高稳定性的全光纤化调Q脉冲光纤激光器研究

张培培，张 鹏，黄榜才，王晓龙，张雪莲，龙润泽，韩桂云，梁小红

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220)

1 引言

随着包层抽运技术的引入和光纤元器件的不断成熟，使得光纤激光器的发展更加迅速，不仅输出功率大大提高，而且使全光纤化成为可能，激光器的结构更加紧凑，稳定性大大提高，更加满足实用化和商品化的需求［1－3］。而脉冲光纤激光器除保持了光纤激光器的转换效率高、光束质量好、结构紧凑，使用寿命长等传统优势外，还具有极高的峰值功率和脉冲能量，这使其在光纤通信、激光加工、光信息处理、医疗等领域具有广泛的应用［4－6］。

2011年，冯宇彤等人利用光纤光栅、掺镱双包层光纤及声光调制器构成的光纤激光器作为种子源，在重复频率50 kHz的条件下，通过两级功率放大，实现了脉冲宽度240 ns、平均功率102.5 W的激光输出［7］。2012年，何晶等人利用光纤光栅和平面镜构成线性F－P腔，LD与光纤耦合器进行后向抽运，并利用单端光纤耦合的AOM，最终获得了平均功率2.64 W，脉宽56 ns，单脉冲能量528 μJ以及峰值功率943 W的稳定脉冲输出［8］。2014年，Gongwen Zhu等人利用2.8 μm的掺铒调Q光纤激光器作种子源，975 nm的半导体LD进行后向泵浦，获得了中心波长 2.8 μm，脉冲能量 24 μJ，平均功率1.0 W的激光输出［9］。虽然很多研究工作者对各种结构的脉冲激光器进行了研究，但是关于激光器功率稳定性方面的研究报道较少。

本文基于声光调Q技术，对结构紧凑、功率稳定的全光纤化脉冲光纤激光器进行了研究。比较分析了不同重复频率对脉冲宽度和平均输出功率的影响，并通过监测LD表面温度、种子源合束器闲置泵浦端的回光和激光器8 h的输出功率变化，对脉冲激光器的稳定性进行了研究。

2 实验装置

调Q脉冲光纤激光器采用全光纤化结构设计，光纤及各光纤元器件通过熔融焊接的方式熔接在一起，实验装置如图1所示。种子源光路为典型的F－P线性腔结构，一对双包层光纤光栅构成激光谐振腔的前后腔镜，光栅的尾纤为10/125 μm的无源双包层光纤(GDF)，中心波长1064 nm，其中高反光栅的反射率＞99%，低反光栅的反射率为10%。增益介质采用一段长为4 m的掺镱双包层光纤(YDCF)，该掺镱光纤为国产光纤，由中国电子科技集团第四十六所自行研制，纤芯直径10 μm，八角形的内包层直径130 μm，在915 nm处的包层吸收系数为1.5 dB/m。光纤耦合输出的多模半导体激光器作为泵浦源，最大输出功率9 W，泵浦光通过2×1合束器的其中一个泵浦端对增益光纤进行前端抽运。在掺镱光纤与低反光栅之间插入声光调制器(AOM)来实现激光的脉冲调制输出。种子源输出的激光通过(2+1)×1合束器的信号纤耦合进放大级的增益光纤中，放大级增益光纤也为八角形的掺镱双包层光纤，长度为5 m，纤芯与内包层直径分别为20 μm和130 μm，对于915 nm的泵浦光，包层吸收系数为 3.2 dB/m。中心波长915 nm，最大输出功率10 W的两只泵源分别通过(2+1)×1合束器的两泵浦端对增益光纤进行泵浦。种子光经过放大级光路进行放大后最后通过准直隔离器实现激光的准直隔离输出。在每级光路的掺镱光纤后面，均做了泵浦泄露处理，这样既能防止端面反射光影响泵源和前级光路，同时还能保证系统的安全稳定工作。

图1 全光纤结构脉冲光纤激光器实验装置图

3 实验结果及分析

3.1 激光器输出特性实验研究

图2给出了重复频率分别为20、25、30、35 kHz时，脉冲宽度和平均输出功率随泵浦功率的变化曲线。

图2 不同重复频率下，脉冲宽度及平均输出功率随泵浦功率的变化曲线

从图2(a)中可以看出，对于同一重复频率，脉冲宽度随泵浦功率的增加而迅速减小，当泵浦功率增加到一定值时，脉冲宽度的减小趋势趋向平缓。这是因为在同一重复频率的条件下，镱离子上能级积累的粒子数会随着泵浦功率的增加而逐渐增多，激光器谐振腔内的增益系数变大，腔内光子数的增长及反转粒子数的衰减就更加迅速，因此输出激光的脉冲宽度被压缩，当泵浦功率增加到一定值后，反转粒子数趋于饱和，增益系数达到最大，脉冲宽度不会再继续压缩，而是趋于一个定值;对于同一泵浦功率，脉冲宽度随重复频率的降低而变窄。这是因为在泵浦功率相同的条件下，重复频率越低，调Q的单个脉冲能量积累时间也就越长，激光谐振腔的增益随之增大，因此输出激光脉宽变窄。图2(b)给出了不同重复频率下，激光平均输出功率随泵浦功率的变化曲线。从图中可以看出，同一重复频率下，平均输出功率随泵浦功率的增大而迅速增加。而泵浦功率一定时，平均输出功率随重复频率增加而变化的趋势分为两个阶段:在泵浦功率较低时，激光的平均输出功率随重复频率增大而增加的趋势并不明显，随着泵浦功率逐渐增大，平均输出功率随重复频率增大而增加趋势越来越明显。

当重复频率为20 kHz，泵浦功率5.6 W时，获得了中心波长1064.4 nm，平均功率1.4 W，脉冲宽度108.9 ns的激光输出，输出激光的脉冲波形图和光谱图分别如图3、4所示。从图中可以看出，脉冲形状平滑干净，光谱图中也只有1064 nm的激光光谱，说明输出激光没有受到泵浦光及受激拉曼散射(SRS)等非线性效应的影响。

图3 泵浦功率5.6 W时的脉冲波形图(20 kHz)

图4 泵浦功率5.6 W时的光谱图(20 kHz)

以上述调Q脉冲光纤激光器作为种子源，进行功率放大，放大的激光最后通过准直隔离器进行准直隔离输出。种子激光的重复频率设定为20 kHz，泵浦功率5.6 W，逐渐增加功率放大级的泵浦功率，光纤放大器的平均输出功率随泵浦功率的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，随着泵浦功率的逐渐增大，激光功率几乎呈线性增长，并且最后也未出现饱和趋势，可以预测，若继续增大泵浦功率，激光输出功率还会进一步提高。在放大级泵浦功率为17.5 W时，获得了最大平均功率10.68 W，脉冲宽度120 ns的稳定激光输出，激光波长为1064 nm，计算得到此时的脉冲能量为 0.5 mJ，峰值功率为 4.45 kW。

图5 光纤放大器的平均输出功率随泵浦功率的变化曲线

3.2 激光器稳定性研究

高质量的激光焊接技术是保证全光纤化激光器稳定工作的首要前提。该激光器中光纤及各光纤元器件之间的焊接均进行精确的对准，各熔接点的损耗均控制在0.01 dB以下，尤其是八角形内包层和圆形内包层光纤之间的焊接通过手动调节，进行准确的纤芯对准，并且各光纤焊点处均做了再涂覆保护处理;另外，泵浦源选用915 nm的LD，掺镱光纤在此波段处吸收平坦，LD温度的波动对激光输出功率影响很小，并且在每个LD的底部均涂有散热胶，并固定在散热板上用风扇进行风冷散热，这样可以防止LD工作过程中的波长漂移，从而有效保证了激光器的功率稳定。

激光器输出平均功率为10.0 W时，LD1、LD2 1 h内表面的温度变化如表1所示。从表中可以看出，0～40 min的监测时间内，LD1、LD2的温度变化分别为26.4 ℃→28.5℃和28.9 ℃→31.4℃，但是40 min之后两LD的温度分别稳定在28.6℃和31.5℃，这是因为LD的温度刚开始时会随工作时间增加逐渐升高，但是当LD工作稳定后，温度便会趋于稳定。而LD在50℃以内均可保持安全稳定的工作，因此该LD的工作温度不会对激光器的稳定性产生影响。

表1 LD1、LD2 1 h内表面的温度变化情况

图6、7分别为合束器闲置泵浦端功率即光路中的回光功率随一级、二级泵浦功率的变化曲线，监测该功率的变化可以有效预防回光过大时LD被烧毁。从图6中可以看出，虽然回光功率随泵浦功率的增加而增加，但是当泵浦功率增加到8 W时，回光功率也只有 2.29 mW，对应的峰值功率为1.05 W，而保证LD安全工作的回光峰值功率阈值大概为5 kW，因此该激光器的回光功率远远处于安全范围。从图7中可以看出，二级泵浦功率从0 W增加到17.5 W，一级回光功率仅从1.8 mW增加到1.83 mW，变动仅有0.03 mW，这说明二级泵浦功率的增加对一级回光功率几乎没有影响，这也是该激光器能够安全稳定工作的重要保障。

图6 合束器闲置泵浦端功率随泵浦功率的变化曲线

图7 一级回光功率随二级泵浦功率的变化曲线

下面分析整个调Q脉冲光纤激光器的功率稳定性情况。该激光器8 h内输出功率的平均值和均方差值PSD表达式分别如下所示:

式中，N为8 h内测量的功率的总个数;Pi为测量的第i个功率值。根据公式和图8中所测得的数据，分别得到输出功率的平均值和均方差值分别为10.83 W和0.119，而该激光器的功率不稳定性可用r表示，因此我们得到该激光器在8 h内的功率不稳定性为1.1%，这说明该激光器可以长时间稳定可靠的工作，这也是激光器能够实用化和商品化的重要前提。

图8 脉冲激光器功率稳定性测试

4 结论

对基于声光调Q技术的脉冲光纤激光器进行了研究。以自制掺镱双包层光纤作为增益介质，双包层光纤光栅构成谐振腔镜，光纤型的声光调制器(AOM)为Q开关，并用915 nm的多模半导体激光器进行抽运，实现了中心波长1064.4 nm，平均功率为1.4 W，脉冲宽度108.9 ns的脉冲激光输出。以该调Q脉冲光纤激光器作为种子源，通过一级光纤放大器对其进行功率放大，并通过准直隔离器进行准直隔离输出，最终获得了平均功率10.68 W，脉冲宽度120 ns，脉冲能量0.5 mJ，峰值功率4.45 kW的脉冲激光输出。高质量的激光焊接技术、泵源控温技术以及多余泵浦光剥除技术保证了该激光器的整体性能稳定性，最后测得该脉冲激光器在8 h的工作时间内功率不稳定性为1.1%。该脉冲激光器采用全光纤化、线性腔结构设计，结构紧凑，功率稳定，性能可靠，可以满足实用化和商品化的要求。

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