用于测距的掺镱脉冲光纤激光器的输出特性

张义冬 武向农

摘 要： 研究了用于测距的被动调Q掺镱光纤脉冲激光器的输出特性，仿真对比了可饱和吸收体长度以及增益光纤长度对输出功率的影响.结果表明：在抽运源功率为5 W的条件下，输出脉冲宽度为0.8 μs，脉冲峰值功率为26 W，平均功率为2 W，脉冲能量为20 μJ.在物体反射率为10%，探测距离为200 m，以及大气透过率为100%的条件下，返回最小功率为3.9×10-7 W.

关键词： 光纤脉冲激光器; 测距; 被动调Q

中图分类号： TN 248文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0091-05

Abstract： In this paper，the output characteristics of passive Q-switched ytterbium doped pulse fiber lasers for distance measurement was studied.Besides，the effects of saturable absorber length and gain fiber length on output power were studied by simulation.Under the condition that the pump source power was 5 W，the simulation results showed that the output pulse width was 0.8 μs，the pulse peak power was 26 W，the average power was 2 W and the pulse energy was 20 μJ.When the object reflectivity was 10%，and when the detection distance was 200 m，and when the atmospheric transmittance was 100%，the minimum power returned was 3.9×10-7 W.

Key words： pulse fiber laser; distance measurement; passive Q-switched

0 引 言

相比于普通的光纤激光器，脉冲光纤激光器通过调整其整个腔内的损耗（Q值），输出连续的激光能量，即具有时间间隔的巨脉冲.Q值为腔内存储总能量与腔内单位时间损失能量的比值，当Q值较大时，腔内的单位时间损失能量较小，整个谐振腔内积累大量能量;当Q值较小时，腔内的能量被释放，整个谐振腔内的能量很小.

使用新材料的材料特性作为脉冲光纤激光器可饱和吸收体已成为研究的一大热点.2012年，YIN等[1]分别以Cr4+∶YAG、单壁碳纳米管新材料作为可饱和吸收体，实现激光抽运源抽运Nd∶YVO4键合晶体，以被动调Q锁模方式输出激光.2016年，林健[2]研制了基于二硫化钨（WS2）的被动调Q光纤激光器和基于WS2被动调Q掺铒激光器，其单脉冲能量为89.23 nJ，脉冲宽度在917～1.240 μs之间，重复频率在88.67～157.29 kHz之间.

1 理论分析

采用行波模型[12] 进行理论模型研究，该模型适用于长谐振腔，能合理预测沿光纤的激光发射光谱、功率，以及掺杂反转粒子密度等，并在此基础上，研究基于可饱和吸收体的掺镱光纤激光器的结构.与其他掺杂稀土光纤相比，掺镱光纤采用的结构为线性腔结构，其能级结构相对简单（二能级），并且能级相隔较大，对于一些如交叉弛豫现象有很好的抑制作用.

如图1所示，光子携带能量在激光腔中来回移动，产生谐振.谐振腔由可饱和吸收体与增益光纤组成.箭头所示为光纤中的光功率分布，功率在增益光纤中沿其路径增强，并在可饱和吸收体光纤中衰减.输出功率从低反射率光纤布拉格光栅处输出.图1中，P为抽运光功率，X为光传播距离长度，P+k为正向信号光功率，P-k为反向信号光功率，Pout为输出脉冲，Lsa为可饱和吸收体长度.

在活性纤维的核心半径范围内沿X轴均匀地掺杂活性离子，光通量在纤维芯中沿径向均匀分布.

2 光纤脉冲激光器数值仿真与数据分析

2.1 仿真参数设置

根据式（4），（5），在Matlab环境中求解线性偏微分方程.在数值仿真中，使用掺镱的双包层光纤（美国Nufern公司的LMA-YDF-15/130-VIII）作为增益光纤.包层吸收系数为5.4 dB·m-1，中心波长为975 nm，增益光纤的掺杂密度为2.14×1025 m-3，可饱和吸收体采用光纤型号为Appendix A.CorActive Sm119，中芯直径为6 μm，包层直径为125 μm.衰减系数在波长1064 nm处为8 dB·m-1，可饱和吸收体的掺杂密度为1.45×1025 m-3，自发发射波长为1030～1100 nm.

高反光栅中心波长为1064 nm，反射率大于99.9%，低反光栅中心波长为1064 nm，反射率为10%.浦源為带有尾纤的975 nm波长单模半导体激光器，增益光纤为双包层掺镱光纤，可饱和吸收体为单模掺钐光纤.

2.2 被动调Q介入的光纤激光器的数值仿真

对激光器的输出功率峰值进行研究，假设增益光纤长度为L，可饱和吸收体长度为Lsa.分别设置L为3，4，5，6，7 m进行仿真，如图3所示.图3中，当L=3 m时，第一个功率输出的时间大约在97 μs时，并且输出峰值功率明显较小;当L≥5 m时，增益光纤长度对输出功率大小几乎没有影响.在此基础上，再取L为4.5，4.6，4.7，4.8，4.9 m进行仿真，如图4所示.分析对比图4可知，当L=4.7 m时，输出功率峰值最大.如图5所示，在不同增益光纤长度下，当Lsa<0.1 m时，输出功率几乎无变化.所以设置Lsa初始值为0.1 m，并以0.1 m为步进，进行仿真.由图5可知，当Lsa=0.1 m时，激光器输出峰值最高.随着Lsa的增加，输出功率峰值逐渐降低.

根据以上结论，在L=4.7 m，Lsa=0.1 m的条件下，得到输出功率特性，如图6所示.图6中，输出功率间隔平稳，为30 μs.首个脉冲出现在90 μs，之后的每个脉冲间隔都恒定.

2.3 仿真结果分析

运用有限差分方法求解线性偏微分方程，实现被动调Q掺镱光纤激光器的理论仿真，可以获得理想的脉冲序列和单个脉冲的输出.在输出的脉冲序列中，第一个脉冲出现在90 μs附近，原因是仿真实验开始时，上能级粒子数从0开始进行累加，随着上能级粒子数的上升，累积时间缩短，输出功率趋于稳定.根据以上的数据分析，在实际应用中，增益光纤长度可以控制在4.7 m左右，可饱和吸收体长度控制在0.1 m左右.相对其他被动调Q光纤激光器，本研究的激光器单脉冲能量相对较高，但是脉冲频率相对较低，脉冲频率还有待进一步提升.

本研究的最大测量距离为200 m，在1 km以内的大气透过率近似为100%.根据脉冲光纤激光器仿真结果，峰值功率为26 W，假设ADP有效接收面积为40 cm2，目标物体的反射率取10%，最小可探测功率为3.9×10-7 W.

3 结 论

利用行波模型对被动调Q掺镱脉冲光纤激光器进行了理论分析.仿真结果表明：随着增益光纤的长度的增加，输出功率达到最大值之后，再加长增益光纤的长度，并不会对光纤的输出功率产生较大影响.同时对比分析了可饱和吸收体的长度对输出功率的影响，增益光纤长度与脉冲长度成反比.通过优化增益光纤以及可饱和吸收体长度，得到脉冲宽度为30 μs，输出峰值功率为26 W的光脉冲.针对实际场景，通过计算物体反射率，得到最小可探测功率为3.9×10-7 W.

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（责任编辑：包震宇）