全光纤调Q激光器腔内脉宽压缩技术

曹 康，秦文斌，葛廷武，吴 迪，贾冠男，闫岸如，曹银花，王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)

1 引 言

近年来，高功率调Q光纤激光器因其结构简单、峰值功率高、系统稳定等优点，在光纤通信、医疗、工业微加工、军事国防等领域得到广泛应用[1-9]。特别是近几年激光清洗行业的兴起，使得高功率调Q光纤激光器得到越来越多的商业化应用[10-12]。在激光清洗应用中，峰值功率是决定一台脉冲激光器性能优良的关键参数之一，在单脉冲能量一定条件下，通过减小脉冲脉宽来获得高峰值功率输出是激光器设计中一种行之有效的方法[13-17]。高功率调Q光纤激光器基本采用的是MOPA结构，这样通过控制种子源的脉宽就能控制整个激光器的脉冲宽度[18]。2008年，天津大学宁继平教授从速率方程理论出发，得出调Q光纤激光器基本参数影响脉宽的规律，优化参数搭建全光纤激光器，在重复频率500Hz时，输出激光脉冲宽度3μs[19]；2009年，电子科技大学黄琳博士从泵浦方式、输出耦合镜反射率和掺杂光纤长度这3个因素理论上分析和数据仿真得出这些谐振腔参数对AOM调Q光纤激光器输出脉宽的影响[20]；2011年，北京工业大学张文启理论分析了泵浦功率、增益光纤长度、光纤芯径、输出透过率和光纤固有损耗等因素对调Q脉宽的影响，并通过实验验证了增益光纤长度和泵浦功率两个因素的影响，最后搭建了全光纤调Q种子源，在重复频率为23kHz时，输出脉冲宽度为200ns[21]。通过上述文献调研可知，已有文献是对谐振腔参数对调Q脉宽影响的理论分析和数值模拟，然后结合模拟的结果直接搭建激光器，没有针对分析的规律进行实验验证。由于理论模型和公式都进行过多次近似，所以不结合实验验证对推导结果会存在偏差，供同类激光器设计参考不够完善。

本文从速率方程理论出发，结合数值分析理论上得到影响脉宽的因素，然后通过具体实验来验证理论推导，全面系统地分析增益光纤长度、泵浦功率、输出镜反射率、AOM性能等谐振腔基本参数对输出脉冲宽度的影响，然后优化谐振腔参数，以MOPA方式搭建调Q全光纤激光器，采用光纤型AOM和光纤光栅等搭建全光纤型种子源，然后通过两级光纤放大器放大种子光。最终，在重复频率为20kHz时，得到了平均功率为0.86W、脉宽54ns的种子光。在重复频率为100kHz时，对平均功率为1.66W、脉宽142ns、光谱宽度为0.27nm的种子光进行两级放大，最终得到平均功率120W、脉宽180ns、光谱宽度约为0.67nm的脉冲激光输出。

2 理论分析

下面以两能级为例，通过速率方程的推导来分析影响脉冲宽度的参数。在脉冲的形成过程中，腔内光子数密度N由Nm/2增加到最大值Nm的时间为Δtr，由Nm降到Nm/2的时间为Δtc，则巨脉冲的脉冲宽度定义为

Δt=Δtr+Δtc,

(1)

接下来讨论估算Δt。

在本次讨论中假设工作物质充满谐振腔，即L=l，当L>l时，其结果应做修正，但这一差别并不影响得出激光器参量对输出脉宽的变化关系。假定统计权重比值ηf=1，即E1、E2能级的统计权重相等，在t>0(即Q开关打开后)时中心频率处三能级系统反转粒子数密度和光子数密度的速率方程：

(2)

(3)

因为调Q脉冲持续的时间只有几十纳秒，所以式(3)中忽略了自发辐射和泵浦激励的影响。对式(3)两边进行积分，再代入式(2)，消去dt，然后两端积分代入，得到式(4)：

(4)

当N达到最大值Nm时，Δn=Δnt，带入求解可得出当N=Nm/2时，Δn=Δnr，Δnc,由此可得到t值积分的上下限，再由Ni≪Nm，可得出Δtr和Δtc如下所示[22]:

图1 Δt/τR随Δni/Δnt的变化模拟曲线Fig.1 Δt/τR with Δni/Δnt changes in the simulation curve

对式(5)、(6)进行简化，令Δn=Δnt，通过对分母的求导分析可知，分母并非单调的，所以这种近似计算是允许的，然后结合式(1)可得

(7)

由于Δnc和Δnr均为中间值，不方便与初始条件直接构建关系，式(5)函数图像近似为洛伦兹线型，故可将式(7)再进行近似计算可得

(8)

上列各式中，Ni为自发辐射的初始光子数密度，Δni为Q开关打开前阈值反转粒子数密度，τR为腔内光子寿命，Δnt为Q开关打开后阈值反转粒子数密度，Δnf为巨脉冲熄灭后腔内反转粒子数密度，σ21为发射界面，v为光子速率。由式(8)可知，Δt没有具体的解析解，只能设定Δni/Δnt的具体值得出数值解。通过数值模拟，由图1可知，Δt随Δni/Δnt的变化关系基本成反比，随Δni/Δnt增大而减小，最终理论极限等于腔内光子寿命τR。为了压缩脉冲宽度，一是减小腔内光子寿命，二是增大Δni/Δnt。结合到具体谐振腔各参数，为压缩脉冲宽度，在设计种子源的时候采用以下几个方案。一、增大泵浦功率；二、设计合适有源纤长度；三、保证Q开关关闭时，谐振腔光路关闭；四、设计合适反射率的输出镜。

3 实验装置

激光器系统结构如图2所示。整个系统采用MOPA结构，包括AOM调Q种子源以及功率预放大器和功率主放大器。

种子源部分使用光纤光栅作为腔镜，一端为高反光栅，反射率为99%，中心波长为1064nm，反射带宽3nm，尾纤10/125μm单包层光纤。腔镜另一端为低反光栅，实验中所用光栅反射率分别为20%、40%、60%，中心波长皆为1064nm，反射带宽1nm。实验中采用光纤型声光调制器(AOM)进行调制，AOM分别由两家单位提供，型号有所不同，尾纤均为10/125μm单包层光纤。1号AOM衍射效率75%，开关上升时间50～500ns可调，中心波长1064nm，可调制重复频率。2号AOM衍射效率85%，开关光上升时间60～500ns可调，中心波长1064nm，可调制重复频率。种子源采用后向泵浦方式，增益光纤选用nufern10/130μm双包层掺镱光纤，纤芯有效数值孔径0.075，对于975nm的泵浦光，包层吸收系数为4.5dB/m。功率预放大器同样采用后向泵浦方式，增益光纤型号与种子源相同，增益光纤长度4m。泵浦源选用10W多模泵浦源，尾纤105/125μm，纤芯数值孔径0.22，中心波长976nm，光谱宽度6nm，通过一只(2+1)×1的泵浦光合束器耦合进系统。功率主放大器同样采用后向泵浦方式，选用nufern20/130μm双包层掺镱光纤进行增益，长度2m，对975nm泵浦光包层吸收系数为8.4dB/m，纤芯有效数值孔径0.08。泵浦源最大功率60W，尾纤105/125μm，纤芯数值孔径0.22，中心波长976nm，光谱宽度5nm。泵浦光通过一只(6+1)×1泵浦光合束器耦合进系统，该合束器单臂最大承受功率70W。

图2 激光器系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of laser system structure

本实验采用Thorlabs公司DET01CFC型号InGaAs探测器将光信号转换成电信号，示波器型号为泰克利克公司MDO4054B，探测激光光谱使用横河AQ6370Optical Spectrum Analyzer，测量脉冲平均功率选用NOVAⅡ功率计。

4 实验分析和结果

为验证谐振腔器件参数对输出脉冲宽度的影响，采取以下3组实验，每组实验均只改变一个变量。首先，对比两种不同型号的AOM，AOM外部调制信号统一为23kHz，种子源输出脉冲参数的变化如图3所示。由图3(a)可见，1号AOM比2号AOM调制的脉冲宽度更宽，通过腔外测试发现1号AOM在关断之后信号光传输透过率为50%，而2号AOM在关断之后信号光传输透过率基本为0。通过分析可知AOM关断时，是谐振腔中积累反转粒子数的时段，如果此时腔内仍有振荡，则必然消耗腔内的反转粒子数，使得 Δni减小，从而减弱了脉宽压缩。接着，为了验证谐振腔长度对脉宽的影响，采用了3种不同长度的有源纤，光纤型号相同，长度分别为4.5，3，1.5m，通过实验得到图3(b)中的数据。对比可知，随着有源纤长度缩短，种子光的脉宽也在变窄。分析可知，谐振腔长度和腔内光子寿命成反比，而腔内光子寿命直接影响脉宽，所以谐振腔长度的变化对脉宽影响非常明显，与理论相符，但在具体选择有源纤长度时还需考虑到Δni受有源纤和泵浦功率的影响，若有源纤长度过短，镱离子过少，反而会展宽脉冲宽度。最后，分析输出镜的影响，本文采用了光纤光栅作为腔镜，谐振腔从低反光栅一端输出种子光，低反光栅对1064nm激光的反射率分别为20%、40%、60%，中心波长为1064nm，反射带宽1nm，得出实验结果如图3(c)。由图3(c)可看出，随着输出镜反射率提高，种子源输出的脉冲宽度越窄，输出功率越小。通过公式分析，谐振腔的输出镜反射率影响整个谐振腔的损耗，当Q开关打开时，谐振腔的损耗决定了Δnt的大小，成正比关系，同时，谐振腔此时通光，谐振腔的损耗影响了光子寿命，二者成反比关系，通过综合的数值计算，发现理论结果是随着损耗增加，种子光的脉宽会略微地增加一些，与实验结果相吻合。综合以上实验结果，验证了设计的方案对脉宽的压缩效果，接下来结合所得验证结果搭建激光器。

图3脉冲宽度随AOM性能(a)、增益光纤长度(b)、反射镜反射率(c)的变化曲线。
Fig.3Pulse width varies with AOM performance(a), gain fiber length(b), and reflectance of the reflector(c), respectively.

为了压缩脉冲宽度并同时保证一定的输出功率，本文选取合适的谐振腔参数，搭建全光纤声光调Q激光器。谐振腔掺镱光纤长度为1.5m，采用2号AOM，腔镜选用一对反射率分别为99%和10%的光纤光栅。测试种子源的输出脉冲波形和斜效率如图4所示。当重复频率为20kHz、抽运功率为5.33W时，得到脉宽为54ns、平均功率为0.86W的脉冲激光输出。当重复频率提升至50kHz和100kHz时，种子源输出的脉冲宽度随泵浦功率变化如图4所示。由图可知，脉冲宽度随着重复频率的提高而明显展宽。通过分析，认为重复频率增大之后，腔内反转粒子数密度因为关闭时间变短而减小，所以Δni/Δnt值变小，从而减弱了脉宽的压缩。可见影响脉宽的因素除了谐振腔固有的参数外，调制参数的影响也很大，在设计的时候可根据需要选择调制参数。同时测得种子源输出的光谱如图4所示，由光谱仪分析测量结果可知，光谱在波长为1064nm处的3dB带宽均在1nm以下。

在完成种子源测试实验之后，为检测种子源的放大特性，搭建功率预放大器和功率主放大器。

图4 种子源输出参数Fig.4 Seed source output parameters

种子源的重复频率设置为100kHz，输出的平均功率为1.66W，脉宽为142ns，光谱宽度为0.27nm。为抑制放大级中的非线性效应，预放大器采用反向泵浦的方式，得到放大器的斜效率曲线如图5。由图5中可看出放大器工作在线性区，未发生饱和。在泵浦功率为11W时，输出平均功率为5W，测得脉冲宽度为160ns，测得光谱宽度为0.5nm，光谱未发生明显展宽，且没有残余泵浦和受激拉曼散射等其他非线性效应引入的波长。之后对功率预放大器输出的激光进行放大，同样采取后向泵浦的方式，为了获得更好光束质量的激光，功率主放大器的掺镱光纤采用nufern20/130μm的双包层光纤，得到功率主放大器泵浦功率和输出功率关系如图6(a)所示。当泵浦功率达到160W时，信号光输出功率为120.3W，光光转换效率达到了73%，脉冲宽度为180ns。测得此时的输出光谱如图6(b)所示。由图可知泵浦光基本无剩余，但在1120nm处有受激拉曼效应产生的斯托克斯光，不过和信号光相差30dB以上，且在泵浦光功率上升的时候并不会有明显提升，所以分析放大器并未达到拉曼阈值，若增加泵浦功率，输出功率可进一步放大。

图5 功率预放大器输出参数Fig.5 Preamplifier stage output parameters

图6 功率主放大器输出参数Fig.6 Main power amplifier output parameters

5 结 论

本文比较系统全面地从理论与实验两方面研究调Q激光输出脉冲宽度的影响因素。首先从速率方程出发，推导了脉宽的表达式，分析了谐振腔长度、输出镜反射率、AOM性能等谐振腔基本参数与脉冲宽度的关系，其次从实验方面，结合理论分析制定验证方案，进一步验证了理论分析结果。通过提升AOM性能、减小增益光纤长度等参数优化方式，最终获得重复频率为20kHz、平均功率为0.86W、脉宽54ns的激光输出。改变调制频率为100kHz时，激光输出平均功率为1.66W，脉宽约为142ns，光谱宽度为0.27nm。以此作为种子源进行预放大和功率主放大后，获得平均功率120.3W、脉宽180ns、光谱宽度约为0.67nm的脉冲激光输出。

参 考 文 献：

[1] LIMPERT J, HÖFER S, LIEM A,etal..100-W average-power, high-energy nanosecond fiber amplifier [J].Appl.Phys.B：LasersOpt., 2002, 75(4-5):477-479.

[2] 楼祺洪，赵宏明，周军，等.声光调Q光纤激光器的窄脉冲输出 [J].激光与光电子学进展，2008, 45(2):6-6.

LOU Q H, ZHAO H M, ZHOU J，etal..Narrow pulse output of acoustic optical fiber laser [J].LaserOptoelectron.Prog., 2008, 45(2):6-6.( in Chinese)

[3] 楼祺洪.高功率光纤激光器及其应用 [M].合肥:中国科学技术大学出版社, 2010.

LOU Q H.High-powerFiberLaserandItsApplications[M].Hefei：Press of University of Science and Technology of China, 2010.(in Chinese)

[4] 张培培，张鹏，黄榜才，等.高稳定性的全光纤化调Q脉冲光纤激光器研究 [J].激光与红外, 2015(8):902-906.

ZHANG P P, ZHANG P, HUANG B C,etal..Research on a high stability all-fiberQ-switched pulse fiber laser [J].LaserandInfrared, 2015(8):902-906.(in Chinese)

[5] 邹峰，王兆坤，王子薇，等.吉赫兹级窄线宽、高峰值功率纳秒光纤激光器 [J].中国激光, 2016, 43(7):28-33.

ZHOU F, WANG Z K, WANG Z W,etal..Gigahertz narrow-linewidth high-peak power nanosecond fiber laser[J].Chin.J.Lasers, 2016, 43(7):28-33.(in Chinese)

[6] 蔡波.纳秒脉冲镱掺杂光纤激光器研究 [D].长春：长春理工大学, 2016.

CAI B.ResearchonNanosecondPulseYb3+-dopedFiberLaser[D].Changchun：Changchun University of Science and Technology, 2016.(in Chinese)

[7] LI Z, GUO C, LI Q,etal..188 W nanosecond pulsed fiber amplifier at 1 064 nm [J].LaserPhys., 2016, 26(7):75103.

[8] 马春媚.单频掺镱光纤激光振荡器及窄线宽纳秒光纤放大器研究 [D].北京：北京工业大学, 2016.

MA C M.ResearchonSingleFrequencyYtterbiumDopedFiberLaserOscillatorandNarrowLinewidthNanosecondFiberAmplifierLaser[D].Beijing：Beijing University of Technology, 2016.( in Chinese)

[9] 欧阳德钦.高功率脉冲掺铥光纤激光器及超连续谱光源研究 [D].深圳:深圳大学, 2015.

OUYANG D Q.StudyonHighPowerPulsedThuliumDopedFiberLaserandSupercontinuumLaserSource[D].Shenzhen：Shenzhen University, 2015.(in Chinese)

[10] 解宇飞，刘洪伟，胡永祥.船舶板材激光除锈工艺参数确定方法研究 [J].中国激光, 2016, 43(4):109-116.

XIE Y F, LIU H W, HU Y X.Determining process parameters for laser derusting of ship steel plates [J].Chin.J.Lasers, 2016, 43(4):109-116.(in Chinese)

[11] 张鑫，陈玉华.各类型激光器在激光清洗技术应用中发展现状及展望 [J].热加工工艺, 2016(8):37-40.

ZHANG X, CHEN Y H.Research progress and prospect of application of different types laser in laser cleaning technology [J].HotWorkingTechnol., 2016(8):37-40.(in Chinese)

[12] 张力程，周浩.激光清洗技术在一件汉代彩绘女陶俑保护修复中的应用 [J].文物保护与考古科学, 2017, 29(2):67-75.

ZHANG L C, ZHOU H.Application of laser cleaning technology in the protection and repair of a painted female terracotta warriors in Han dynasty [J].Sci.Conservat.Archaeol., 2017, 29(2):67-75.(in Chinese)

[13] 张大勇，张昆，李尧，等.100 W全光纤化高重频窄脉宽光纤激光器 [J].光子学报, 2016, 45(8):99-103.

ZHANG D Y, ZHANG K, LI Y,etal..100 W all-fiberized pulsed fiber laser with high repetition rate and narrow pulse duration[J].ActaPhoton.Sinica, 2016, 45(8):99-103.(in Chinese)

[14] 杨亚婷，胡贵军，郭盟，等.驱动信号占空比对声光调Q脉冲光纤激光器输出脉冲重频的影响 [J].光电子·激光, 2015，26(10):1849-1853.

YANG Y T, HU G J, GUO M,etal..Influence of the duty cycle of driving signal on the output pulse repetition frequency of an acousto-opticQ-switched pulsed fiber laser [J].J.Optoelectron.Laser, 2015，26(10):1849-1853.(in Chinese)

[15] 郝海洋，李莉，杨亚婷，等.声光调Q光纤激光器输出脉冲多峰现象的实验研究 [J].中国激光, 2016, 43(6):32-37.

HAO H Y, LI L, YANG Y T,etal..Experimental research on multi-peak phenomenon of acousto-opticQ-switched fiber laser output pulse [J].Chin.J.Lasers，2016，43(6):32-37.(in Chinese)

[16] 徐珩.高功率掺镱光纤激光器时域调制特性的研究 [D].南京:南京理工大学, 2016.

XU H.StudyonTimeModulationCharacteristicsofHighPowerYtterbium-dopedFiberLaser[D].Nanjing：Nanjing University of Science & Technology, 2016.(in Chinese)

[17] 杨亚婷.基于声光调Q的脉冲光纤激光器研究 [D].长春：吉林大学, 2016.

YANG Y T.ResearchofPulsedFiberLaserBasedonAcoustic-opticQ-switching[D].Changchun：Jilin University, 2017.(in Chinese)

[18] 胡浩伟.单频纳秒脉冲掺镱光纤激光器及放大器的研究 [D].北京：北京工业大学, 2015.

HU H W.ResearchonSingleFrequencyNanosecondPulseYb-dopedFiberLaserandAmplifier[D].Beijing：Beijing University of Technology, 2015.(in Chinese)

[19] 宁继平，张伟毅，尚连聚，等.掺镱包层光纤激光器的全光纤调Q技术 [J].中国激光, 2008, 35(4):483-487.

NING J P, ZHANG W Y, SHANG L J,etal..All-fiberQ-switched ytterbium-doped double-clad laser [J].Chin.J.Lasers, 2008, 35(4):483-487.(in Chinese)

[20] 黄琳.1.06 μm调Q光纤激光器研究 [D].成都：电子科技大学, 2009.

HUANG L.TheResearchon1.06 μmQ-switchedYtterbium-dopedFiberLaser[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China, 2009.( in Chinese)

[21] 张文启.MOPA结构声光调Q掺镱全光纤激光器研究 [D].北京：北京工业大学, 2011.

ZHANG W Q.StudyonAcousto-opticQ-switchedYb-dopedAll-fiberLaserinMasterOscillatorPowerAmplifierConfiguration[D].Beijing：Beijing University of Technology, 2011.(in Chinese)

[22] 周炳坤.激光原理 [M].第七版.北京:国防工业出版社, 2014.

ZHOU B K.PrincipleofLaser[M].7th ed.Beijing：National Defense Industry Press, 2014.(in Chinese)