei,WUBo,SHENQihao,HEXingkai

(Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)

Abstract：In order to obtain the air cooling high repetition fiber laser with stable power, an acoustic-optical Q-switched all-fiber laser with master oscillator power amplifier structure was studied. The oscillator used the scheme of acousto-optic Q-switched with a pair of fiber Bragg grating as laser cavity mirrors. Pumped by 915nm laser diodes, 1064nm laser pulse output was acquired with adjustable repetition rates from 10kHz to 130kHz. Through two-stage double clad large mode area fiber amplifier, 101W output power was obtained with 328.1ns pulse width. The 3dB optical spectrum width of fiber laser was 0.6nm. Optical-optical efficiency of the second amplifier stage was 69%. The total optical-optical efficiency of laser was 62.7%. The distortion cause of long width seed pulse created by acousto-optic Q-switched through the amplification was studied. The experimental results show that pumped by 915nm laser diodes, the long-term stability of output power is proved to less than 2% under air cooling.

Key words:laser technique; all-fiber laser; master oscillator power amplifier; acousto-optic Q-switched; power stability

收稿日期：2014-11-17；收到修改稿日期：2014-12-12

作者简介：陈鹏飞(1990-)，女，硕士研究生，主要从事脉冲光纤激光器的研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(2011YQ110059)

中图分类号：TN248.1

文献标志码：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.06.010

文章编号：1001-3806(2015)06-0780-05