2 μm大能量摻銩脈沖光纖激光器研究進(jìn)展

鄭博文,楊 超,李永亮,李 鑫

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

1 引 言

光纖激光器具有轉(zhuǎn)化效率高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。銩離子發(fā)射光譜涵蓋1.7～2.1 μm,是產(chǎn)生2 μm波段激光高效的工作物質(zhì)。2 μm波段激光對(duì)CO2,H2O,CH4等具有明顯的吸收峰[1-2],在生物醫(yī)療、非金屬材料加工、光通信等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在生物醫(yī)療領(lǐng)域,水在1.94 μm處強(qiáng)烈吸收,摻銩光纖激光器可作為激光手術(shù)刀使用,可以快速凝固血液,對(duì)組織損傷小,止血效果好[3-6]。2 μm波段處在人眼安全波段,用2 μm激光進(jìn)行眼科手術(shù)時(shí),大大降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在非金屬材料加工領(lǐng)域,與近紅外波段光纖激光器相比,聚合物、透明玻璃等非金屬材料對(duì)2 μm波段激光具有較強(qiáng)的吸收作用[7],因此2 μm波段摻銩光纖激光器有著近紅外波段激光器無(wú)法取代的作用。在光通信領(lǐng)域,2 μm波段激光位于大氣傳輸窗口,2 μm波段激光在大氣中傳輸損耗較低,2 μm脈沖光纖激光器可以輸出大能量激光,能夠在大氣中進(jìn)行遠(yuǎn)距離激光通信[8-9]。2 μm脈沖激光還可以作為中紅外3～5 μm高效泵浦源[10],該波段可用于光電對(duì)抗等國(guó)防領(lǐng)域。

相較于連續(xù)激光,脈沖激光的峰值功率高、熱影響區(qū)小,因此具有更廣闊的應(yīng)用前景。目前2 μm摻銩光纖振蕩器單脈沖能量能達(dá)到納焦量級(jí),想要繼續(xù)提高單脈沖能量需要用到主控振蕩器的功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)結(jié)構(gòu)。近些年,2 μm脈沖光纖激光器獲得的單脈沖能量不斷增大。2011年,北京工業(yè)大學(xué)劉江課題組[11]搭建了全光纖結(jié)構(gòu)被動(dòng)鎖模的摻銩皮秒脈沖光纖激光器,使用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)測(cè)出激光單脈沖能量為8 nJ。2017年香港大學(xué)Li Can[12]課題組,設(shè)計(jì)了短波長(zhǎng)基本鎖模摻銩光纖激光器,隨后使用光纖啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了激光單脈沖能量為5.7 nJ的激光脈沖。2019年,馬來(lái)亞大學(xué)光子學(xué)研究中心H.Ahmad[13]課題組搭建出一種可飽和吸收體為ZnO的鎖模摻銩光纖激光器。產(chǎn)生的單脈沖能量為58.4 pJ。

綜上可以看出目前在2 μm波段使用脈沖摻銩光纖振蕩器來(lái)產(chǎn)生大能量脈沖是很困難的。我們可以使用調(diào)Q、耗散孤子共振鎖模、增益開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合MOPA結(jié)構(gòu)進(jìn)行多級(jí)放大以達(dá)到毫焦量級(jí)的單脈沖能量輸出。

2 DSR鎖模摻銩脈沖光纖激光器

鎖模脈沖光纖激光器[14-16]輸出峰值功率高,但脈沖寬度窄,這就限制了鎖模脈沖光纖激光器輸出的單脈沖能量。但是利用耗散孤子共振[17-19](Dissipative Soliton Resonance,DSR)這一理論設(shè)計(jì)出的DSR鎖模脈沖光纖激光器可以輸出大能量激光脈沖。耗散孤子與以往的高斯型脈沖不同,其脈沖形狀與矩形相同,當(dāng)泵浦功率不斷增高,其脈沖幅值會(huì)保持穩(wěn)定不變。這種孤子不易分裂,在理論上其脈沖能量可無(wú)限疊加。輸出脈沖隨著泵浦功率的增加而線性變寬,但是輸出脈沖的峰值功率始終保持在一個(gè)水平,這會(huì)導(dǎo)致單脈沖能量一直增加,這是由于峰值功率箝位效應(yīng)[20](Peak Power Clamping,PPC)引起的。

2016年,深圳大學(xué)的趙俊清等[21]在全異常色散的摻銩雙包層光纖激光器中產(chǎn)生納秒級(jí)耗散孤子共振(DSR),結(jié)構(gòu)如圖1所示,利用兩級(jí)摻銩光纖(Thulium-doped Fiber,TDF)放大器將平均功率提高到100.4 W。用非線性光纖環(huán)鏡(Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM)實(shí)現(xiàn)了TDF振蕩器的DSR鎖模。TDF振蕩器能提供持續(xù)時(shí)間3.74～72.19 ns的矩形脈沖,同時(shí)保持幾乎相等的輸出峰值功率(0.65 W)。兩級(jí)放大器可以將脈沖擴(kuò)展到相似的平均功率水平,但根據(jù)持續(xù)時(shí)間的不同,其峰值功率為0.94～18.1 kW。TDF主振蕩器功率放大器系統(tǒng)可以提供2 μm波段全光纖激光源,脈沖持續(xù)時(shí)間和峰值功率可調(diào)。

圖1 大功率DSR全光纖系統(tǒng)

2019年,深圳大學(xué)的鄭志堅(jiān)等[22]搭建了在DSR下工作的全光纖9字腔鎖模雙包層摻銩光纖激光器。結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示,用非線性放大環(huán)鏡技術(shù)(Nonlinear Amplification Loop Mirror,NALM)獲得穩(wěn)定的矩形脈沖。輸出功率和脈沖能量通過(guò)三級(jí)MOPA系統(tǒng)進(jìn)一步提高。在最大泵浦功率下,基于MOPA系統(tǒng)平均輸出功率可達(dá)104.3 W,脈沖能量為0.33 J。

圖2 DSR激光振蕩器

圖3 DSR的MOPA原理圖

DSR鎖模屬于被動(dòng)鎖模的一種,在鎖模摻銩光纖激光器中,目前只有DSR鎖模光纖激光器能輸出毫焦量級(jí)的脈沖激光輸出。其輸出功率受到可用泵浦的影響,輸出能量進(jìn)一步提高需增大泵浦功率。

3 增益開(kāi)關(guān)摻銩脈沖光纖激光器

增益開(kāi)關(guān)[23](Gain-Switch)技術(shù)通過(guò)對(duì)泵浦源電信號(hào)直接調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光脈沖輸出。增益開(kāi)關(guān)摻銩脈沖光纖激光器后接放大結(jié)構(gòu)可以輸出大能量脈沖。

2010年,上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的唐玉龍等[24]基于增益開(kāi)關(guān)技術(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。使用Tm:YLF晶體[25]激光器實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)摻Tm3+光纖激光器脈沖激光輸出。中心波長(zhǎng)為2020 nm、脈沖重復(fù)頻率可從500 Hz～50 kHz進(jìn)行調(diào)諧,脈沖寬度可從75 ns～1 μs進(jìn)行調(diào)諧。最大脈沖峰值功率為138 kW、最大脈沖能量超過(guò)10 mJ。在一級(jí)放大系統(tǒng)中,峰值功率為10 kW,最大脈沖能量為4 mJ。在二級(jí)放大系統(tǒng)中,增加泵浦的功率直到端帽的端面被破壞?？梢詼y(cè)得2 μm激光最大輸出功率為5.2 W,對(duì)應(yīng)的脈沖能量為10.4 mJ。

圖4 組合增益開(kāi)關(guān)Tm3+光纖激光器結(jié)構(gòu)

2013年,國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的殷科等[26-27]基于增益開(kāi)關(guān)技術(shù)搭建了全光纖結(jié)構(gòu)摻銩二級(jí)MOPA激光器,輸出激光中心波長(zhǎng)為1958 nm、重復(fù)頻率10 kHz、脈沖寬度為1.6μs、單脈沖能量為0.518 mJ。次年,基于增益開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合兩級(jí)摻銩光纖放大器對(duì)激光進(jìn)行放大,輸出激光中心波長(zhǎng)為1979.4 nm、重復(fù)頻率20 kHz、峰值功率高于10 kW、脈沖寬度為82 ns、單脈沖能量為0.86 mJ。與上組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比脈寬減小的原因是其減小了增益光纖的長(zhǎng)度、增大了二級(jí)放大中光纖纖芯面積、增大了泵浦源的總功率。

2015年,國(guó)防科技大學(xué)的Li Lei等[28]采用大能量全光纖納秒摻銩二級(jí)MOPA光纖激光器。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示,種子振蕩器是由1550 nm光纖激光器泵浦的線性偏振增益開(kāi)關(guān)光纖激光器。在使用兩級(jí)雙包層光纖放大器以后,系統(tǒng)中心波長(zhǎng)2050 nm,為重復(fù)頻率為40 kHz時(shí),脈沖寬度為100 ns、峰值功率為10 kW、單脈沖能量為1 mJ。

圖5 摻銩MOPA系統(tǒng)原理圖

2022年,德國(guó)弗勞恩霍夫光電系統(tǒng)技術(shù)和圖像開(kāi)發(fā)研究所的Dominik Lorenz等[29]研制了2047 nm的脈沖保偏(PM)三級(jí)MOPA光纖激光器,實(shí)驗(yàn)如圖6所示,在重復(fù)頻率為50 kHz時(shí),脈沖寬度為50 ns、單脈沖能量為396 μJ。

圖6 MOPA結(jié)構(gòu)圖

表1為增益開(kāi)關(guān)摻銩脈沖光纖激光器近年來(lái)在2 μm波段的主要成就。增益開(kāi)關(guān)脈沖摻銩光纖激光器結(jié)合MOPA結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生大能量激光脈沖。但是它還有些不足之處,增益開(kāi)關(guān)光纖激光器的調(diào)制深度通常會(huì)受到限制、增益開(kāi)關(guān)光纖激光器在切換狀態(tài)時(shí)可能引入相位噪聲會(huì)導(dǎo)致激光輸出頻率的不穩(wěn)定性和相位漂移、增益開(kāi)關(guān)光纖激光器通常需要較高的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)快速切換和調(diào)制。這可能導(dǎo)致較高的功耗和熱量產(chǎn)生,需要有效的熱管理系統(tǒng)來(lái)保持激光器的溫度穩(wěn)定、增益開(kāi)關(guān)光纖激光器的設(shè)計(jì)和制造相對(duì)復(fù)雜,需要高度精確的組件和控制系統(tǒng)。這可能導(dǎo)致成本較高,不適用于某些應(yīng)用場(chǎng)景、由于增益開(kāi)關(guān)光纖激光器的復(fù)雜性,其可靠性和使用壽命可能受到影響。特別是在高功率和快速切換的情況下,泵浦源的壽命可能會(huì)縮短。

表1 大能量增益開(kāi)關(guān)摻銩脈沖光纖激光器主要成果(大能量)

4 調(diào)Q脈沖摻銩光纖激光器

通常使用主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)[30-32]和被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)[33-35]來(lái)對(duì)調(diào)Q脈沖摻銩光纖激光器進(jìn)行調(diào)制,主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)的周期與外加場(chǎng)的周期相同并且可以通過(guò)外加場(chǎng)進(jìn)行調(diào)諧,其調(diào)諧范圍通常來(lái)說(shuō)比較大,激光脈沖的能量也比較大。被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)的周期與調(diào)Q晶體材料自身特性有關(guān),通常不能調(diào)諧,脈沖能量比較小。

2003年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理和天文學(xué)系激光光子學(xué)研究組AshrafF.El-Sherif等[36]首次報(bào)導(dǎo)摻銩光纖激光器中使用電光調(diào)Q技術(shù)獲得脈沖激光。其重復(fù)頻率為70 Hz、最大峰值功率為3.3 kW、脈沖寬度為320 ns、單脈沖能量為2.5 mJ。

2013年,北京工業(yè)大學(xué)的劉江等[37]報(bào)導(dǎo)了半導(dǎo)體可飽和吸收反射鏡(SESAM)[38-40]被動(dòng)調(diào)Q摻銩光纖激光器,使用兩級(jí)全光纖結(jié)構(gòu)摻銩光纖放大器。MOPA系統(tǒng)中心波長(zhǎng)為1966 nm、脈沖寬度為270 ns、單脈沖能量為100 μJ。

2013年,德國(guó)阿貝光子學(xué)中心的Fabian Stutzki等[41]報(bào)導(dǎo)了一種高脈沖能量和高平均功率聲光調(diào)Q 摻Tm3+光纖振蕩器,實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示,振蕩器產(chǎn)生重復(fù)頻率為13.9 kHz、脈寬為15 ns、峰值功率超過(guò)150 kW、單脈沖能量為2.4 mJ。輸出激光光譜在最高能量脈沖下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰分別為1850 nm和1900 nm。

圖7 激光振蕩器示意圖

2014年,上海交通大學(xué)唐玉龍等[42]報(bào)導(dǎo)了由聲光調(diào)制器調(diào)制的窄帶脈沖激光器泵浦的兩級(jí)2 μm摻Tm3+光纖放大器。激光中心波長(zhǎng)為1951 nm、重復(fù)頻率為50 kHz時(shí),峰值功率為10 kW、單脈沖能量為1 mJ。脈沖寬度可從幾十ns調(diào)諧到幾百ns,光譜寬度為1.4 nm。

2018年,美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的Ali Abdulfattah等[43]報(bào)導(dǎo)了一個(gè)2 μm MOPA光纖激光系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。振蕩器是單模摻銩光纖,工作方式為聲光調(diào)Q。該系統(tǒng)脈沖寬度為114 ns,中心波長(zhǎng)為1977 nm,產(chǎn)生了700 μJ的單脈沖能量。

圖8 高能摻銩MOPA結(jié)構(gòu)圖

2021年,上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的賀振興等[44]報(bào)導(dǎo)了一種基于聲光Q技術(shù)的2 μm波段全光纖高功率脈沖全保偏摻銩光纖激光器。實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示,使用聲光調(diào)制器來(lái)調(diào)制激光器,后接二級(jí)摻銩光纖放大器,獲得了中心波長(zhǎng)2009.71 nm,峰值功率為2.1 kW、脈沖能量大于204 μJ。

圖9 MOPA結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)Q脈沖摻銩光纖激光器能夠產(chǎn)生毫焦量級(jí)的脈沖激光,但是在產(chǎn)生大能量激光的同時(shí)光纖內(nèi)易產(chǎn)生非線性效應(yīng),實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)多加注意。有些應(yīng)用需要線偏振大能量光,所以光纖應(yīng)選用保偏光纖。保偏光纖非線性效應(yīng)閾值低于正常光纖更容易產(chǎn)生非線性效應(yīng)。如何減小保偏光纖非線性效應(yīng)帶來(lái)的影響是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。表2為調(diào)Q脈沖摻銩光纖激光器近年來(lái)在2 μm波段的主要成就。

表2 調(diào)Q摻銩脈沖光纖激光器主要成果

5 總結(jié)與展望

在目前的研究中,由于鎖模的機(jī)制,不易產(chǎn)生大能量的激光。DSR鎖模不同于其他的鎖模技術(shù),在理論上其脈沖能量可以達(dá)到無(wú)限疊加。在DSR鎖模脈沖摻銩光纖激光系統(tǒng)中,多用NOLM和NALM作為可飽和吸收體,其損傷閾值高、環(huán)境穩(wěn)定性高、易啟動(dòng)。

在增益開(kāi)關(guān)光纖激光器系統(tǒng)中,盡管增益開(kāi)關(guān)光纖激光器具有某些優(yōu)勢(shì),但也存在一些技術(shù)限制和不足之處。這些限制需要在特定應(yīng)用中進(jìn)行考慮,并根據(jù)需求評(píng)估是否選擇增益開(kāi)關(guān)光纖激光器作為合適的實(shí)驗(yàn)方案。在調(diào)Q光纖激光器系統(tǒng)中,目前常用聲光調(diào)Q技術(shù)獲得大能量脈沖光,我們可以用聲光調(diào)Q脈沖摻銩光纖激光器為種子源,后接功率放大系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)大能量脈沖光進(jìn)行放大。近些年激光器光纖多選用PM光纖,與常規(guī)光纖相比,PM光纖更易發(fā)生非線性效應(yīng),例如受激拉曼散射、受激布里淵散射,因此更難進(jìn)行調(diào)制?？梢酝ㄟ^(guò)增加光纖的線寬、減小增益光纖的長(zhǎng)度、增加增益光纖的芯徑、減少熱負(fù)載等來(lái)減弱光纖非線性效應(yīng)。