高峰值功率掺Yb-(3+)石英光纤脉冲单频MOPA_石争.pdf

0106004-1研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报高峰值功率掺 Yb3+石英光纤脉冲单频 MOPA石争1，2，盛泉1，2，史朝督1，2，付士杰1，2*，邓勋1，2，田浩1，2，史伟1，2*，姚建铨1，21天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所，天津 300072；2天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072摘要 报道了基于掺 Yb3+石英有源光纤的高峰值功率脉冲单频激光主振荡功率放大器（MOPA）。实验研究了主放大器中有源光纤长度对脉冲单频激光峰值功率、受激布里渊散射（SBS）阈值和光-光转换效率的影响，为优化激光器的转换效率和抑制 SBS 效应提供了依据。当使用的有源光纤长度为 0.9 m 时，21 W 泵浦功率下脉冲宽度为 2.4 ns、重复频率为20 kHz的 1064.4 nm 脉冲单频激光的平均输出功率为 4.37 W，且没有明显的连续波放大自发辐射（ASE）成分，对应的单脉冲能量为 0.22 mJ，峰值功率可达 91 kW。最大输出功率时脉冲单频激光光谱线宽为 279 MHz，光信噪比为 45 dB，光束质量因子 M2为 1.44。关键词 光纤光学；脉冲单频激光；光纤激光器；主振荡功率放大器；受激布里渊散射中图分类号 TN248 文献标志码 A DOI：10.3788/AOS2211711引 言高峰值功率的脉冲单频光纤激光在激光雷达、非线性光学频率变换、遥感和激光相干合成等领域中具有广泛的应用前景，是激光技术领域的研究热点1-5。尤其是，基于全光纤主振荡功率放大器（MOPA）结构的脉冲光纤激光器具有良好的系统集成性、稳定性和环境适应性，是实现高峰值功率脉冲单频激光输出的主 要 方 法 之 一。其 中，由 强 度 调 制 器 调 制 连 续 波（CW）单频激光而产生的脉冲序列作为 MOPA 系统的种子源，相比于调 Q 脉冲激光6-10，在脉冲宽度、重复频率和脉冲波形控制方面更为灵活。然而，由于脉冲单频激光的窄光谱线宽和高峰值功率，以及光纤对光场的限制作用产生的高功率密度和非线性效应作用长度的积累，脉冲单频光纤 MOPA 在功率放大过程中容易发生严重的受激布里渊散射（SBS）效应，这成为了限制脉冲单频激光峰值功率提升的主要因素11-14。为实现高峰值功率的脉冲单频激光输出，通常可采用小于光纤材料声子寿命（石英光纤约为 10 ns）的脉冲宽度来抑制 SBS 效应15。结合软玻璃光纤提高激光增益、锥形光纤增加模场面积和施加温度或应力梯度控制 SBS 有效增益等方法可以进一步提高 SBS阈 值16-27。2012 年，Petersen 等16采 用 长 度 仅 为12 cm、纤芯直径为 25 m、包层直径为 400 m 的高掺Er3+/Yb3+磷酸盐光纤，在 3 ns脉冲宽度和 10 kHz重复频率下实现了最高峰值功率为 128 kW 的 1550 nm 脉冲单频激光输出。同年，Fang等18采用长度为 41 cm、纤芯直径为 30 m、包层直径为 300 m 的高掺杂锗酸盐光纤对脉冲宽度为 2 ns的 1918 nm 单频种子光进行放大，获得了最高峰值功率为 78.1 kW 的输出。与高增益软玻璃光纤相比，石英光纤具有更好的机械性能、与光纤器件的兼容性，有助于系统的全光纤化和实用化。2016年，Ran等20采用一段 9 m 长、纤芯直径为 20 m、内包层直径为 400 m 的保偏掺 Yb3+石英有源光纤，对脉冲宽度为 3 ns、重复频率为 5 MHz的脉冲单频激光进行放大，获得了峰值功率为 8.5 kW 的脉冲单频激光输出。石英基质对稀土离子的溶解度较低，采用较长的有源光纤才能提供足够的激光增益，故不利于SBS 效应的抑制。为解决此问题，研究人员尝试用大模场的锥形有源光纤控制 SBS 增益22，24。2021 年，Huang 等22采用了一段总长度为 1.27 m 的保偏大模场锥形光纤，在 3.8 ns脉冲宽度和 80 kHz重复频率下获 得 了 峰 值 功 率 为 30 kW、线 宽 为 283.8 MHz 的1064 nm 脉冲单频激光输出，光束质量因子为 M2=1.2。虽然使用锥形有源光纤能够达到数十千瓦峰值功率水平，但是其成本因素在一定程度上限制了该技术的广泛应用。近年来，随着石英有源光纤制备工艺的进步，商用掺 Yb3+石英光纤也能够实现较高的泵浦吸收和激光增益，从而可在缩短光纤长度和提高 SBS阈值的同时保证脉冲单频激光的有效放大，为高峰值收稿日期：2022-05-20；修回日期：2022-07-04；录用日期：2022-07-11；网络首发日期：2022-07-21基金项目：国家自然科学基金（62075159，62105240，61975146）、山东省重点研发计划（2019JZZY020206，2020CXGC010104）通信作者：*shijie_；*0106004-2研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报功率的全光纤脉冲单频激光输出提供了有利条件。本文采用商用掺 Yb3+石英光纤作为脉冲单频光纤激光 MOPA 主放大器的增益介质，对脉冲宽度为2.4 ns、重复频率为 20 kHz 的 1064.4 nm 脉冲单频激光进行放大。研究了所能实现的脉冲单频激光峰值功率、SBS阈值和光-光转换效率随有源光纤长度的变化关系，通过优化有源光纤长度来平衡泵浦吸收和 SBS阈值，使用长度为 0.9 m 的有源光纤时实现了最大单脉冲能量为 0.22 mJ、峰值功率为 91 kW 的 1064.4 nm脉冲单频激光输出。2实验装置图 1 为脉冲单频光纤 MOPA 实验装置示意图。中心波长为 1064.4 nm、输出功率为 30 mW、线宽为1 kHz 的 单 频 掺 Yb3+光 纤（YDF）激 光 器（NP Photonics，RFLS-25-3-1064）结合一级纤芯预放大器后可得到 70 mW 的连续波激光输出，激光输出经任意波形发生器（AWG）控制的电光强度调制器（EOIM，iXblue，NIR-MX-LN-10，带宽为 12 GHz）调制后产生脉冲序列，一个和 EOIM 时域同步的声光强度调制器（AOM）用来进一步滤除脉冲序列中的连续波成分和带内放大自发辐射（ASE）。在 EOIM 和 AOM 之间配置两级掺 Yb3+纤芯预放大器对其峰值功率进行预放大以补偿 EOIM 和 AOM 的插入损耗。在 AOM 后可得到脉冲宽度为 2.4 ns、重复频率为 20 kHz、平均功率为 0.16 mW 的脉冲单频激光输出，将其作为脉冲单频激光种子源，再利用两级包层预放大器和一级包层主放大器对种子源进行功率放大。两级包层预放大器分别采用长度为 1.5 m、纤芯直径为 10 m、包层直径为130 m 的 掺 Yb3+有 源 光 纤（Nufern，LMA-YDF-10/130-M，在 975 nm 处 的 包 层 泵 浦 吸 收 系 数 为4.1 dB/m）和长度为 2 m、纤芯直径为 20 m、包层直径为 130 m 的掺 Yb3+有源光纤（Nufern，LMA-YDF-20/130-VIII，在 976 nm 处 的 包 层 泵 浦 吸 收 系 数 为8.7 dB/m）作为增益介质，泵浦源均为 976 nm 稳波长半导体激光器（LD）。脉冲单频激光种子源在两级包层预放大器中 4.6 W 和 2.6 W 泵浦功率下平均功率分别被放大至 45 mW 和 120 mW。经两级包层预放大后单脉冲能量被放大至 6 J，脉冲宽度仍保持为2.4 ns，相应的峰值功率为 2.5 kW。主放大器采用纤芯直径和包层直径分别为 30 m 和 250 m 的掺 Yb3+石英光纤（Liekki，Yb-1200-30/250）作为增益介质，该光纤在 976 nm 处的包层泵浦光吸收系数为 14 dB/m。将主放大器有源光纤盘绕成直径为 14 cm 的圆形光路，并固定在水冷散热器上。实验中在各级放大器之前均加入隔离器（ISO）以滤除反向的 ASE，在级间加入带通滤波器（BPF）以滤除带内 ASE。主放大器之后放置包层模式剥除器（CMS）以滤除剩余泵浦光。主 放 大 器 输 出 端 采 用 8 角 斜 切 方 式 来 避 免 端 面反射。3结果与讨论为实现高峰值功率的脉冲单频激光输出，需尽量缩短种子光的脉冲宽度以抑制 SBS 效应，种子源脉冲宽度（半峰全宽，FWHM）为 2.4 ns，其为受 AWG 带宽所限的最小脉冲宽度。实验中除了用能量计探头Ophir PE10-C 直接测量激光输出的单脉冲能量外，还采用功率计探头 Ophir 12A 测量激光输出的平均功率，以验证脉冲单频光纤激光 MOPA 的输出中是否存在连续波 ASE成分。当主放大器使用不同长度的有源光纤时，注入的最大泵浦功率、获得的峰值功率和光-光转换效率分别如图 2（a）（c）所示。需要说明的是，当有源光纤长度为 0.5 m 和 0.7 m 时，在注入泵浦功率分别达到 18 W图 1脉冲单频光纤 MOPA实验装置示意图Fig.1Schematic diagram of pulsed single-frequency fiber MOPA0106004-3研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报和 20 W 后均观察到吸收泵浦功率和输出功率不再随泵浦功率的增加而线性上升，发生了明显的饱和现象，故在泵浦功率达到 21 W 后不再继续增加泵浦功率，即图 2 中实心部分所示的泵浦功率、峰值功率和转换效率均受到了较短长度的有源光纤的泵浦吸收限制，相应的最高峰值功率分别为 62 kW 和 75 kW，光-光转换效率为 14%和 17%。增加有源光纤长度能够起到改善泵浦吸收、提高转换效率的作用，当有源光纤长度为0.9 m 时，在 21 W 泵浦功率和 20 kHz重复频率下激光单脉冲能量可达到 0.22 mJ，对应的脉冲峰值功率为91 kW，此时激光平均输出功率为 4.37 W，对应的光-光转换效率为 21%。然而，在此有源光纤长度下进一步增加泵浦功率会出现显著的 SBS 现象，即在主放大器的信号/泵浦合束器的空闲泵浦端口处监测的反向光光谱中会产生明显的 SBS 斯托克斯光成分。继续增加有源光纤长度，由于泵浦吸收得到改善，故光纤激光 MOPA 的光-光转换效率得到了进一步提升，使用1.5 m 长的有源光纤时光-光转换效率可以达到 35%。然而，光纤激光 MOPA 的 SBS 阈值和相应受 SBS 效应所限的最大脉冲峰值功率逐渐降低，有源光纤长1.5 m 时泵浦功率超过 3 W 即发生 SBS，所得到的最大脉冲峰值功率仅为 22 kW。在上述过程中，用能量计记录的单脉冲能量与用功率计记录的平均功率和脉冲重复频率换算得到的单脉冲能量始终保持一致，说明没有产生明显的连续波 ASE 成分。同时，在不同光纤长度下激光输出功率在 30 min 的观测中不稳定度均小于 2%。图 3 给出了有源光纤长度为 0.5、0.9、1.5 m 时光纤激光 MOPA 输出的平均功率和峰值功率随注入泵浦功率的变化关系。可以看出：虽然增加有源光纤长度能够显著改善转换效率，但是 SBS 效应严重限制了激光器的功率；当光纤长度为 0.5 m 时，在泵浦功率达到 18 W 之后激光输出功率随泵浦功率的增长十分缓慢。因此，优化有源光纤长度并综合考虑泵浦吸收和 SBS 效应的影响是实现高峰值功率脉冲单频激光输出的关键。本实验后续激光输出性能的测量均基 于 0.9 m 长 的 有 源 光 纤，在 该 光 纤 长 度 下，2080 kHz 重复频率下脉冲单频激光系统的 SBS 阈值未表现出明显差异。图 4（a）、（b）分 别 为 使 用 高 速 光 电 探 测 器（Thorlabs，DET08CFC，上升沿约为 70 ps）和示波器（Tektronix，TDS3052C，带 宽 为 500 MHz，采 样 率 为5 GSa/s）记录