新型主振荡器功率放大系统的研究

秦 冲

(1.河南科技大学 应用工程学院，河南 三门峡 472000; 2.三门峡职业技术学院 汽车学院，河南 三门峡 472000)

0 引言

众多的科研人员对轴对称场振幅分布与径向(或方位角)偏振态的圆柱矢量光束(CVBs)开展了大量的研究工作，并取得了一些实用性的成果。从现有的研究进展来看，径向偏振光具有高数值孔径聚焦及径向偏振等特性[6]，在材料加工工艺[1-3]、超分辨率成像[4-5]等领域中具有良好的应用前景，潜力巨大。

随着对于径向偏振光研究的深入，已经形成了多种类型的生产方法，不同的方法在具体原理及应用效果上存在一定的差异性[7-9]，在实际应用中需要综合考虑效果及成本等因素，从而选择最佳的方法。目前基于CO2激光器[10-11]、碟片多通放大器[12]等构成的放大器已达到600 W脉冲正交连续波(QCW)以上的功率。与固体激光器等[13]类型相比，光纤激光器具有较高的效率和可靠性，成本较低，且便于进行安装和部署，故而将其应用于大功率CVBs激光输出中。

Shankar等[14]设计的全光纤熔接耦合器是基于相位匹配的方式实现对标准单模光纤(SMF)基模的耦合，具体包括TM01、TE01两种模式，对应的偏振纯度分别为70%、82%。Wan等[15]通过全光纤主动调品质因数(Q)掺Yb激光器形成了CVBs，属于在该领域研究中的重要突破，在特定参数条件下得到的纯度超过了93.5%。Lin等[16]设计的主振荡器功率放大(MOPA)系统实现了对线偏振高斯光束的有效转换，继而能够得到对应的环形偏振光束，在具体转换过程中利用了q波片，脉冲能量和持续时间分别为30.7 μJ、110 ps，对应的功率均值为42 W，采用适当增大重复频率的方式，功率均值在达到5.468 MHz时已经处于100 W以上。

本文针对全光纤MOPA激光器进行了分析和设计，包括系统的基本结构及参数设计等。其中涡旋波片属于关键部分，可以实现输出线与偏振光之间的有效转换，最终获得了符合要求的径向偏振涡旋光，其功率均值达到19.5 W，模式纯度达到88.5%，填补了国内在此领域研究的空白。

1 模式转换原理

本次研究需要对线偏振高斯光束进行转换，继而得到对应的径向偏振光束。在转换过程中采用不同的方法，最终将空间相位转换器添加至腔外光路内，可以满足转换的要求。本文针对模式转换的基本原理进行介绍，首先假设在z轴正方向有准单色平面波传播，则其横向电场[8]为

E(r,θ,z)=Er(r,θ,z)r+Eθ(r,θ,z)θ

(1)

具体划分为径向、角向偏振，二者的电场依次为

Er=Escosθ+Epsinθ

(2)

Eθ=Escosθ-Epcosθ

(3)

式中：s、p为横向且互相正交的两个电场矢量；r、θ为极坐标下两方向矢量。

入射水平偏振光、涡旋波片的琼斯矩阵[17-18]为

(4)

(5)

式中φ为波片方位角。

结合上述分析得到经过涡旋波片后的电场为

(6)

综上所述，式(6)与式(2)吻合，由此可以认为线偏振光已成功转换为径向偏振光。

2 实验装置

本文对实验装置进行了合理的设计。本次实验中采用径向偏振光输出的多级掺镱光纤放大器(YDF MOPA)实验装置如图1所示。由图可知，整个装置总体划分为探测模块、YDF放大器等部分，各个部分的结构及功能存在差异性，需要通过正确的方式进行衔接才能实现整体的功能。本次实验需要调制种子光，具体是基于EOIM(NIR-MX-LN-10)实现。种子源采用1 064 nm窄线宽连续光纤激光器，其输出功率为10 mW，线宽为20 kHz。实验中涉及多个过程，首先需要进行预放大处理，但在调制过程中需要设置重复频率及脉冲宽度两个参数，二者分别为10 kHz、10 ns，然后通过5级YDF放大器实现对脉冲的进一步放大处理。

图1 径向偏振光输出的YDF MOPA实验装置

基于高掺杂保偏增益光纤实现预放大处理的过程，需要确保光纤参数可以达到使用的要求，其中长度依次设置为1.5 m、1 m，包层、纤芯直径分别为∅125 μm、∅6 μm。泵浦耦合器(PC)属于关键部分，可以实现对泵浦光、信号光之间的耦合，对于耦合的剩余部分需要通过滤波方法进行处理，而滤波过程则应该基于信号特征选择最优的方法。常用的是带通滤波方式，即设置合适的滤波频段，以保证滤波后可满足要求。另外，基于这种方式也可消除自发辐射光(ASE)。

在设计过程中结合应用要求选择后3级包层泵浦放大器的增益介质，具体是基于双包层掺Yb光纤实现。三、四级包层泵浦放大器可将多模激光二极管(LD)泵浦光耦合到保偏光纤内，在此过程中需要采用(2+1)×1合束器；而对于最后一级则需要使用不同的增益介质，具体是Nufern PLMA-YDF- 30/250-Ⅷ光纤。LD泵浦源和前两级放大器基本一致。为了对反向光进行有效监测，需要实现对功率的实时测定，依据其变化趋势进行分析。如果功率呈增长趋势，且存在明显的随机性，则可认为存在受激布里渊散射(SBS)效应，在这种情况下需要结束泵浦光增长的过程。除了上述设计外，光隔离器(ISO)同样属于必不可少的部分，基于这种设计方式提升了对于光纤器件的保护效果。针对第三级包层泵浦放大后进行了泵浦倾泻(PS)，由此能够实现泵浦光的溢出，最终可以通过准直器对信号光进行输出，并满足使用的要求。

本次设计利用了成熟的液晶聚合物(LCP)涡旋半波片，其能达到较高的传输效率(超过了98%)，所以可以直接忽略矢量转换光束在光束质量上的退化。从结构上可以将其划分为N-BK7玻璃片、LCP薄膜等部分，其中N-BK7玻璃片的厚度和半径依次是1 mm、11.5 mm，且需要使用两个。LCP涡旋波片的作用是实现半波延迟，该过程保持了较高的稳定性，快轴方向θ处于动态变化的状态，和φ存在密切的关联性，具体形式为θ=φ/2+δ(其中δ为φ=0°时波片快轴的方向角)。结合θ=φ/2+δ可知，在快轴和入射偏振光束保持适宜角度时即可得到需要的CVBs。

3 实验结果与分析

3.1 LCP径向偏振光的输出特性

本研究基于实验方法进行了分析，探讨了LCP径向偏振光的输出特性。在具体实验中通过柏克莱封包过滤器(BPF)消除泵浦光和ASE，然后对前置放大器光纤长度进行优化处理，基于这种方式可以保证脉冲序列达到应用要求。

依据采用的实验装置(见图1)及设置的参数完成了实验过程，并对实验结果进行分析。包层泵浦主放大器的输出光谱分布如图2所示，此时的功率均值为20 W，由图可看出，信噪比(信号光-泵浦光)>30 dB。此外，还有效地抑制了ASE。

图2 包层泵浦主放大器的输出光谱

对LCP涡旋波片位置进行合理设置，将其置于特殊的调整架中，不仅便于进行移出或移入，同时能够将光束入射到波片中心区域，基于这种方式可以保证MOPA系统在不同模式下进行切换(见图3)。结合图3可得到对应的转换效率，其中在泵浦功率达到26.5 W时，得到TM01、LP01两种模式下的径向偏振光功率均值分别为19.5 W和20.1 W，LP01转换效率达到了97%。在这种情况下，总泵浦功率达到36.06 W，对应的斜效率为54%。

图3 TM01和LP01模式平均输出功率随注入泵浦功率的变化

本研究对光脉冲时间分布进行了测定分析，结果如图4所示。由图可知，在最大功率输出的情况下，脉冲持续时间呈现降低的趋势，即从10 ns变为7.5 ns。针对该现象进行分析，发现这是由于在放大过程中强度更大的脉冲中心区域从主放大器提取的能量比脉冲前、后沿高，导致脉宽被压缩。

图4 经EOIM和LCP涡旋波片调制后的脉冲时间分布

最大功率运行时的光束轮廓如图5所示，其中图5(a)、(b)分别为两种模式下的光束强度分布。结合图5(a)、(b)可看到，空心环形强度剖面基本处于稳定状态，并未受到输出功率变化的影响。另外，为了使光束径向偏振处于稳定状态，可以将1/2、1/4波片置于输出端。

图5 最大功率运行时的光束轮廓

由图5(c)可知，在20.03 W时的光束基本处于最佳状态，各个区域的强度分布特征不同，其中两侧处于圆对称状态，而中间位置趋向于0。此外，经过旋转线偏振器后的强度分布如图5(d)所示，图中白色箭头为透振方向。

本文探讨了光束强度分布和输出功率变化之间的关系，分析了输出功率变化时所产生的影响。最终得到的结果如图 6所示。由图可知，在光束剖面上存在显著的空心环，并且在输出功率改变的情况下其对应的椭圆度基本一致，并未出现显著变化，总体保持在10%以内。出现此现象的原因是输出光束的像差导致椭圆度的形成。根据本次实验结果可知，光束强度受输出功率改变的影响，二者存在微弱的正相关性，即输出功率增大导致中心强度出现一定的增加，但增幅相对较小。另外，受到ASE形成等因素的影响，偏振光的纯度降低，导致在超过20 W的情况下，中心强度已不等于0。

图6 测量不同输出功率下径向偏振光束的强度分布

3.2 LCP径向偏振光纯度检测

由图6可知，输出功率的变化导致椭圆度出现变化，二者表现为一定的负相关性，而这与模式纯度的变化有关。本研究针对LCP径向偏振光纯度进行检测分析，而采用方法的合理性会直接影响到检测的效果，这里选择了偏振分光棱镜(PBS)测量法。通过PBS法可以将径向偏振光等效为垂直、水平偏振光两部分，分别用S、P表示，二者占据的比例不同，主要与模式纯度直接相关。PBS法测量径向偏振光模式纯度的实验装置如图7所示，在整个装置中划分为功率采集模块、光强采集模块等部分。图中红色虚线区域对应MOPA系统，基于各部分的配合可以实现强度分布及功率的采集，最终得到的结果如图8所示。

图7 PBS法测量径向偏振光模式纯度的实验装置

图8 在多种偏振条件下的光强分布

结合图8中所示的结果可知，各个方向的光强分布总体是一致的，基本不存在显著区别，此时可以得到径向偏振光纯度为

n=1,2,3,4

(7)

式中：Wn为各个偏振方向，与图8(b)～(e)之间保持对应；W为总功率。进一步针对模式纯度进行计算，代入功率值，然后可得到对应的纯度，依次是86.4%、92.8%、96%、80%，在此基础上计算对应的均值为88.5%。纯度上的差异说明该系统输出的径向偏振光中混杂着未被LCP涡旋波片转换的线偏振信号光，其原因在于空间型LCP涡旋半波片的模式转换效率无法达到100%，且实验过程中存在各种误差。

除了上述研究外，本研究还针对模式纯度开展了重复测试，图9为测试结果。径向偏振模式纯度经1 h测试后，其稳定性保持在3%以内。

图9 60 min模式纯度测试

4 结束语

本文针对MOPA结构YDF激光器系统进行研究和设计，由此得到了满足使用要求的纳秒脉冲序列，其中功率均值超过20 W。此次研究采用LCP涡旋半波片，获得了稳定的径向偏振涡旋光束，根据测试结果可知模式纯度和功率均值分别为88.5%、19.5 W，即达到了较高的转换效率和功率。优化了光路设计，从而使径向偏振光束达到更高的模式纯度。本文设计的CVBs源显示出较大的应用潜力，可应用于材料加工领域中，有助于提高材料加工的品质。