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深度解讀

GHz級窄線寬及高峰值功率納秒光纖激光器

星之球科技 來源:中國知網(wǎng)2016-06-27 我要評論(0 )   

光纖激光器具有輸出激光光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點,并可以產(chǎn)生高重復(fù)頻率(千赫茲量級)、窄脈寬(納秒量級)脈沖,因此其作為光發(fā)射源在激光雷達(dá)、測距...

1、引言
 
光纖激光器具有輸出激光光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點,并可以產(chǎn)生高重復(fù)頻率(千赫茲量級)、窄脈寬(納秒量級)脈沖,因此其作為光發(fā)射源在激光雷達(dá)、測距與成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前獲得納秒脈沖的主要方法有調(diào)Q和主振蕩功率放大(MOPA)兩種。其中在以單模半導(dǎo)體激光器為種子源的MOPA結(jié)構(gòu)中,可以靈活調(diào)節(jié)種子光源的重復(fù)頻率、脈沖寬度等參數(shù),并進(jìn)行功率放大,是脈沖光纖激光器研究的熱點。2013年,Teodoro 等加載相位調(diào)制展寬單頻脈沖種子,由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW,1.55ns脈沖輸出;同年,Saracco等采用薄片納秒激光種子加大模場光纖放大獲得百千瓦峰值功率 1.5ns激光輸出。上述報道中MOPA放大級數(shù)較多,且功率放大級采用空間耦合方式,系統(tǒng)復(fù)雜,體積較大。2011年,周翠蕓等采用脈沖調(diào)制單模帶尾纖半導(dǎo)體激光器,全光纖放大獲得1030nm波長峰值功率16kW,脈沖寬度6.53ns脈沖輸出。但是其采用寬光譜種子,放大后光譜展寬較嚴(yán)重,超過了激光雷達(dá)探測系統(tǒng)中接收濾波器帶寬(約為1nm),導(dǎo)致雷達(dá)探測接收過程中有效脈沖能量降低,背景噪聲干擾加大。
  
為了滿足相干探測系統(tǒng)對光源的要求, 本文研究了窄線寬脈沖種子激光的全光纖放大特性,實現(xiàn)了窄線寬、高峰值功率的納秒級光纖激光器。該激光器系統(tǒng)采用直接脈沖調(diào)制的單頻半導(dǎo)體激光器為種子源,通過雙程光纖功率預(yù)放和優(yōu)化主放大光纖的長度,獲得了光譜線寬為1.5GHz,峰值功率達(dá) 15kW 的脈沖激光輸出。該激光器作為發(fā)射光源可以提高探測接收效率,增強信號對比度,且為全光纖化系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單,便于小型化,應(yīng)用前景廣闊。
  
2、實驗裝置
  
窄線寬、窄脈寬高峰值功率光纖激光器實驗結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。電調(diào)制的分布反饋式單頻半導(dǎo)體激光器(DFB)作為種子源(連續(xù)輸出時線寬2MHz),中心波長為 1064.12nm,輸出調(diào)制脈沖寬度為3.92ns。種子光經(jīng)過隔離器后進(jìn)入由環(huán)形器、光纖布拉格光柵(FBG)及單模摻鐿光纖(SM YSF)所構(gòu)成的一級雙程光纖預(yù)放大結(jié)構(gòu),該 FBG(中心反射波長為1064.68nm,反射譜半峰全寬為 1.65nm)只對信號光高反,殘余抽運光和自發(fā)輻射放大(ASE)經(jīng)光柵濾除從另一端透射輸出。 其中,隔離器和環(huán)形器可以隔離后向傳輸?shù)墓猓Wo種子源,預(yù)放大級抽運源為976nm單模激光二極管(LD),通過波分復(fù)用器(WDM)耦合到單模摻鐿光纖中。信號光反射二次放大后經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入主放大級,主放大級抽運源采用一個多模976nmLD,經(jīng)過(2+1)×1合束器與信號光一起耦合進(jìn)入雙包層摻鐿光纖(DC YDF),光纖纏繞直徑為10cm。摻鐿光纖輸出端熔接20cm無源輸出光纖,并在熔點處涂敷高折射率膠進(jìn)行抽運濾除(PS)。主放與預(yù)放之間加入1064±4nm帶通濾波器濾除ASE,之后加入2×2的 1:9 耦合器以監(jiān)測前、后向激光。預(yù)放光柵與主放激光輸出端面都切斜 8°角,避免端面的菲涅耳反射產(chǎn)生激光寄生振蕩。
 
圖1 脈沖激光MOPA放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3、實驗結(jié)果與分析
  
3.1 種子源及雙程光纖預(yù)放
  
實驗中種子源采用高速的MOSFET驅(qū)動單模帶尾纖輸出的單頻DFB,得到納秒寬度、重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)的信號光輸出。 重復(fù)頻率為10kHz時,調(diào)制DFB輸出光脈沖寬度3.92ns,平均功率為4.4μW。由于種子光功率較低,在放大過程中比較容易出現(xiàn)ASE,從而降低系統(tǒng)信噪比,影響放大器放大效率。實驗中為抑制ASE,預(yù)放級通過環(huán)形器與光纖光柵實現(xiàn)單級雙程光纖放大,小信號經(jīng)過SM YSF放大后被FBG反射進(jìn)行二次放大,ASE則經(jīng)由FBG高透濾除。與之對比,保持其他條件不變,僅除去FBG和環(huán)形器,種子光經(jīng)過隔離器后與抽運光通過WDM耦合進(jìn)入相同的SM YSF進(jìn)行直通放大,測量兩種情況下輸出激光光譜,如圖2所示。結(jié)果表明,雙程預(yù)放結(jié)構(gòu)輸出激光信噪比和功率都要明顯優(yōu)于直通結(jié)構(gòu),大大增強了單模光纖對小信號的放大能力,并有效地抑制了強抽運光下產(chǎn)生的ASE。
 
圖 2  雙程與直通預(yù)放放大結(jié)構(gòu)輸出光譜對比關(guān)系
3.2 重復(fù)頻率10kHz
  
進(jìn)入主放之前,預(yù)放激光經(jīng)過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE,功率達(dá)到4mW,小信號增益超過25dB。圖3給出了經(jīng)過主放光纖后輸出信號光功率隨抽運功率的變化情況,當(dāng)主放入纖抽運功率達(dá)到3.7W時,輸出激光功率為460mW,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為12.5%。隨著抽運增大,輸出功率逐漸線性增長,并未觀察到飽和現(xiàn)象。


 圖 3  激光輸出平均功率隨抽運功率變化

  
濾除包層抽運光后測量最高功率460mW時輸出激光光譜,中心波長為1064.12nm,ASE較低,與信號光峰值強度相差約40dB,如圖4所示,右上角小圖是光譜精細(xì)結(jié)構(gòu),半峰全寬(FWHM)為0.037nm,計算得光譜范圍1064.12±0.5nm內(nèi)信號光能量占總能量比例超過90%,高的光譜強度保證確保雷達(dá)探測系統(tǒng)可以充分接收信號光,并提高抗背景噪聲能力。實驗中,通過控制實驗參數(shù)并未觀察到受激布里淵散射(SBS)與受激拉曼散射(SRS)等非線性現(xiàn)象。然而受限于測量所用光譜儀(YOKOGAWA AQ6370)分辨率0.02nm,分辨極限值附近的光譜線寬測量并不準(zhǔn)確,下文將會討論使用F-P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)一步測量線寬。采用示波器(Teledyne LeCroy 610Zi)和高速光電探頭(Thorlab DET025AFC)測量輸出功率460mW時的激光脈沖序列與波形如圖5所示,插圖中藍(lán)色為種子脈沖波形,紅色為放大后脈沖波形。由圖5可知,放大后輸出激光脈沖穩(wěn)定,波形與種子脈沖形狀相比基本保持不變,但是脈沖后沿下降更快導(dǎo)致脈寬壓窄了約0.9ns。這是因為激光放大過程中存在瞬態(tài)增益,脈沖前沿先于脈沖后沿到達(dá)增益光纖,提前消耗部分反轉(zhuǎn)粒子導(dǎo)致脈沖后沿增益略微減小,最終導(dǎo)致了脈沖寬度的壓縮。脈沖寬度由初始的 3.92ns經(jīng)放大光纖壓窄為3.06ns,對應(yīng)的脈沖峰值功率達(dá)到15kW,由于脈寬壓縮也導(dǎo)致峰值功率提高,可以增加激光雷達(dá)距離。采用PRIMES LQM-HP測得光束質(zhì)量因子M2為1.226,如圖6所示。

 

圖 4  輸出激光光譜

 

圖 5  460mW輸出激光脈沖序列與波形

 

圖 6  460mW輸出激光M2因子

實驗中,單頻DFB調(diào)制脈沖種子線寬極窄且已超過光譜儀分辨極限,因此采用F-P標(biāo)準(zhǔn)具(Toptica FPI 100 4GHz)測量最高輸出峰值功率時激光線寬。圖7為放大激光 F-P掃腔光譜,F(xiàn)-P腔自由光譜范圍為4GHz,并且定義激光線寬為峰值強度一半處所對應(yīng)光譜范圍,因此測得激光線寬為10/26.1*4GHz=1.53GHz。

 

圖 7  放大激光F-P掃腔光譜
  
在單頻或者窄線寬數(shù)納秒脈沖光纖激光放大系統(tǒng)中,SBS 是閾值最低首先出現(xiàn)的非線性效應(yīng),其產(chǎn)生的后向傳輸脈沖會被放大甚至由于峰值功率過高而破壞前級器件。針對SBS 抑制,研究人員提出了縮短光纖有效長度、使用大模場面積光纖、相位調(diào)制、加溫度/應(yīng)力梯度、聲場剪切等方案。本實驗中,由于激光線寬窄(放大后為 1.53GHz),且峰值功率較高,考慮到未來小型化應(yīng)用的目標(biāo)應(yīng)保證系統(tǒng)簡便性,所以采用優(yōu)化光纖長度的方案來抑制 SBS 產(chǎn)生,最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈沖激光輸出,但是較短的增益光纖長度也導(dǎo)致了抽運光吸收不充分,降低了放大級的光光轉(zhuǎn)換效率。
  
3.3 調(diào)節(jié)重復(fù)頻率
  
進(jìn)一步改變種子光脈沖重復(fù)頻率研究輸出激光特性。調(diào)節(jié)外部信號發(fā)生器觸發(fā)頻率10~50kHz變化,間隔10kHz。由于單個DFB種子光脈沖寬度與強度由驅(qū)動板充放電回路電流大小與放點時間決定,只改變重復(fù)頻率,種子脈沖波形、幅值、脈沖寬度與輸出光譜并無改變,種子光輸出平均功率隨重復(fù)頻率線性上升。保持主放級抽運功率 3.7W不變,輸出激光功率與單脈沖能量變化情況如圖8所示。隨著重復(fù)頻率增加,信號光變強提取了更多抽運光功率,導(dǎo)致輸出平均功率提高,但是在一定的抽運強度下增益光纖中可提取的能量有限,并不能成倍隨重復(fù)頻率增加,因此單脈沖能量會減弱。此時輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率關(guān)系如圖9所示。重復(fù)頻率減小,脈沖寬度壓窄,且隨著重復(fù)頻率降低,脈沖寬度壓縮程度越嚴(yán)重。這種脈沖寬度變化趨勢由光纖放大器中瞬態(tài)增益的低頻響應(yīng)特性導(dǎo)致。瞬態(tài)增益導(dǎo)致脈沖峰值向前沿轉(zhuǎn)移,在相同抽運功率下,低頻脈沖消耗更多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)會加大脈沖前后沿之間增益差別,從而進(jìn)一步窄化脈沖。

 

圖 8  不同重復(fù)頻率下輸出脈沖能量與平均功率

 

圖 9  輸出脈沖寬度與重復(fù)頻率關(guān)系
4、結(jié)論
  
報道了吉赫茲量級窄線寬、高峰值功率的納秒全光纖MOPA結(jié)構(gòu)脈沖光纖激光器。實驗中利用脈沖調(diào)制的單頻DFB 種子,經(jīng)兩級全光纖MOPA放大,預(yù)放大級采用雙程放大結(jié)構(gòu),主放大級優(yōu)化長度抑制SBS,獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈沖寬度3.06ns脈沖激光輸出,重復(fù)頻率10~50kHz連續(xù)可調(diào)。整個系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)、放大級數(shù)少,具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點,輸出激光線寬窄,譜亮度高,因此抗背景噪聲能力強,適用作相干探測系統(tǒng)的光源。(中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室,中國科學(xué)院大學(xué) 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠蕓 劉源 楊燕 周軍)

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