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光纤饱和吸收体掺镱全光纤化激光器

祖嘉琦 武帅 张海涛 耿东晛 卢姁

祖嘉琦, 武帅, 张海涛, 耿东晛, 卢姁. 光纤饱和吸收体掺镱全光纤化激光器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20190382. doi: 10.3788/IRLA20190382
引用本文: 祖嘉琦, 武帅, 张海涛, 耿东晛, 卢姁. 光纤饱和吸收体掺镱全光纤化激光器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20190382. doi: 10.3788/IRLA20190382
Zu Jiaqi, Wu Shuai, Zhang Haitao, Geng Dongxian, Lu Xu. Yb-doped all-fiber laser based on fiber saturable absorber[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20190382. doi: 10.3788/IRLA20190382
Citation: Zu Jiaqi, Wu Shuai, Zhang Haitao, Geng Dongxian, Lu Xu. Yb-doped all-fiber laser based on fiber saturable absorber[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20190382. doi: 10.3788/IRLA20190382

光纤饱和吸收体掺镱全光纤化激光器

doi: 10.3788/IRLA20190382
基金项目: 国家自然科学基金( 61475081);四川省科技计划资助(2018JZ0015)
详细信息
    作者简介:

    祖嘉琦(1996-),男,博士生,主要从事光纤激光器方面的研究。Email:zujiaqi@gmail.com

    通讯作者: 张海涛(1973-),女,教授,博士生导师,主要从事大能量光纤激光、高稳定超荧光光纤光源等激光技术与应用方面的研究。Email:zhanghaitao@mail.tsinghua.edu.cn
  • 中图分类号: TN248

Yb-doped all-fiber laser based on fiber saturable absorber

  • 摘要: 报道了一种基于光纤饱和吸收体的掺镱全光纤调Q激光器,为了获得较高峰值功率较窄脉宽的激光脉冲输出,利用掺镱光纤的可饱和吸收效应,以20/130 μm规格的大模场双包层掺镱光纤作为增益光纤,以10/130 μm规格的单模双包层掺镱光纤作为可饱和吸收体来实现被动调Q。该激光器采用全光纤化的结构,结构紧凑,以较低的成本获得了较为高效的脉冲输出。最终获得了平均功率最高为3 W,直线效率约为30%,重复频率为10~100 kHz可调,脉宽最窄为344 ns,光谱宽度为0.05 nm、中心波长为1 064 nm的激光输出。
  • 图  1  激光器结构

    Figure  1.  Laser structure

    图  2  10 W连续泵浦下的脉冲波形

    Figure  2.  Pluses of 10 W CW pumping

    图  3  平均泵浦功率和平均输出功率的关系图

    Figure  3.  Average pumping power versus average output power

    图  4  (a)光谱测量结果1;(b)光谱测量结果2

    Figure  4.  (a) Spectral measurement result 1 ;(b) Spectral measurement result 2

    图  5  CCD下输出光斑形状和能量分布

    Figure  5.  Output spot shape and energy distribution under CCD

    图  6  (a)100 kHz重复频率脉冲序列;(b)80 kHz重复频率脉冲序列

    Figure  6.  (a) Pulses at a 100 kHz repeat frequency; (b) Pulses at a 80 kHz repeat frequency

    图  7  给定条件下90 kHz存在弛豫震荡脉冲的序列

    Figure  7.  Relaxation oscillation pulses at 90 kHz for a given condition

    图  8  两种泵浦条件下获得的脉冲波形(脉宽)对比

    Figure  8.  Comparison of pulse waveforms (pulse width) obtained under two pumping conditions

    图  9  获得的最窄脉宽344 ns的脉冲波形

    Figure  9.  Obtained pulse waveform with the narrowest pulse width of 344 ns

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-07
  • 修回日期:  2020-02-11
  • 网络出版日期:  2020-04-29
  • 刊出日期:  2020-07-01

光纤饱和吸收体掺镱全光纤化激光器

doi: 10.3788/IRLA20190382
    作者简介:

    祖嘉琦(1996-),男,博士生,主要从事光纤激光器方面的研究。Email:zujiaqi@gmail.com

    通讯作者: 张海涛(1973-),女,教授,博士生导师,主要从事大能量光纤激光、高稳定超荧光光纤光源等激光技术与应用方面的研究。Email:zhanghaitao@mail.tsinghua.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金( 61475081);四川省科技计划资助(2018JZ0015)
  • 中图分类号: TN248

摘要: 报道了一种基于光纤饱和吸收体的掺镱全光纤调Q激光器,为了获得较高峰值功率较窄脉宽的激光脉冲输出,利用掺镱光纤的可饱和吸收效应,以20/130 μm规格的大模场双包层掺镱光纤作为增益光纤,以10/130 μm规格的单模双包层掺镱光纤作为可饱和吸收体来实现被动调Q。该激光器采用全光纤化的结构,结构紧凑,以较低的成本获得了较为高效的脉冲输出。最终获得了平均功率最高为3 W,直线效率约为30%,重复频率为10~100 kHz可调,脉宽最窄为344 ns,光谱宽度为0.05 nm、中心波长为1 064 nm的激光输出。

English Abstract

    • 光纤激光器自问世以来,由于光束质量好,高亮度,高效率,波长选择性和易于集成等优点,在材料加工、照明、目标探测、科学测量等领域都有极其广泛的应用[1-2]。全光纤化的调Q激光器因为其独特的优势,逐渐成为激光领域人们研究的重点方向之一。调Q激光器可以通过主动Q开关或使用电光晶体的方式[3,4],半导体可饱和吸收镜,石墨烯或其他类型的饱和吸收体(SA)等被动Q开关[5-6]来产生Q脉冲。与上述产生脉冲的方法相比,基于掺杂光纤作为可饱和吸收体来实现被动调Q的理论逐渐成熟,由于其简单和紧凑的系统构成,使之成为在各种光纤激光器中产生调Q脉冲的替代方法。在众多调Q光纤激光器设计中,全光纤配置的被动调Q激光器由于其结构坚固,输出稳定,尺寸紧凑且免维护操作而特别引人关注。利用不同掺杂光纤的可饱和吸收效应来产生脉冲输出,逐渐被应用于全光纤化的调Q激光器。

      目前,国内外报道的以各种掺杂光纤作为可饱和吸收体的的激光器,功率大概为mW到W量级,脉宽为几十纳秒到几百纳秒,频率多为10~200 kHz[7-9]

      2013年加拿大瑞尔森大学报道了一种全光纤被动Q开关Yb掺杂激光器[10],使用一段Sm掺杂光纤作为可饱和吸收体,该激光器产生1 064 nm的脉冲和28 μJ脉冲能量以及200 ns脉冲宽度,重复频率为100 kHz。2014年胡等人报道了一种全光纤被动调Q掺镱光纤激光器和一块Sm掺杂光纤作为可饱和吸收体[11],激光产生70 μJ,41 ns输出脉冲,峰值功率为1.7 kW,重频100 kHz。2015年,中国北京工业大学报道了一种基于光纤被动调Q 的纳秒脉冲铒镱双掺全光纤激光器[12],利用铒镱双掺光纤作为可饱和吸收体,输出激光脉冲的脉宽为173 ns、波长为1 570 nm,平均功率为2.2 W,脉冲重复频率调谐范围为14~156 kHz,2017年该课题组利用掺铥光纤作为可饱和吸收体实现了1 993 nm处20~33.3 kHz重复频率,256.3 mW平均功率,87 ns脉宽的的激光输出[13]。2018年,Rahman等人利用掺铥光纤作为可饱和吸收体[14],采用环形腔结构,得到了波长1069 nm,脉宽2.87 μs,输出功率为4.8 mW的激光输出。

      文中采用了20/130 μm的大模场掺镱光纤作为增益光纤,以掺镱光纤作为可饱和吸收体来实现被动调Q,这样的设计的特点在于,能够在提高激光器功率的同时,保证良好的光束质量,抑制非线性效应,最终获得了平均功率最高为3 W,直线效率约为30%,重复频率为10~100 kHz可调,脉宽最窄为344 ns,3 dB光谱线宽为0.05 nm、中心波长为 1 064 nm的激光输出。

    • 文中实验采用的激光器结构如图1所示。

      图  1  激光器结构

      Figure 1.  Laser structure

      左侧为976 nm波长的LD泵浦源,连接到一个高反射率光纤布拉格光栅上,规格为10/130 nm,栅区长度为4 mm,中心波长为1 063.97 nm,光谱3 dB带宽为0.78 nm,反射率为99.989%,紧接着右侧接有3.5 m长度的大模场掺镱双包层有源光纤LMA-YDF-20/130,作为整个系统的增益光纤,在976 nm处的包层吸收大约为8.7 dB/m。增益光纤的右端与 1.2 μm长的YDF-10/130 Yb掺杂双包层光纤相连,作为可饱和吸收体(SA)。SA光纤与一个低反射率光纤光栅相连,规格为10/130 nm,栅区长度为10 mm,中心波长为1 063.85 nm,光谱3 dB带宽为0.07 nm,反射率为13.05%。,作为输出镜,右侧接有泄漏器,用于去除包层中的残余泵浦光。为了减少不同芯径的光纤熔接所造成的熔接损耗,笔者使用了光纤熔接机的SWEEP扫描电弧功能,在熔接过程中电弧逐渐从中心向小芯径光纤一侧偏移,从而达到一个渐变扩芯的效果,实现不同光纤之间的模场匹配,最终10/130光纤与20/130 nm光纤熔接在1 064 nm处的损耗为1.5 dB。

    • 该激光器被动调Q的物理机制为,当泵浦不足时,远离注入端的掺杂光纤由于泵浦不充分的缘故,导致无法形成粒子数的反转,等效为可饱和吸收体,产生饱和自吸收效应,最终会产生被动调Q激光脉冲出现;随着泵浦功率的不断增加,用作可饱和吸收体的掺杂光纤逐渐被漂白,激光输出脉冲减小,如果持续增加泵浦功率,将会产生连续的激光输出。掺杂稀土离子的光线具有吸收截面积大,上能级寿命短的特点,因此能够在调Q开关中产生更高的重复频率[9]

      20 μm和10 μm直径芯的Yb掺杂光纤分别被用作增益光纤和可饱和吸收体光纤。当增益光纤吸收泵浦功率时,放大的自发辐射(ASE)开始积累。尽管如此,腔体中可饱和吸收体光纤的高损耗阻碍了激光的产生。当ASE达到漂白可饱和吸收体光纤的阈值时,由于在增益光纤中已经建立了较高的粒子数反转,因此谐振腔中Q因子的突然增加启动了调Q过程,Q开关脉冲消耗了使腔返回到吸收状态的反转。增益光纤和可饱和吸收体光纤光纤之间的较大的直径比允许更多的能量在Q开关之前存储在增益光纤中,这更有利于更高的峰值功率和更窄的脉宽产生。同时使用了使用大模场LMA-20/130-YDF光纤,因为自相位调制(SPM)和受激拉曼散射(SRS)的功率阈值与模场面积成比例,采用这种配置,能够有效地抑制SRS和SPM的非线性效应的影响。

    • 在激光器搭建之初,采用了连续泵浦的方式进行泵浦,成功获得了1 064 nm的调Q激光,低于6 W的平均泵浦功率下,由于粒子数反转不足,无法获得稳定的调Q脉冲串,高于6 W的泵浦平均功率可以获得较为稳定的脉冲串,因此该激光器的阈值功率约为6 W。但是获得的调Q激光有比较严重的弛豫振荡脉冲,电流在加到5 A左右,对应LD泵浦功率8 W左右出现效果较好调Q现象,在18 W左右脉冲变得不稳定;调节电流,随着泵浦功率的提高,可以看到重复频率不断增加,从开始获得较为稳定的脉冲输出开始(6 W),到稳定脉冲消失之前(18 W),在此范围内调节泵浦功率,获得的重复频率为60~150 kHz。这是在预期范围之内的,泵浦电流越大,可饱和吸收体光纤光纤漂白时间越短,但是在连续泵浦下脉冲质量较差,有很严重的弛豫震荡脉冲,采用脉冲泵浦的方式可以有效抑制弛豫震荡脉冲,提高脉冲质量。图2是在10 W的连续泵浦下获得的脉冲波形。

      图  2  10 W连续泵浦下的脉冲波形

      Figure 2.  Pluses of 10 W CW pumping

      为了抑制弛豫震荡脉冲,之后采用了脉冲泵浦的方式,首先测量了不同占空比、重复频率以及电流下的泵浦功率和输出功率的关系(图3),可以看到整体的效率约为30%左右。

      图  3  平均泵浦功率和平均输出功率的关系图

      Figure 3.  Average pumping power versus average output power

      对激光输出的光谱进行了测量如图4(a)、(b)所示。中心波长为1 063.74 nm,谱宽为0.05 nm,这和选择的光纤布拉格光栅的参数基本一致,其中还残留着极少量的970 nm波长附近的残余泵浦光,但强度和所得激光相差太大基本可以忽略。同时较窄较平滑的光谱图也表明有效抑制了系统中的非线性效应。

      图  4  (a)光谱测量结果1;(b)光谱测量结果2

      Figure 4.  (a) Spectral measurement result 1 ;(b) Spectral measurement result 2

      M2的测量结果为1.06左右,图5为CCD下输出光斑形状和能量分布,可以看到光束质量良好,实现了单模激光输出。

      图  5  CCD下输出光斑形状和能量分布

      Figure 5.  Output spot shape and energy distribution under CCD

      对所得脉冲波形进行了测量,测量了在不同脉冲泵浦时间、重复频率和电流下获得的脉冲序列,实现了0~100 kHz重复频率可调节,与具体脉冲的质量和电流、占空比、频率都有关系。其中能够获得较好脉冲序列的参数有:重频100 kHz,泵浦时间5 μs,电流7 A;重频90 kHz,泵浦时间6 μs,电流6 A;重频70 kHz,泵浦时间7 μs,电流7 A;重频50 kHz,泵浦时间8 μs,电流6.5 A。如图6(a)(b)分别是给定条件下获得的重复频率为100 kH和80 kHz的脉冲序列。过短或过长的泵浦时间或者过小或者过大的电流都会导致不稳定的脉冲序列以及弛豫振荡脉冲等现象,这是由于泵浦时间过短或者电流太小不足以形成调Q,而过大的电流过长的泵浦时间又会导致能量溢出引发弛豫振荡脉冲,如图7所示,为重频90 kHz,泵浦时间6 μs,电流7 A条件下,相对于稳定的脉冲序列参数(90 kHz,6 μs,6 A)泵浦电流更高,有比较明显的弛豫振荡脉冲。

      图  6  (a)100 kHz重复频率脉冲序列;(b)80 kHz重复频率脉冲序列

      Figure 6.  (a) Pulses at a 100 kHz repeat frequency; (b) Pulses at a 80 kHz repeat frequency

      图  7  给定条件下90 kHz存在弛豫震荡脉冲的序列

      Figure 7.  Relaxation oscillation pulses at 90 kHz for a given condition

      对脉冲的稳定性形状以及脉宽等参数进行了测量,图8分别是重频100 kHz,泵浦时间5 μs,电流6.5 A以及重频100 kHz,泵浦时间5 μs,电流8 A下获得的脉冲波形,可以观察到峰值功率提高且脉宽变窄的情况,从595 ns提升到了434 ns,预期结果如此:随着泵浦振幅的增加,增益光纤中的ASE需要更少的时间来建立和漂白SA。此外,由于泵浦光强度较高,一旦SA被漂白,增益光纤中较高的反转数量快速消耗,导致在Q开关过程中提取的脉冲宽度较短和脉冲能量较高。腔内的高功率强度改善了受激发射过程。脉冲的时间稳定性为7%左右,峰值的抖动13%,脉冲的幅度稳定性可能受到温度影响较大,因为实验中LD使用风冷散热,温度控制并非十分精确,导致脉冲存在一些不稳定,这个问题在后续进行脉冲放大后可获得一定改善。可以发现脉冲形状是不对称的,陡峭的上升沿和较缓的尾部边缘,这是调Q脉冲的典型特征。图9为实验中获得的最窄脉宽为344 ns的波形。

      图  8  两种泵浦条件下获得的脉冲波形(脉宽)对比

      Figure 8.  Comparison of pulse waveforms (pulse width) obtained under two pumping conditions

      图  9  获得的最窄脉宽344 ns的脉冲波形

      Figure 9.  Obtained pulse waveform with the narrowest pulse width of 344 ns

    • 报道了一种基于光纤可饱和吸收体的掺镱全光纤化被动调Q激光器,利用掺镱光纤的可饱和吸收体性质,来实现被动调Q,采用全光纤化的设计,激光器结构采用20/130双包层掺镱光纤作为增益光纤,10/130掺镱光纤作为可饱和吸收体,这种结构的设计有利于获得更高峰值功率、更窄脉宽的激光脉冲产生,分别以连续以及脉冲泵浦的方式进行泵浦,对脉冲的波形、光束质量等参数进行了测量,在合适的泵浦条件下,获得了较窄谱宽和较为稳定的纳秒脉冲输出,平均功率最高为3W,直线效率约为30%,重复频率为10~100 kHz可调,脉宽最窄为344 ns,光谱宽度为0.05 nm、中心波长为 1 064 nm的激光输出。该激光器的效率、脉宽压缩以及脉冲稳定性都有一定提升空间,未来会进行进一步的优化。

参考文献 (14)

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