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、測距與成像方面具有廣闊的應用前景。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)種子光源的重復頻率、脈沖寬度等參數(shù)，并進行功率放大，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重，超過了激光雷達探測系統(tǒng)中接收濾波器帶寬（約為1nm），導致雷達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)制的單頻半導體激光器為種子源，通過雙程光纖功率預放和優(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 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，預放大級抽運源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分復用器（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行抽運濾除（PS）。主放與預放之間加入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。
3、實驗結(jié)果與分析
3.1 種子源及雙程光纖預放
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、重復頻率連續(xù)可調(diào)的信號光輸出。 重復頻率為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耦合進入相同的SM YSF進行直通放大，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。
進入主放之前，預放激光經(jīng)過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，功率達到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，當主放入纖抽運功率達到3.7W時，輸出激光功率為460mW，相應的光光轉(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。
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確，下文將會討論使用F-P標準具進一步測量線寬。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增益光纖，提前消耗部分反轉(zhuǎn)粒子導致脈沖后沿增益略微減小，最終導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，對應的脈沖峰值功率達到15kW，由于脈寬壓縮也導致峰值功率提高，可以增加激光雷達距離。采用PRIMES LQM-HP測得光束質(zhì)量因子M2為1.226，如圖6所示。
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，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用的目標應保證系統(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)重復頻率
進一步改變種子光脈沖重復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。隨著重復頻率增加，信號光變強提取了更多抽運光功率，導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頻率關(guān)系如圖9所示。重復頻率減小，脈沖寬度壓窄，且隨著重復頻率降低，脈沖寬度壓縮程度越嚴重。這種脈沖寬度變化趨勢由光纖放大器中瞬態(tài)增益的低頻響應特性導致。瞬態(tài)增益導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，從而進一步窄化脈沖。
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。（中國科學院上海光學精密機械研究所上海市全固態(tài)激光器與應用技術(shù)重點實驗室，中國科學院大學 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠蕓 劉源 楊燕 周軍）
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、測距與成像方面具有廣闊的應用前景。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)種子光源的重復頻率、脈沖寬度等參數(shù)，并進行功率放大，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重，超過了激光雷達探測系統(tǒng)中接收濾波器帶寬（約為1nm），導致雷達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)制的單頻半導體激光器為種子源，通過雙程光纖功率預放和優(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 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，預放大級抽運源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分復用器（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行抽運濾除（PS）。主放與預放之間加入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、重復頻率連續(xù)可調(diào)的信號光輸出。 重復頻率為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耦合進入相同的SM YSF進行直通放大，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 雙程與直通預放放大結(jié)構(gòu)輸出光譜對比關(guān)系
3.2 重復頻率10kHz
進入主放之前，預放激光經(jīng)過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，功率達到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，當主放入纖抽運功率達到3.7W時，輸出激光功率為460mW，相應的光光轉(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確，下文將會討論使用F-P標準具進一步測量線寬。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增益光纖，提前消耗部分反轉(zhuǎn)粒子導致脈沖后沿增益略微減小，最終導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，對應的脈沖峰值功率達到15kW，由于脈寬壓縮也導致峰值功率提高，可以增加激光雷達距離。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標準具（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，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用的目標應保證系統(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)重復頻率
進一步改變種子光脈沖重復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。隨著重復頻率增加，信號光變強提取了更多抽運光功率，導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頻率關(guān)系如圖9所示。重復頻率減小，脈沖寬度壓窄，且隨著重復頻率降低，脈沖寬度壓縮程度越嚴重。這種脈沖寬度變化趨勢由光纖放大器中瞬態(tài)增益的低頻響應特性導致。瞬態(tài)增益導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，從而進一步窄化脈沖。
圖 8 不同重復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。（中國科學院上海光學精密機械研究所上海市全固態(tài)激光器與應用技術(shù)重點實驗室，中國科學院大學 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠蕓 劉源 楊燕 周軍）
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