1550 nm全光纤单频脉冲光纤激光器

王雄飞,郝金坪,何晓同,张 昆,张利明,赵 鸿

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

单频光纤激光器是光纤激光领域的研究热点之一。由于单频光纤激光器可广泛应用于光纤通信、光纤传感、相干探测、量子信息等多个领域[1-4],因此被国内外许多研究机构所重视。相对于连续单频光纤激光器而言,脉冲单频光纤激光器研究具有较大的技术难度,特别是线宽千赫兹量级的大能量、高峰值功率单频脉冲光纤激光器的研究进展相对缓慢。而该类型光纤激光器也是激光雷达、激光测距等方向急需的优质光源[5-7]。

目前,采用低功率单频脉冲种子源和高功率放大级的MOPA结构,是实现大能量千赫兹单频脉冲光纤激光的主要方案。其中,单频激光种子源方式主要有三种,分别是:分布布拉格反射(DBR)型光纤激光器、分布反馈式(DFB)光纤激光器、外腔稳频半导体激光器[8-10]。其中,DBR型光纤激光器采用高吸收磷酸盐玻璃光纤作为有源介质、无源光栅对作为腔镜,有利于形成较高增益,获得较大功率的输出,但缺点是磷酸盐玻璃光纤与普通光纤的熔接难度大,对选频光栅的要求很高,可靠性差。DFB光纤激光器采用相移型光纤光栅直接刻写在增益光纤实现选频,结构简单,易于实现单纵模输出,缺点是相移光栅技术难度高,光栅直接刻写在增益光纤上噪声大,稳定性低。外腔稳频半导体激光器具有单纵模输出、超低噪声的特点,对机械振动和声学噪声不敏感,相比于光纤单频种子源,半导体激光器波长稳定性高,商品化更加成熟,适应更加复杂的工作环境,结合声光斩波器后,是实现窄线宽单频脉冲激光器种子源的理想选择。

本文采用外腔稳频技术的单频连续半导体激光器作为种子源,经连续预放大,声光调制和脉冲光纤放大后,获得了波长1550 nm,线宽1.9 kHz的单频单模脉冲激光。输出功率521 mW、脉冲宽度200 ns、重复频率10 kHz。整个激光器采用全光纤结构,通过级联放大、增益控制和长度优化,成功抑制了受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)效应[11-14],减小了其对线宽和输出功率的影响,最终通过高掺杂双包层单模光纤实现了线宽千赫兹量级的单频脉冲激光输出。

2 实验方案

实验搭建的基于MOPA结构的全光纤单频脉冲光纤激光器结构示意图如图1 所示。

整个激光器主要由种子源、预放大器、声光开关斩波器和功率放大器四个部分组成。其中,采用一个输出波长1550 nm、线宽1.8 kHz、输出功率20 mW的外腔稳频半导体激光器作为种子源。种子源之后接有分束器,分束后的一路光供测试系统使用；另一路接预放大器,将种子源输出的单频连续激光进行功率提升。预放大器采用掺铒的保偏光纤作为增益介质,一个输出波长为976 nm的270 mW LD通过WDM耦合入主光路正向泵浦增益光纤。增益光纤后端接有ASE(放大自发辐射)滤波器,用于滤除增益光纤中产生的ASE信号。种子源和预放大器之间连接有隔离器,以防止因SBS效应产生的后向散射对前端元件的损伤。

图1 结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram

预放大器模块输出的连续激光,经过声光调制器调制后,转换为脉宽400 ns、重复频率10 kHz的脉冲信号。声光调制器后接分束器,分束后的主光束(功率比例较高的一路)注入功率放大级,另一束作为监测光束,以实时监测脉冲信号光的工作状态。

调制后的脉冲信号注入功率放大器模块进行功率放大。声光调制器和功率放大器之间连接有隔离器。功率放大器模块包括两个光纤放大级。第一级放大采用掺铒的保偏光纤作为增益介质,输出波长为976 nm的270 mW LD通过WDM正向注入增益光纤。第二级放大采用纤芯直径10μm双包层单模保偏铒镱共掺光纤作为增益介质,两个输出波长为976 nm的3 W LD经由(1+1)×1泵浦合束器注入增益光纤。二级增益光纤在976 nm的包层泵浦吸收系数为9 dB/m。这一泵浦波长和吸收系数的选择是为了尽量减少增益光纤的长度从而增大SBS阈值。为了消除前向ASE对后级的影响,各放大级之间均连接有1 nm带宽的带通滤波器和隔离器。

3 实验结果与分析

种子源是保证单频激光稳定输出的核心器件,为此对种子源设计了温控装置,保证其输出的稳定性。种子源输出的单频激光经过光纤隔离器后首先进入预放大器系统。由于连续激光经过声光斩波器后功率会有较大损失,种子光直接经过斩波后信号功率很小,无法实现高功率放大。因此,采用预放大器提升种子光功率十分必要。图2是预放大级以及ASE滤波器之后测得的输出功率和泵浦功率关系图。从图中可以看出,放大过程中没有出现增益饱和现象,激光功率随着泵浦功率增大基本呈线性增长,最后获得57.4 mW连续单频激光输出。

图2 预放大级输出功率随泵浦功率的变化曲线Fig.2 Output power versus pump power of the pre-amplifier

预放大级后连接声光调制器。输出波段为1550 nm。该调制器有两个重要的作用。一是将连续激光调制成脉冲光；二是在线宽测试系统中,它作为移频器,进行外差探测。考虑到探测器的带宽,实验选择了移频80 MHz声光调制器[15]。在参数设置上,调制脉冲宽度为400 ns,重复频率为10 kHz。同时,实验对调制脉冲的波形进行了优化设计,用来保证在后续的放大过程中脉冲形状为准高斯分布。由于声光调制器的调制特性和较大的插入损耗,该级后的脉冲激光功率为0.25 mW。

声光调制器后连接一级脉冲功率放大器。该放大器选择的增益光纤与预放大器采用的增益光纤一致,为单模掺铒的保偏光纤。图3是该级输出功率测试曲线。从图中可以看出,当泵浦功率大于160 mW时,输出功率出现了增益饱和现象。从光谱中也观察到ASE增益光谱的出现,如图4所示。因此,该放大级最终选择的输出功率为5.09 mW,避免ASE光谱对后续放大产生影响,同事,该级末端采用ASE滤波器对光谱进行净化,保证注入第二级脉冲放大器的信号光没有ASE信号和其他杂散光。

图3 一级脉冲放大级输出功率随泵浦功率的变化曲线Fig.3 Output power versus pump power of the first-stage pulse amplifier

图4 一级脉冲放大级输出光谱图Fig.4 Optical spectrum of the first-stage pulse amplifier

第二级脉冲功率放大器采用纤芯直径10 μm的双包层单模保偏铒镱共掺光纤作为增益介质。该光纤属于高掺杂浓度增益光纤,吸收系数高,因此,相较于普通的增益光纤,该光纤所需的长度较短。两个976 nm 波段3 W泵浦LD产生的泵浦光经合束器注入增益光纤。图5是输出功率随泵浦功率增大的输出特性曲线。从中可以看出,随着泵浦功率的提升,输出功率基本呈线性增大。最终,当泵浦功率增为4.8 W时,实现了521 mW的脉冲激光输出。脉冲宽度200 ns,脉冲重复频率10 kHz,相应的脉冲峰值功率为260 W。图6是激光光谱图,从图中可以看出,没有ASE光谱和非线性效应的出现。图7是输出激光的脉冲波形。经过测试发现,通过两级脉冲光纤放大,脉冲波形出现压窄现象,从最初的400 ns压窄至200 ns。这是由于脉冲前沿对泵浦功率的提取效率较高,导致脉冲前沿放大倍数较高所致。要克服这一现象,可以通过对脉冲波形的前后沿进行优化设计来实现。

图5 二级脉冲放大级输出功率随泵浦功率的变化曲线Fig.5 Output power versus pump power of the second-stage pulse amplifier

图6 二级脉冲放大级输出光谱图Fig.6 Optical spectrum of the second-stage pulse amplifier

图7 激光脉冲波形Fig.7 Time domain response of laser

实验最后通过“自拍频”法测试了单频脉冲激光的输出线宽,为1.9 kHz,如图8所示。这表明在该MOPA结构的单频脉冲激光器系统中,通过连续光纤放大、声光调制和脉冲功率放大,激光的线宽没有受到影响,说明该系统在线宽保持方面的稳定性。

图8 激光线宽图Fig.8 The laser line width pattern

实验中,没有观察到非线性效应的出现,特别是单频光纤放大过程中阈值较低的受激布里渊散射(SBS)效应。这主要是由于在整个系统的设计过程中,对各级的无源光纤和有源光纤长度做了最大程度的优化。其中无源光纤的光纤长度除了考虑熔接长度外,被尽可能缩短。有源光纤由于采用了高掺杂高增益光纤,长度也被大大缩减,从而有效降低了整个光纤系统的SBS阈值。同时二级功率放大采用纤芯直径10 μm的单模保偏铒镱共掺光纤,增大了出光截面,对抑制SBS效应也有重要作用。

另外,为了避免因SBS效应引起的后向散射光对于前级光学元件的损伤,在激光器的各放大级之间均连接隔离器和耦合器。一方面,这种设计可以有效保护前级元器件不受损伤；另一方面,通过对耦合器的正反向输出端进行实时监测,可以及时发现非线性效应以及ASE现象的出现,通过优化调整,避免不必要的损伤。

4 总 结

本文研制了全光纤结构的1550 nm单频脉冲光纤激光器。通过对单频半导体激光器进行光纤放大,并结合声光调制器进行脉冲调制,最终通过两级光纤功率放大实现了平均功率521 mW、脉冲宽度200 ns、重复频率10 kHz、线宽1.9 kHz的单频脉冲激光输出,脉冲峰值功率260 W。输出端采用芯径10 μm的单模光纤,在提升输出功率的同时,保证了输出激光的光束质量。同时,对各级的无源光纤和有源光纤进行优化,缩短光纤长度,提高增益系数,有效抑制了放大过程中的SBS效应,保证了激光线宽的稳定性。此外,在激光器的各级之间均连接滤波器和隔离器,在净化光谱的同时,可以有效保护元器件不受损伤。实验中出现了脉冲压窄现象,这是由于脉冲前沿对泵浦功率的提取效率较高所致,可以通过对脉冲波形的前后沿优化设计来克服该现象的发生。