高重頻風冷聲光調Q光纖激光器實驗研究

陳鵬飛，伍　波，沈琪皓，何幸鍇

(西南技術物理研究所, 成都 610041)

高重頻風冷聲光調Q光纖激光器實驗研究

陳鵬飛，伍波*，沈琪皓，何幸鍇

(西南技術物理研究所, 成都 610041)

摘要：為了實現功率穩定的風冷高重頻脈沖光纖激光器，采用主振蕩功率放大結構，對聲光調Q的全光纖激光器進行了研究。振蕩級采用聲光調Q方案，以光纖光柵對為激光器腔鏡，915nm激光二極管連續抽運，得到了中心波長1064nm、重復頻率10kHz到130kHz可調的激光脈沖輸出。采用兩級大模場雙包層光纖放大，實現了平均功率101W、脈沖寬度328.1ns、3dB光譜寬度0.6nm的激光輸出。第二放大級光光轉換效率69%，激光器總光光轉換效率達62.7%。分析了聲光調Q產生的寬種子光脈沖經放大后發生波形畸變的原因。結果表明，采用915nm抽運波長提高了激光器輸出激光功率穩定性，在風冷的情況下輸出功率長期穩定性優于2%。

關鍵詞：激光技術；全光纖激光器；主振蕩功率放大；聲光Q開關；功率穩定性

*通訊聯系人。E-mail:147448024@qq.com

引言

脈沖光纖激光器根據其脈沖形成原理可分為調Q光纖激光器、鎖模光纖激光器以及增益調制激光器[1-2]。調Q技術通過在諧振腔內插入電光或聲光調Q器件產生激光脈沖，是一種獲得幾十到幾百納秒脈沖輸出的主要技術手段。近年來，國內外關于脈沖寬度為納秒量級的1064nm波長全光纖聲光調Q光纖激光器的報道相對較多。1999年，OFFERHAUS等人采用聲光調Q方案，獲得了重復頻率500Hz、單脈沖能量2.3mJ的脈沖輸出[3]。2002年，LIMPERT等人采用調Q的Nd∶YAG薄片激光器作為種子源，實現了波長1064nm最大平均功率100W的放大激光輸出，當重復頻率為50kHz時，單脈沖能量2mJ，脈沖寬度90ns[4]。2010年，LECOURT等人用主動調Q的方式獲得了10ns的脈沖輸出[5]。2011年美國的IPG公司報道了最大輸出平均功率200W、能量10mJ的調Q脈沖光纖激光器。國內早期采用空間耦合方式獲得調Q脈沖輸出。2006年上海光學精密機械研究所采用空間抽運耦合主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)結構，在重復頻率為100kHz時得到了平均功率為133.8W的聲光調Q激光脈沖輸出[6]。隨著大功率光纖合束器的發展，到2009年出現了采用全光纖結構的大功率摻Yb3+脈沖光纖激光器[7]。2011年，華北光電技術研究所報道了全光纖結構主振蕩功率放大摻Yb3+脈沖光纖激光器，以光纖光柵為腔鏡，光纖型聲光調Q的光纖激光器為種子源，通過兩級放大后得到了平均功率102.5W、脈沖寬度約240ns的激光輸出，光光轉換效率為60%[8]。2012年，國防科學技術大學報道了平均輸出功率為62W、脈寬157ns的全光纖型調Q脈沖光纖激光器[9]。2013年，北京理工大學報道了全光纖化高功率線偏振摻鐿脈沖光纖激光器，利用全光纖化聲光調Q光纖激光器作為種子源，通過保偏放大獲得了偏振輸出功率29.8W[10]。上述文獻中對光纖調Q理論和振蕩及放大實驗方法報道較多，但是沒有對激光器的功率穩定性分析以及對放大前后脈沖波形變化的比較分析。

本文中報道了全光纖聲光調Q光纖激光器，采用主振蕩功率放大方案，通過兩級正向抽運放大獲得了重復頻率120kHz、平均功率101W、脈沖寬度328.1ns、光束質量為1.6、風冷條件下長期功率穩定性小于2%的激光輸出，并分析了實驗中聲光調Q產生的寬種子光脈沖經放大后發生波形畸變的原因。

1調Q激光器的理論分析

調Q的基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)依據規定的程序變化，剛開始抽運時，把激光器內的損耗調高，此時由于激光器閾值高而不能產生激光振蕩，亞穩態上的粒子數得到積累，在積累到一定程度，迅速調低激光腔內的損耗，閾值也突然降低，這時反轉集居數大大超過閾值，受激輻射迅速的增強[11]。即在極短時間內上能級儲存粒子的能量轉變為激光輻射的能量，在輸出端輸出一個極強的激光巨脈沖。根據激光腔內工作物質的粒子數和腔內光子數變化建立速率方程[12]：

(1)

(2)

式中，Δn是反轉粒子數密度，δ為激光腔內損耗，φ為腔內光子數，Δnth是反轉粒子數密度閾值。

在t=tp時刻，反轉粒子數降至Δnth，這時激光腔內的光子數達到最大值Nmax，此時輸出功率為最大Pmax，速率方程變為:

(3)

初始光子數和調Q脈沖開始時的反轉粒子數密度分別用Nin和Δnin表示，將上式積分得[13]:

(4)

(5)

當Δn=Δnth時，N達到最大值Nmax，此時輸出功率為最大值Pmax。由于Nin?Nmax，(5)式變為:

(6)

峰值功率Pmax為:

(7)

對于聲光調Q激光器峰值功率Pmax、脈沖重復頻率f、脈沖寬度τ以及平均功率Pave的關系式為:

(8)

對摻Yb3+脈沖光纖放大器的分析通常通過二能級粒子數速率方程和抽運光、信號光功率傳輸方程的數值計算得到。在輸入種子光功率較強的情況下，放大自發輻射(amplifiedspontaneousemission,ASE)的影響較小。放大級增益光纖長度根據增益光纖對抽運光的吸收系數進行優化。通常增益光纖對抽運光的總吸收系數達到10dB時，吸收效率可以達到90%。并且由于摻Yb3+光纖對1064nm波長信號光的吸收系數較低，在不引起非線性效應的前提下，放大級中可以使用較長的增益光纖。

2實驗裝置

脈沖光纖激光器實驗裝置如圖1所示，采用主振蕩+2級功率放大方案。振蕩級諧振腔以一對光纖布喇格光柵(fiberBragggrating,FBG)為腔鏡，光纖光柵對的纖芯直徑為10μm，中心波長1064nm，反射率R分別為99.5%和10.1%。振蕩腔中插入一只光纖型聲光(acousto-optic,AO)Q開關實現調Q脈沖輸出，Q開關的上升時間大于100ns。諧振腔中采用10μm/130μm大模場摻Yb3+光纖(largemodearea-Yb3+doped

Fig.1　Experimental setup of the pulsed fiber laser

fiber,LMA-YDF)為增益介質，該光纖對915nm波長吸收系數為1.35dB/m，在采用915nm波長LD抽運時光纖長度優化為約10m。諧振腔中采用自制的功率剝除器泄露包層中剩余抽運光，避免剩余抽運光損壞聲光Q開關。種子光通過(2+1)×1光纖合束器的信號輸入端耦合到第一放大級。第一放大級采用的15μm/130μm大模場摻Yb3+光纖為增益介質，長度優化為約8m。第1級放大器通過自制的功率剝除器泄露包層中剩余抽運光后，注入到第二放大級。第二放大級信號與抽運光輸入采用(6+1)×1光纖合束器，合束器信號輸入端光纖為25μm/250μm，與第一放大級輸出光纖不匹配。為了不影響注入光束的光束質量和功率穩定性，在(6+1)×1合束器前端接入了15μm/130μm光纖到25μm/250μm光纖的模場匹配器。第2級放大器采用25μm/250μm大模場摻Yb3+光纖為增益介質，長度優化為7m。第二放大級激光通過功率剝除器濾除剩余抽運光后輸出，輸出端切8°斜角。實驗中均采用915nm波長大功率激光二極管(laserdiode,LD)為抽運源。相比于976nm波長抽運，摻Yb3+光纖對915nm波段的吸收譜線更寬。因此在不采用精確溫控的情況下，光纖激光器的輸出功率不易受到抽運LD波長隨溫度漂移的影響，輸出功率穩定性更高。

3實驗結果與分析

3.1　振蕩級脈沖種子光輸出

實驗中以915nm波長LD為抽運源，研究振蕩級在不同輸入抽運功率和重復頻率下的輸出特性。圖2為抽運功率分別為8.3W和9.7W時不同重復頻率的激光輸出特性曲線。從圖中可知同一重復頻率時激光輸出功率隨著抽運功率的增加而增大，當抽運功率一定時，激光平均輸出功率隨著脈沖重復頻率的增加而逐漸減小，這是因為隨著重復頻率的增加，聲光Q開關工作周期變短，在抽運功率不變的情況下腔內光子在一個聲光Q開關周期內積累的數量變少。

Fig.2　Average output power vs.repetition rate at different pump power

當抽運功率為9.7W、重復頻率為120kHz時,實現了平均功率2.95W、脈沖寬度264ns、3dB光譜寬度0.32nm、中心波長1064.96nm的振蕩級激光輸出。圖3a和圖3b中分別為振蕩級激光輸出的脈沖波形和光譜。從圖3a可知，振蕩級輸出的調Q脈沖波形不光滑。輸出脈沖寬度可以通過縮短振蕩級腔長減小，但是由于振蕩級使用的聲光Q開關上升時間大于100ns，縮短腔長對減小脈沖寬度的效果有限，并且減小增益光纖的長度會導致輸出功率的下降，因此在振蕩級實驗中最后采用了264ns脈沖寬度。

Fig.3　Pulse shape and optical spectrum of oscillator

3.2　第一放大級激光輸出

以振蕩級輸出的重頻120kHz、脈寬264ns、平均功率2.95W的脈沖激光為第一放大級的種子光。沒有抽運光注入時，直接通過第一放大級的平均功率為2.4W。一級放大后的激光輸出功率與抽運功率的關系如圖4所示。從圖4可知，激光輸出功率與抽運注入功率呈線性關系，未出現飽和現象，繼續增加抽運注入功率，激光輸出功率將會進一步增大。當抽運注入功率為34.4W時激光輸出平均功率為24.1W。圖5為第一放大級輸出的脈沖波形。在逐漸增加抽運功率的過程中，發現輸出激光脈沖的下降沿率先變得平滑而后上升沿會出現小的突起或尖刺，整個放大過程中脈沖先被壓窄而后被展寬，這是在放大過程中脈沖的下降沿被壓縮而上升沿被展寬的綜合效應與種子光脈沖不平滑共同作用的結果。

Fig.4　Average output power vs. pump power of the first amplifier

Fig.5　Pulse shape of the first amplifier

3.3　第二放大級激光輸出

第二放大級沒有抽運光注入時，直接輸出的平均功率為19.8W。第二放大級激光輸出功率與抽運功率的關系如圖6所示。從圖6可知，激光輸出功率與抽運注入功率呈線性關系，并未出現飽和。第2級放大器注入抽運功率為117W時，放大激光平均輸出功率為101W，相應的光光轉換效率達69%，光纖激光器總的光光轉換效率達62.7%。

Fig.6　Average output power vs. pump input power of the second amplifier

激光器采用風冷的溫控方式，增益光纖纏繞后緊貼金屬板，抽運LD涂抹導熱脂后固定在熱沉上，在這樣的條件下激光器工作2s后輸出趨于穩定，8h監測，測量激光器長期功率穩定性優于2%。用光束質量儀測量輸出激光的光束質量為1.6。

在輸出激光功率為101W、重復頻率120kHz時,測量脈沖寬度約為328.1ns。使用光譜儀測量輸出脈沖激光光譜，輸出激光中心波長1064.9nm，光譜寬度為0.6nm。激光輸出脈沖波形和光譜如圖7所示。

在增大抽運功率的過程中發現,激光脈沖波形在上升沿一側逐漸出現凸起，并隨著輸出功率的增大而變得尖銳。繼續增加抽運功率，輸出脈沖波形出現多個尖銳波峰，如圖7a所示。上述現象與第一放大級的輸出脈沖波形變化情況相同，只是由于注入抽運功率遠大于第一放大級，導致輸出脈沖波形上升沿的變化更加明顯。這是由于注入的調Q脈沖波形不平滑，而且在未飽和放大前提下，隨著抽運功率的增大，放大級增益光纖內儲能增加，種子光脈沖通過放大級時上升沿首先被放大，上能級粒子數因為被消耗而迅速減少，隨后又會因抽運的抽運而快速增多，準備參與下一次的放大，并且抽運功率越大,上能級粒子數增加得越快。種子脈沖上升沿越寬越不平滑，脈沖在放大過程中出現的波峰個數將會越多。

Fig.7　Pulse shape and optical spectrum of laser output

4結論

設計了全光纖結構的風冷脈沖光纖激光器裝置，振蕩級采用聲光調Q方案，輸出激光脈沖重復頻率10kHz到130kHz可調。以120kHz重復頻率、脈沖寬度264ns、平均功率2.95W的振蕩級輸出為種子光，經過兩級正向抽運放大后獲得了功率為101W、脈沖寬度為328.1ns、光譜寬度為0.6nm的激光輸出。光纖激光器總的光光轉換效率達62.7%，光束質量為1.6，8h內監測輸出功率穩定性小于2%。

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Experiment research of high repetition rate acousto-optic

Q-switched fiber laser under air cooling

CHENPengfei,WUBo,SHENQihao,HEXingkai

(Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu 610041, China)

Abstract：In order to obtain the air cooling high repetition fiber laser with stable power, an acoustic-optical Q-switched all-fiber laser with master oscillator power amplifier structure was studied. The oscillator used the scheme of acousto-optic Q-switched with a pair of fiber Bragg grating as laser cavity mirrors. Pumped by 915nm laser diodes, 1064nm laser pulse output was acquired with adjustable repetition rates from 10kHz to 130kHz. Through two-stage double clad large mode area fiber amplifier, 101W output power was obtained with 328.1ns pulse width. The 3dB optical spectrum width of fiber laser was 0.6nm. Optical-optical efficiency of the second amplifier stage was 69%. The total optical-optical efficiency of laser was 62.7%. The distortion cause of long width seed pulse created by acousto-optic Q-switched through the amplification was studied. The experimental results show that pumped by 915nm laser diodes, the long-term stability of output power is proved to less than 2% under air cooling.

Key words:laser technique; all-fiber laser; master oscillator power amplifier; acousto-optic Q-switched; power stability

收稿日期：2014-11-17；收到修改稿日期：2014-12-12

作者簡介：陳鵬飛(1990-)，女，碩士研究生，主要從事脈沖光纖激光器的研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(2011YQ110059)

中圖分類號：TN248.1

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.06.010

文章編號：1001-3806(2015)06-0780-05