王雄飞;李尧;朱辰;张昆;张利明;张大勇;赵鸿
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【摘 要】研究实现了一种主振荡功率放大(MOPA)结构的高功率全光纤皮秒级被动锁模掺镱(Yb3+)光纤激光器.种子源为基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的锁模光纤激光器,其为线性腔结构,输出功率为5.97 mW;预放大级采用单模掺镱光纤进行放大,之后经过4倍重复频率倍增系统和两级双包层掺镱光纤放大器,最终实现了平均功率74.3 W,中心波长1063.4nin,脉冲宽度7.0,ps,重复频率68 MHz的锁模脉冲激光输出.实验中通过对种子光的处理和光纤长度的控制,未出现受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等非线性效应. 【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2015(045)011
【总页数】6页(P1319-1324)
【关键词】光纤激光器;主振荡功率放大器;被动锁模;半导体可饱和吸收镜
【作 者】王雄飞;李尧;朱辰;张昆;张利明;张大勇;赵鸿
【作者单位】固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京100015;固体激光技术重点实验室,北京100015
【正文语种】中 文
【中图分类】TN248.1
1 引言
球形接头
超短脉冲激光由于具有高峰值功率、窄脉冲宽度、高重复频率等特点，已经成为激光技术的一个重要研究方向。如今，在工业精细加工、精密测量、生物、医疗、光通信、军事等各个领域［1－4］，超短脉冲激光都发挥着无以替代的作用。以掺镱光纤为增益介质的锁模光纤激光器近年来发展迅猛，特别是进入20世纪80年代后期，随着光纤技术的快速发展，以及大功率半导体激光器(LD)技术的不断突破，锁模光纤激光器，以其转换效率高、
散热性能好、结构紧凑等优点成为了激光技术研究和应用的热点之一。
锁模光纤激光器从技术层面主要分为主动锁模和被动锁模两种。主动锁模光纤激光器通常在腔内采用调制器件，这会产生腔体的附加损耗，由于调制器件多为非光纤元件，其引入难以实现全光纤化集成，制约了该技术的全光纤化发展;同时，主动锁模容易受到外界环境，诸如温度变化，机械振动，以及超模噪声，谐振腔内偏振态起伏等因素的影响，需要很多复杂的技术来提高系统的稳定性，结果是大大增加了系统的复杂性并提高了激光器的成本。反观被动锁模光纤激光器，由于结构简单、性能稳定、便于集成等优点受到国内外很多科研机构的广泛关注［5－7］，并在通信、医学、加工、传感和探测等众多领域得到了越来越广泛的应用。
被动锁模光纤激光器主要通过采用非线性光学环形镜，非线性偏振旋转和基于半导体可饱和吸收镜等机制来实现。其中，基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模技术由于具有设计灵活、系统稳定、自启动等诸多优点［8－10］，同时，半导体可饱和吸收镜在制备过程中可灵活控制调制深度、恢复时间、饱和通量等关键参数，并且根据需要可加工集成在光纤端头上，便于全光纤化，因此，该类型被动锁模光纤激光器在实际应用领域被广泛关注。48v转12v
本文采用主振荡功率放大(MOPA)结构，利用基于半导体可饱和吸收镜的锁模光纤激光器作为种子源，通过三级放大实现了平均功率74.3 W的被动锁模光纤激光器。实验中分析了种子源的不同状态，以及这些状态对放大级的影响，同时，通过重复频率倍增系统，在增加重频的同时，加之对放大级光纤长度的优化，减小了非线性效应对输出功率的影响。
2 实验方案
图1是实验结构示意图。整个激光器由五部分组成:被动锁模光纤种子源、预放大器、重复频率倍增系统、一级功率放大器、二级功率放大器。
图1 实验结构示意图Fig.1 Experimental structure schematic diagram
该激光器的种子源是基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)线性腔结构的被动锁模光纤激光器。种子源结构示意图如图2所示。泵浦源为带尾纤的975 nm半导体激光器，最大泵浦功率约550 mW，其驱动源带有温控系统，可保证输出波长的稳定性。为了防止泵浦源被回光损伤，在其末端熔接一个泵浦保护器。泵浦保护器的另一端与光纤布拉格光栅(FBG)熔接，泵浦光经光栅(FBG)注入谐振腔。该光栅(FBG)中心波长 1063.4 nm，3 dB 带宽 0.15
nm，反射率95%，作为腔内的一个反射镜。光纤分束器OC一端连接光纤光栅，另一侧70%分光端连接增益光纤，用于将泵浦光耦合进增益光纤，30% 端用于激光输出;增益光纤采用了2 m长的高浓度单模掺镱光纤，其在976 nm处的吸收系数为1200 dB/m，该光纤的另一端与SESAM的尾纤连接，实现谐振腔的闭合。根据SESAM的特性，腔内的强激光脉冲经尾纤汇聚在SESAM上，由于其对强脉冲吸收率低，反射后沿原路返回进增益光纤，弱激光脉冲由于SESAM吸收而被抑制，如此多次循环，强脉冲不断被放大并最终输出高强度窄脉宽脉冲序列。实验中采用的是BATOP公司生产的吸收层为多量子阱结构的SESAM，高反区1010～1120 nm，反射率大于 40%，调制深度 30%，饱和通量30 μJ/cm2，非饱和吸收损耗15%，恢复时间为9 ps。OC输出端连接的偏振控制器是一个光纤型偏振控制器件，其作用是为了调节激光的偏振态;之后连接一段0.5 m的掺镱光纤用于对多余的泵浦光进行吸收，末端连接的光纤隔离器(ISO)是防止放大级的回光损伤种子源。
图2 种子源结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of the seed laser
预放大器的增益介质采用与种子源相同的高浓度单模掺镱光纤，长度2.5 m。泵浦源同样采用550 mW带尾纤的975 nm半导体激光器。为了防止光路中反向光打坏泵浦源，在泵浦源
汽车半轴套管后熔接泵浦保护器。泵浦光通过WDM耦合入增益光纤，对种子光进行放大。在预放大级末端熔接光纤隔离器，防止回光损伤光路。之后的重频倍增系统由分束器和无源光纤组成，其主要原理是通过精确计算脉冲间隔和延迟时间使得一个脉冲周期内的脉冲数量得以增加。
功率放大器分两级结构。一级功率放大器采用的是Nufern公司生产10/130双包层掺镱光纤，泵浦源采用OCLARO公司生产的一只25 W，中心波长975nm的半导体激光器;通过(2+1)×1合束器耦合入增益光纤，光纤的输出端熔接大功率光纤隔离器。二级功率放大器采用的是Nufern公司生产25/250双包层掺镱光纤;为了提高功率，泵浦源采用了4只OCLARO公司生产的25 W，中心波长975 nm的半导体激光器，它们通过(6+1)×1光纤合束器耦合入增益光纤。增益光纤的末端熔接一段无源光纤，在熔接点出制作了泵浦倾泻装置，滤除未被吸收的多余的泵浦光;最终输出端切8°斜角输出。竹胶合模板
空气雾化喷头3 实验结果与分析
种子源的激光输出特性随着泵浦功率的增加会经历不同的状态。当泵浦功率未达到被动锁模的阈值时，激光器无脉冲输出，经实验观察，其一直处于连续波输出阶段;而当泵浦功率
达到62.1 mW阈值功率时，激光器瞬时进入稳定的连续锁模状态，幅值稳定无变化。经测量，其重复频率16.80 MHz，中心波长1063.6 nm，光谱宽度0.908 nm。脉冲形状以及光谱形状如图3和图4所示。
图3 种子源脉冲序列图Fig.3 Time domain response of the seed laser
图4 种子源光谱形状图Fig.4 Optical spectrum of the seed laser
随着泵浦功率的增加，当泵浦功率高于152 mW时，光纤激光器会出现多脉冲调制现象，及谐波锁模，如图5所示。其具体表现为多个脉冲序列周期性的出现，但同一序列内的各脉冲幅值、脉宽各不相同，且相应的峰值不稳定;并且随着泵浦功率的不断升高，变化的不稳定性逐渐加剧，这种现象是锁模脉冲的极不稳定现象，是由半导体可饱和吸收镜被深度饱和所引起的;此时，如果减小泵浦功率，降至152 mW以下，种子源又能实现稳定的锁模状态。经实验研究，多脉冲调制现象对系统稳定性和后续的功率放大是极其不利的，种子源输出应避免这种状态。同时，实验发现，选用此腔型的种子源，从连续波状态到锁模状态的过程中，激光器无调Q不稳定现象出现，这一结构优势会极大地减少SESAM的损坏几率，提高种子源的稳定性。
图5 多脉冲调制示意图Fig.5 Time domain response of multiple－pulse modulation
图6为连续波锁模状态下种子源输出功率随泵浦功率变化的曲线图。从图中可以看出，当泵浦功率未达到100 mW时，输出功率随着泵浦功率增大的幅度越来越大，在曲线上表现为斜率逐渐增大。这是由于低泵浦功率的条件下，锁模的模式随着泵浦功率的增大而逐渐增多，使得输出功率上升的速度加快。当泵浦功率大于100 mW后，由于光纤光栅带宽的约束，激发出的锁模模式数不再增加，输出功率便会随泵浦功率的增加呈线性上升。最终当泵浦功率达到152 mW时，种子源稳定的锁模脉冲输出功率为5.97 mW，用自相关仪测得的脉冲宽度为7 ps。脉冲自相关轨迹如图7所示。
图6 种子源输出功率随泵浦功率的变化曲线Fig.6 Output power versus pump power of the seed source
图7 锁模状态的自相观轨迹Fig.7 Corresponding autocorrelation trace at mode－locking
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