作者简介:欧阳德钦(1988—),男(汉族),山东省嘉祥县人,深圳大学博士研究生. E-mail:505761441@qq.com
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1)深圳大学电子科学与技术学院,深圳市激光工程重点实验室,先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室, 深圳518060; 2)深圳大学光电工程学院,深圳518060; 3)深圳大学信息工程学院,深圳518060
Ouyang Deqin1, 2, Zhao Junqing3, Zheng Zhijian1, Ren Xikui1, 2, Li Chunbo1, 2, Xie Weixin3, and Ruan Shuangchen11)College of Electronic Science and Technology, Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering, Key Laboratory of Advanced Optical Precision Manufacturing Technology of Guangdong Higher Education Institutes, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China2)College of Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China3)College of Information Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China
optoelectronics and laser technology; thulium doped fiber; fiber laser; gain switch; master oscillator power amplifier; all-fiber structure; nanosecond pulse
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.06608
基于线型腔结构实现中心波长约1 945 nm、功率150 mW的连续激光输出,采用3级主振荡功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)结构,实现123 W的掺铥激光输出,斜率效率为59.1%. 搭建基于调制半导体激光器,输出波长为1 550 nm的铒镱共掺光纤放大器,实现平均功率1.2 W、脉宽50 ns、重复频率200 kHz的脉冲激光输出. 将该铒镱共掺光纤放大器作为泵浦源,采用线型腔结构抽运掺铥光纤,实现中心波长约为1 945 nm的增益调制脉冲激光输出,重复频率为100 kHz,脉宽约为800 ns. 采用3级MOPA结构对此增益调制掺铥脉冲光纤激光器进行功率放大,实现平均功率115 W、单脉冲能量1.15 mJ的激光输出,且放大过程中无非线性效应产生.
We constructed a three-stage master oscillator power amplifier(MOPA)seeded by a linear fiber oscillator with 150 mW continuous wave laser output at 1 945 nm, which can deliver 123 W output power with 59.1% slope efficiency. Using a modulated semiconductor laser, we also constructed an Er-Yb co-doped fiber amplifier(EYDFA)and obtained 1.2 W average power output at 1 550 nm with the pulse width of 50 ns and repetition rate of 200 kHz. Using this pulsed EYDFA as the pump source to pump a linear thulium doped fiber cavity, a gain-switched pulsed laser was realized, which can generate pulses with the repetition rate of 100 kHz and width of 800 ns, centering at 1 945 nm. After three-stage MOPA amplification, the laser power is scaled to 115 W; and the corresponding pulse energy was 1.15 mJ. No nonlinear effect was observed during the power amplification.
光纤激光器因具有转换效率高、散热好、光束质量高及易于系统集成等特点受到广泛关注. 近年来,随着稀土掺杂光纤激光器研究的不断深入,光纤激光器的输出功率得到不断提高,且激光器波长也不断向长波方向扩展. 以石英为介质的掺铥光纤激光器,由于其宽的发射谱(1 700~2 100 nm)及石英光纤可承受高功率的特性,更是受到广泛关注. 掺铥光纤激光器的发射谱包含1 940 nm附近的水吸收峰,对组织的穿透深度浅,使其成为包括非侵入手术等医疗过程(如肿瘤切除和结石粉碎等)的有力工具; 该波段还包含几个大气窗口,在遥感、激光雷达等领域也有重要的应用前景. 此外,在连续或脉冲模式下的高功率掺铥光纤激光器也是中红外波段非线性研究的理想泵浦源.
自1988年英国南安普顿大学首次实现2 μm波段的掺铥激光输出[1]以来,随着掺杂光纤工艺及大功率半导体技术的成熟,连续及脉冲输出的掺铥光纤激光器输出功率均有较大提升,在国际上,连续输出功率已达千瓦级[2]. 中国的相关研究发展较晚,但在连续和单频输出方面,Wang等[3]于2013年实现了102 W的单色单频激光输出,斜率效率为50%; 2014年,该课题组采用1 173 nm拉曼光纤激光器作为泵浦源,实现了96 W掺铥光纤激光输出,斜率效率为42%[4]. Liu等[5]报道通过两级功率主放大结构,实现210 W的单频单偏振连续激光输出. 在脉冲输出方面,研究主要集中在采用调Q、锁模及增益调制机制实现掺铥光纤激光脉冲输出. Eichhorn等[6]采用2个50 W、792 nm激光二极管(laser diode,LD)双端泵浦掺铥双包层光纤,腔内加入主动调Q器件,实现平均功率30 W、单脉冲能量270 μJ、脉宽41 ns、重复频率10~125 kHz可调及波长2 μm左右的激光输出; Stutzki等[7]采用声光调Q技术,实现重复频率13.9 kHz、脉宽15 ns、平均输出功率33 W、单脉冲能量2.4 mJ的掺铥光纤激光输出; Liu等[8]采用半导体可饱和吸收体作为可饱和吸收器件实现脉宽18 ps,重复频率103 MHz的脉冲激光输出,经过两个主振荡功率放大器(master oscillator power amplifier,MOPA),最终将平均功率提升至20.7 W; 2013年该课题组通过缩短腔长,实现了333.75 MHz高重复频率锁模脉冲激光输出,经过放大后,将输出功率提高至120.4 W[9]. Stutzki等[10]采用空间泵浦模场直径为35 μm的掺铥光子晶体光纤,并采用啁啾脉冲放大系统,实现平均功率152 W、峰值功率4 MW、压缩后脉宽约700 fs的掺铥光纤脉冲激光输出,为国际报道的2 μm波段最高平均功率输出. 与调Q及锁模相比,增益调制具有以下优点:① 几何结构简单,不需要额外的腔内器件,易于集成; ② 可直接调制出高的单脉冲能量; ③可利用光纤布拉格光栅,实现窄线宽激光脉冲输出. Jiang 等[11]首次实现了2 μm波段,稳定的增益调制纳秒脉冲输出,其重复频率为500 kHz、脉宽为10 ns、中心波长为1 995 nm; 曹镱等[12]通过增益调制技术实现了重复频率100 kHz、最小脉宽47 ns、最大单脉冲能量100 nJ、输出波长为1 963 nm的增益调制脉冲激光输出; 殷科等[13]也报道了基于增益调制的2 μm掺铥脉冲光纤激光器,实现重复频率10~50 kHz、脉宽1.2~1.7 μs可调的稳定脉冲激光输出,经两级掺铥光纤放大器后,将输出功率提升至5.18 W.
本研究采用线型腔结构,实现了波长1 945 nm,功率150 mW的连续激光输出,进而采用3级主振荡功率放大结构,最终实现123 W的掺铥激光输出,斜率效率为59.1%. 自行搭建了基于调制半导体激光器,脉宽及重复频率可调的铒镱共掺光纤放大器(Er-Yb co-doped fiber amplifier,EYDFA),实现平均输出功率1.2 W、脉宽50 ns、重复频率200 kHz的1 550 nm脉冲激光输出. 将该1 550 nm EYDFA作为泵浦源,采用线型腔结构泵浦掺铥光纤,实现中心波长为1 945 nm的增益开关脉冲激光输出,其重复频率为100 kHz、脉宽约800 ns. 采用3级主振荡功率放大结构对此掺铥脉冲激光器进行功率放大,最终实现平均功率115 W,单脉冲能量1.15 mJ的激光输出. 在放大过程中,无非线性效应产生.
种子激光器采用线型腔结构,其实验装置如图1. 其中,HR(high reflectivity)镜为法拉第全反镜,对信号光全反; 波长为1 567 nm的掺铒光纤放大器(Er-doped fiber amplifier, EDFA)作为泵浦源,通过1 560 nm/1 950 nm波分复用器(wavelength division multiplexing, WDM)耦合进激光谐振腔,增益光纤为1.5 m掺铥单模光纤,在1 567 nm处的增益约为15 dB; 透射率为22%,中心波长为1 945 nm, 3 dB带宽为0.7 nm的光纤布拉格光栅
图1 连续种子激光装置示意图
Fig.1 (Color online)Schematic setup of the continuous wave seed laser(fiber Bragg grating, FBG)
作为激光输出端.
激光器放大系统为传统MOPA结构,如图2. 种子激光经过隔离器(isolator,ISO)进入3级放大系统,第1、2级为功率预放大级,采用纤芯/包层直径为10 μm/130 μm的掺铥光纤作为增益介质,其在793 nm处的包层吸收系数为3 dB/m. 种子激光及1、2级预放大后均加入隔离器,以避免后向反馈光对前级系统的损坏. 第1级采用1个12 W、793 nm半导体激光器作为泵浦源,2级则采用两个12 W、793 nm半导体激光器作为泵浦源,均通过相同的(2+1)×1合束器(pump combiner)耦合进有源光纤. 为避免剩余泵浦光对隔离器的损害,有源光纤后均加入一个包层功率剥除器(cladding pump stripper,CPS)对剩余泵浦光进行剥离. 功率放大级采用长度为3 m、纤芯/包层直径为25 μm/250 μm的高掺杂掺铥光纤作为增益介质,其在793 nm处包层吸收系数为9.5 dB/m. 泵浦源为2个120 W、793 nm的光纤输出半导体激光器,通过(2+1)×1高功率合束器(泵浦光耦合效率约为90%)耦合进有源光纤,同样采用CPS对剩余泵浦光进行剥除,激光输出端为一个端帽(endcap),对2 μm激光实现高透,避免端面反射光对前级系统的损伤. 由于2级预放大后ISO为单模光纤输出,高功率合束器信号光纤为25 μm/250 μm双包层光纤,
两者之间加入1个光纤模场适配器(mode field adapter,MFA)以降低两者之间的耦合损耗. 实验中光谱测量采用海洋光学公司的NIRQUEST512-2.5光谱仪系统.
实验中,在泵浦功率为2.19 W时,实现了150 mW、中心波长约1 945 nm的种子激光输出,其光谱如图3.由于光谱仪分辨率有限(~3 nm),使得测试光谱带宽比FBG带宽大. 将种子激光经过如图2的3级功率放大结构,其中,2级隔离器后激光输出功率为8 W, 功率放大级在200 W的泵浦功率下,最终将激光输出功率提升至123 W. 输出激光功率随入纤泵浦功率的变化如图4,直线为线性拟合结果,可见功率曲线呈良好的线性关系,没有出现功率饱和现象,斜率效率为59.1%,
最高输出功率受到泵浦源功率限制.放大后的激光光谱与种子激光光谱无明显区别.3 百瓦级脉冲掺铥光纤激光器
波长为1 550 nm调制半导体激光器经过3级放大后,实现脉宽为50 ns,重复频率为200 kHz,功率为1.2 W的脉冲激光输出. 将此脉冲激光作为增益调制的泵浦源,抽运掺铥光纤以实现2 μm波段增益调制脉冲输出,其实验装置如图5. 可见,无需复杂的调Q或锁模器件,仅通过简单的线型腔结构便可实现增益调制脉冲激光输出. 在图5中,HR、FBG和WDM均与上述连续激光输出时的作用相同. 在1.2 W的泵浦功率下,实现了平均功率86.8 mW、脉宽约为800 ns、重复频率100 kHz、光谱中心波长约为1 945 nm的脉冲激光输出. 由于1 550 nm EYDFA单脉冲能量的限制,实验中并没有观察到200 kHz重复频率的稳定输出[14]. 增益调制脉冲序列及单脉冲波形如图6. 由于1 550 nm调制半导体激光器脉冲输出序列的不稳定,导致掺铥增益调制激光脉冲呈现同样的不稳定.
采用如图2的MOPA结构,对增益调制种子激光器进行功率放大,当功率放大级泵浦功率为200 W时,实现了平均功率为115 W的掺铥脉冲光纤激光输出,斜率效率为55.6%. 激光平均输出功率随泵浦功率的变化如图7. 可见,随着泵浦功率的增加,输出功率呈良好的线性增长,未出现斜率下降或功率饱和现象. 不同输出功率下的光谱图如图8,可见,除少量放大自发辐射(amplified spontaneous emission,ASE)之外,未发现非线性效应.
不同输出功率下的脉冲序列及单脉冲波形如图9. 脉冲的前沿被预先放大,这主要由于千赫兹重复频率、几百纳秒长脉冲功率放大时,脉冲前沿消耗了更多的粒子数,使得前沿首先被放大,表现为前沿强度逐渐大于后沿.
图7 增益调制脉冲放大功率特性曲线
Fig.7 (Color online)Average output power of the gain-switched pulse versus the incident pump power
研究报道一种全光纤化连续输出掺铥光纤激光器,采用3级MOPA结构,最终实现123 W、1 945 nm的激光输出,斜率效率为59.1%. 利用自行搭建的1 550 nm铒镱共掺脉冲光纤放大器泵浦掺铥光纤,实现脉宽约800 ns、重复频率为100 kHz的1 945 nm脉冲激光输出,经过3级放大后,将输出功率提升至115 W,斜率效率为55.6%. 由于脉冲的峰值功率较低,整个放大过程中没有出现非线性效应,若继续增大泵浦功率,输出功率将会得到进一步提高. 增益调制实验中,尚未实现几十纳秒的脉冲激光输出,后续研究应考虑优化激光器结构,实现高峰值功率、大单脉冲能量的2 μm波段掺铥激光输出.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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