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GHz级窄线宽及高峰值功率纳秒光纤激光器

导读: 光纤激光器具有输出激光光束质量好、热管理方便、结构紧凑的特点,并可以产生高重复频率(千赫兹量级)、窄脉宽(纳秒量级)脉冲,因此其作为光发射源在激光雷达、测距与成像方面具有广阔的应用前景。

  1  引言

  光纤激光器具有输出激光光束质量好、热管理方便、结构紧凑的特点,并可以产生高重复频率(千赫兹量级)、窄脉宽(纳秒量级)脉冲,因此其作为光发射源在激光雷达、测距与成像方面具有广阔的应用前景。目前获得纳秒脉冲的主要方法有调Q和主振荡功率放大(MOPA)两种。其中在以单模半导体激光器为种子源的MOPA结构中,可以灵活调节种子光源的重复频率、脉冲宽度等参数,并进行功率放大,是脉冲光纤激光器研究的热点。2013年,Teodoro 等加载相位调制展宽单频脉冲种子,由棒状光子晶体光纤放大获得峰值功率1.5MW,1.55ns脉冲输出;同年,Saracco等采用薄片纳秒激光种子加大模场光纤放大获得百千瓦峰值功率 1.5ns激光输出。上述报道中MOPA放大级数较多,且功率放大级采用空间耦合方式,系统复杂,体积较大。2011年,周翠芸等采用脉冲调制单模带尾纤半导体激光器,全光纤放大获得1030nm波长峰值功率16kW,脉冲宽度6.53ns脉冲输出。但是其采用宽光谱种子,放大后光谱展宽较严重,超过了激光雷达探测系统中接收滤波器带宽(约为1nm),导致雷达探测接收过程中有效脉冲能量降低,背景噪声干扰加大。

  为了满足相干探测系统对光源的要求, 本文研究了窄线宽脉冲种子激光的全光纤放大特性,实现了窄线宽、高峰值功率的纳秒级光纤激光器。该激光器系统采用直接脉冲调制的单频半导体激光器为种子源,通过双程光纤功率预放和优化主放大光纤的长度,获得了光谱线宽为1.5GHz,峰值功率达 15kW 的脉冲激光输出。该激光器作为发射光源可以提高探测接收效率,增强信号对比度,且为全光纤化系统,结构简单,便于小型化,应用前景广阔。

  2  实验装置

  窄线宽、窄脉宽高峰值功率光纤激光器实验结构原理图如图1所示。电调制的分布反馈式单频半导体激光器(DFB)作为种子源(连续输出时线宽2MHz),中心波长为 1064.12nm,输出调制脉冲宽度为3.92ns。种子光经过隔离器后进入由环形器、光纤布拉格光栅(FBG)及单模掺镱光纤(SM YSF)所构成的一级双程光纤预放大结构,该 FBG(中心反射波长为1064.68nm,反射谱半峰全宽为 1.65nm)只对信号光高反,残余抽运光和自发辐射放大(ASE)经光栅滤除从另一端透射输出。 其中,隔离器和环形器可以隔离后向传输的光,保护种子源,预放大级抽运源为976nm单模激光二极管(LD),通过波分复用器(WDM)耦合到单模掺镱光纤中。信号光反射二次放大后经环形器进入主放大级,主放大级抽运源采用一个多模976nmLD,经过(2+1)×1合束器与信号光一起耦合进入双包层掺镱光纤(DC YDF),光纤缠绕直径为10cm。掺镱光纤输出端熔接20cm无源输出光纤,并在熔点处涂敷高折射率胶进行抽运滤除(PS)。主放与预放之间加入1064±4nm带通滤波器滤除ASE,之后加入2×2的 1:9 耦合器以监测前、后向激光。预放光栅与主放激光输出端面都切斜 8°角,避免端面的菲涅耳反射产生激光寄生振荡。

图1 脉冲激光MOPA放大系统结构图

  3  实验结果与分析

  3.1 种子源及双程光纤预放

  实验中种子源采用高速的MOSFET驱动单模带尾纤输出的单频DFB,得到纳秒宽度、重复频率连续可调的信号光输出。 重复频率为10kHz时,调制DFB输出光脉冲宽度3.92ns,平均功率为4.4μW。由于种子光功率较低,在放大过程中比较容易出现ASE,从而降低系统信噪比,影响放大器放大效率。实验中为抑制ASE,预放级通过环形器与光纤光栅实现单级双程光纤放大,小信号经过SM YSF放大后被FBG反射进行二次放大,ASE则经由FBG高透滤除。与之对比,保持其他条件不变,仅除去FBG和环形器,种子光经过隔离器后与抽运光通过WDM耦合进入相同的SM YSF进行直通放大,测量两种情况下输出激光光谱,如图2所示。结果表明,双程预放结构输出激光信噪比和功率都要明显优于直通结构,大大增强了单模光纤对小信号的放大能力,并有效地抑制了强抽运光下产生的ASE。

图 2  双程与直通预放放大结构输出光谱对比关系

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责任编辑:TD
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