1 引言

掺铥光纤具有较宽的增益带宽,可实现1.7~2.1 μm波段范围的激光输出^[1]。在科学研究领域,2 μm波段高平均功率、高峰值功率的短脉冲掺铥光纤激光器可用于激发He、Ne、Ar等稀有气体,产生高次谐波,相对于近红外激光抽运,可以获得更短的阿秒激光脉冲输出^[2];也可用于抽运光学参量振荡器以获得3~5 μm和8~12 μm波段的激光。在生物医疗领域,2 μm波段包含了1940 nm附近的水吸收峰,高功率的纳秒脉冲掺铥光纤激光器可用于新一代激光手术刀,对组织穿透深度浅、创面小、止血性能好^[3-4]。此外,2 μm波段纳秒脉冲掺铥光纤激光器在激光通信、光电对抗、材料加工等领域也有不可替代的重要应用^[5-7]。因此,研制2 μm波段高平均功率、高峰值功率的纳秒脉冲掺铥光纤激光器有着重要的应用价值。

目前纳秒脉冲掺铥光纤激光器主要通过主动调Q、被动调Q和增益开关等技术实现。主动调Q是通过引入电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)等调制器件改变腔内Q值来产生激光脉冲,输出脉冲宽度在几十纳秒到几百纳秒量级可调。2003年,El-Sherif等^[8]报道了用Nd…YAG激光抽运的电光调Q掺铥光纤激光器,实现重复频率小于100 Hz、脉宽为320 ns、峰值功率为3.3 kW的脉冲输出。2007年,Eichhorn等^[9]采用声光调制技术实现脉宽为41 ns的掺铥脉冲光纤激光器,输出激光最大平均功率为30 W,单脉冲能量为270 nJ。同年,Jiang等^[10]以1.55 μm掺铒光纤放大器作为抽运源,抽运掺铥光纤,首次实现基于增益开关技术的掺铥光纤激光器,输出脉宽为10 ns。2011年,Simakov等^[11]以1.55 μm半导体激光器作为抽运源,抽运保偏掺铥光纤,实现线偏振输出的中心波长为2.044 μm的增益开关掺铥光纤激光器,脉冲宽度为25 ns,重复频率为300 kHz。主动调Q技术使用空间结构的元器件,价格昂贵、结构复杂、抗环境干扰能力欠佳;通过增益开关技术实现的脉冲激光输出一般功率较低,需进行多级放大,增加了系统复杂性,且成本较高;而采用被动调制技术具有成本低廉、结构紧凑等优点。对于传统可饱和吸收体,半导体可饱和吸收镜(SESAM)^[12]制作工艺复杂,生产成本高,可饱和吸收光谱范围相对较窄;碳纳米管(SWNT)^[13]和石墨烯成本低廉,可饱和吸收光谱范围宽,但是制作时具有参数不可控性,如SWNT的直径、石墨烯的层数均匀性等。而基于光纤可饱和吸收体的纳秒脉冲产生技术,无需额外的调制器件,降低了系统的复杂性,具有成本低廉、结构紧凑、易于集成的特点。

近年来,使用基于不同掺杂元素的光纤作为可饱和吸收体,进而实现脉冲输出的方式逐渐引起人们的关注^[14-18]。2003年,Tordella等^[19]运用掺铬光纤作为可饱和吸收体,研制出被动调Q掺钕全光纤激光器,输出最窄脉宽为6.4 μs,最大单脉冲能量为15 μJ。2005年,Fotiadi等^[20]报道了一种将掺钐光纤用于被动调Q的掺镱光纤激光器,输出最窄脉宽为650 ns,相应单脉冲能量为19 μJ。2007年,Jackson^[21]以掺钬光纤作为可饱和吸收体,以掺铥光纤作为增益介质实现脉冲激光输出,其最窄脉宽为1 μs,最大输出功率为10 W(单脉冲能量为90 μJ),但脉冲序列振幅稳定性差,呈现多峰结构。2009年,Tsai等^[22-24]提出基于光纤模场失配法的被动调Q技术,实现掺镱、掺铒和掺铥纳秒脉冲光纤激光器,但受限于单模抽运,平均输出功率较低,同时模场适配熔接导致熔点难以承受高功率。2013年,Jin等^[25-26]以掺镱光纤作为可饱和吸收体,结合新型的双谐振腔结构获得掺镱全光纤激光器,并将此方法应用于铒镱共掺光纤激光器中^[27]。

本文利用掺杂光纤的可饱和吸收特性,并结合双谐振腔结构的独特设计,获得2 μm波段的纳秒脉冲激光输出。采用的双谐振腔结构可实现被动调Q、增益开关和功率放大三个过程,将振荡器、放大器同时包含在同一结构中,整个过程包含两次波长变换,转换效率高,输出激光稳定性好,可以承受较高功率。分别研究采用单包层铥钬共掺光纤和双包层掺铥光纤作为增益介质对激光输出性能的影响,通过优化对比实验,最终实现中心波长为1993 nm、最窄脉宽为87 ns的稳定脉冲输出,其最大平均输出功率为256.3 mW,脉冲重复频率在20.0~33.3 kHz范围内可调。相较于Tsai等^[24]基于光纤模场失配方法获得的脉宽为160 ns,相应峰值功率为75 W的掺铥光纤激光器,该激光输出脉宽在百纳秒以内,激光峰值功率为88.5 W,优于之前相关报道实验结果。

2 实验装置

基于掺杂光纤作为可饱和吸收体的掺铥全光纤纳秒脉冲双腔激光器如图1所示。其中HR表示高反射率,OC表示输出耦合器。该实验装置采用纤芯抽运,抽运源采用自制的1550 nm连续光纤激光器。整个实验装置采用线型双腔结构,使用实验室自制光纤布拉格光栅(FBG)作为谐振腔的波长选择器件。外腔由中心波长为1904 nm、带宽为0.5 nm、反射率大于等于99%的光纤布拉格光栅对组成。外腔增益介质为单包层铥钬共掺光纤(纤芯和包层直径分别为9 μm 和125 μm,在790 nm波长处的吸收系数为120 dB/m,在1550 nm波长处的吸收系数约为12 dB/m,纤芯数值孔径为0.16)或双包层掺铥光纤(SM-TDF-10P/130-HE,纤芯和包层直径分别为10 μm 和130 μm,在793 nm波长处的纤芯吸收系数为507 dB/m,在1550 nm处的纤芯吸收系数约为106 dB/m,纤芯数值孔径为0.15)。内腔由中心波长为1993 nm、带宽为0.5 nm的光纤布拉格光栅对组成,其中高反型光纤光栅反射率大于等于99%,低反型光纤光栅反射率约为85%,将其作为输出端。内腔增益介质为单包层铥钬共掺光纤(纤芯和包层直径分别为9 μm 和125 μm,在790 nm波长处的吸收系数为120 dB/m,在1550 nm波长处的吸收系数约为12 dB/m,纤芯数值孔径为0.16)。1550 nm连续光纤激光器作为抽运源经波分复用器(WDM)耦合进外腔增益光纤,首先在外腔光栅对构成的谐振腔内往返振荡实现被动调Q产生1904 nm的激光,然后1904 nm激光对1993 nm的谐振腔进行抽运,产生1993 nm纳秒脉冲,经外腔增益光纤放大后输出腔外。其中内腔光纤布拉格光栅的中心波长决定该激光器的输出波长。

图 1. 掺铥全光纤纳秒脉冲双腔激光器实验原理图

Fig. 1. Schematic of the nanosecond Tm-doped all-fiber dual-cavity laser

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3 实验结果与分析

外腔增益光纤采用长度为2.5 m、纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm的单包层铥钬共掺光纤,内腔增益光纤采用长度为5.6 m、纤芯和包层直径分别为9 μm 和125 μm的单包层铥钬共掺光纤,此为方案1;外腔增益光纤采用长度为0.3 m、纤芯和包层直径分别为10 μm 和130 μm的双包层掺铥光纤,内腔增益光纤采用长度为3.5 m、纤芯和包层直径分别为9 μm 和125 μm的单包层铥钬共掺光纤,此为方案2。当采用方案1时,外腔增益光纤所提供增益为30.0 dB,在保证1904 nm激光输出的前提下,对比不同长度内腔增益光纤所得出的实验现象,调整内腔增益光纤长度为5.6 m时实现1993 nm脉冲激光输出。当采用方案2时,外腔增益光纤所提供增益为31.8 dB,相应地,调整内腔增益光纤长度为3.5 m,实现稳定脉冲输出。表1为不同类型增益光纤的吸收系数及实验参数设计。

当采用方案1时,激光器阈值为0.58 W(1550 nm抽运源最大输出功率为1.70 W),此时在示波器上可观察到脉冲调制现象。当抽运功率增加至1.15 W,输出稳定脉冲序列,脉冲重复频率为63 kHz。继续增加抽运功率,脉冲宽度随抽运功率的增加而减小,脉冲重复频率和输出功率随抽运功率的增加而增加,激光输出功率与抽运功率线性相关。最终得到平均功率为23 mW,最窄脉宽为330 ns的激光输出,脉冲重复频率在63~80 kHz范围内可调。图2是350 MHz示波器记录的稳定脉冲序列。其中图2(a)为低抽运功率条件下,重复频率为63 kHz时的脉冲序列;图2(b)是抽运功率为1.7 W,重复频率为80 kHz时的脉冲序列。

图3为重复频率为80 kHz(抽运功率为1.7 W)时激光器的输出光谱,中心波长为1993.42 nm,3 dB光谱带宽为0.13 nm,信噪比约为50 dB。此外,从输出光谱图中可以观察到强度较弱的1904 nm激光输出(中心波长为1904.71 nm),与1993 nm的波长成分相差近26 dB,输出波长仍以1993 nm为主,1904 nm激光可以忽略。

为进一步提升激光器输出性能,对比不同类型增益光纤对激光输出参数的影响,将1550 nm抽运源输出功率提高至4.3 W。纤芯抽运条件下,采用实验方案2,激光器阈值为2.7 W,此时可观察到脉冲调制现象。当增加抽运功率至3.1 W时,可以观察到稳定脉冲序列,脉冲重复频率为20.0 kHz。随着抽运功率的增加,脉冲重复频率和输出功率随之增加,脉冲宽度随之减小。最终实现平均功率为256.3 mW、最窄脉宽为87 ns的激光输出,脉冲重复频率在20.0~33.3 kHz范围内可调。图4是350 MHz示波器记录的稳定脉冲序列。其中图4(a)为低抽运功率下,重复频率为20.0 kHz时的脉冲序列;图4(b)是抽运功率为4.3 W,重复频率为33.3 kHz时的脉冲序列。

图 2. 采用方案1时不同重复频率下的脉冲序列。(a)重复频率为63 kHz;(b)重复频率为80 kHz

Fig. 2. Pulse trains at different repetition rates under program 1. (a) Repetition rate of 63 kHz; (b) repetition rate of 80 kHz

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图 3. 采用方案1时掺铥全光纤双腔激光器的输出光谱图

Fig. 3. Optical spectrum of the Tm-doped all-fiber dual-cavity laser under program 1

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图 4. 采用方案2时不同重复频率下的脉冲序列。(a)重复频率为20.0 kHz;(b)重复频率为33.3 kHz

Fig. 4. Pulse trains at different repetition rates under program 2. (a) Repetition rate of 20.0 kHz; (b) repetition rate of 33.3 kHz

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当重复频率为33.3 kHz(抽运功率为4.3 W)时,激光器的输出光谱如图5所示。测得输出光谱中心波长为1993.77 nm,3 dB光谱带宽为0.33 nm,信噪比约为31 dB。与图3类似,依然可以观测到1904 nm波长成分(中心波长为1903.77 nm),一部分原因是外腔采用的自制光纤光栅实际测量反射率不足99%,另一部分原因是光纤光栅在高抽运功率下工作时,会导致部分1904 nm激光溢出腔外。从输出光谱图中可以看到,1904 nm的光与1993 nm的光输出相差7 dB,输出激光波长仍以1993 nm为主。

图6是分别采用方案1和方案2时激光器平均输出功率随抽运功率的变化曲线。图6(a)是内、外腔增益光纤均采用单包层铥钬共掺光纤(纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm)条件下的平均输出功率随抽运功率的变化图,图6(b)是外腔增益光纤采用双包层掺铥光纤(纤芯和包层直径分别为10 μm 和130 μm),内腔增益光纤采用单包层铥钬共掺光纤(纤芯和包层直径分别为9 μm 和125 μm)条件下的平均输出功率随抽运功率的变化图。从图中可以看出,平均输出功率与抽运功率线性相关。当外腔采用双包层增益光纤缩短腔长时,激光脉宽变窄,激光平均输出功率得到明显提升,最大输出功率为256.3 mW,相应抽运功率为4.3 W,输出拟合的斜效率为5.8%。后续研究中可以结合光纤模场适配,进一步提高输出效率。

当采用不同的实验方案时,激光器输出脉冲宽度和重复频率与抽运功率之间的关系如图7所示。图7(a)是内、外腔增益光纤均采用单包层铥钬共掺光纤(纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm)条件下的输出脉宽和重复频率的变化曲线,图7(b)是外腔增益光纤采用双包层掺铥光纤(纤芯和包层直径分别为10 μm和130 μm),内腔增益光纤采用单包层铥钬共掺光纤(纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm)条件下的输出脉宽和重复频率的变化曲线。

图 5. 采用方案2时掺铥全光纤纳秒双腔激光器的输出光谱图。(a) 1904 nm和1993 nm波长输出;(b) 1993 nm波长输出

Fig. 5. Optical spectra of the nanosecond Tm-doped all-fiber dual-cavity laser under program 2. (a) Output at 1904 nm and 1993 nm; (b) output at 1993 nm

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图 6. 不同实验方案下平均输出功率与抽运功率之间的关系。(a)方案1;(b)方案2

Fig. 6. Relationship between average output power and pump power under different experimental programs. (a) Program 1; (b) program 2

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图 7. 不同实验方案下重复频率和脉冲宽度与抽运功率之间的关系。(a)方案1;(b)方案2

Fig. 7. Relationship between repetition rate or pulse width and pump power under different experimental programs. (a) Program 1; (b) program 2

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由图7可知,随着抽运功率的增加,激光器的输出脉冲宽度逐渐减小,脉冲重复频率逐渐增加,即以光纤作为可饱和吸收体的被动调Q与传统被动调Q机制下的脉冲演化过程基本一致。被动调Q激光器中谐振腔的损耗通过可饱和吸收体来调制,调Q脉冲可在谐振腔能量达到一定阈值后释放,该值由可饱和吸收体的饱和通量决定。饱和通量F_sat,A表示为

Fsat,A=hν2σA,(1)

式中hν为光子能量,σ_A为吸收截面。

饱和光强I_sat,A表示为

Isat,A=hν2σAτA=Fsat,AτA,(2)

式中τ_A为一个脉冲过后的吸收恢复时间。

可饱和吸收体的典型模型表示为

α=αNS+αS1+I/IS,(3)

式中I为入射光强,I_S为饱和光强,α_S为饱和吸收系数,α_NS为非饱和吸收系数。当光强很小(I→0)时,吸收系数为α_S+α_NS;当光强增大时,吸收系数逐渐减小,当I≫I_S时,吸收系数趋于α_NS。被动调Q激光器中,非饱和吸收系数要足够大,否则腔内未储存足够能量时可饱和吸收体就达到透明,输出脉冲能量会较小且脉冲较宽;若非饱和吸收系数过大则会导致抽运光过多损耗,输出脉冲能量也会较低。所以作为可饱和吸收体的内腔增益光纤的选取非常关键。实验中低抽运状态下,光强很弱,内腔增益光纤作为可饱和吸收体吸收系数较大,光的透过率很低,激光腔内Q值较低。随着抽运功率的提高,腔内反转粒子数持续积累,当光强接近饱和吸收光强时,可饱和吸收体的吸收系数减小。当光强达到一定数值时,增益光纤的可饱和吸收系数降到最低,激光谐振腔内Q值激增,输出调Q脉冲。

在方案1条件下,外腔采用单包层铥钬共掺光纤时,得到脉冲宽度为330 ns的脉冲输出.而当外腔采用双包层光纤时可以得到更窄的脉冲宽度,最窄输出脉宽为87 ns。这是因为该类激光器的输出脉冲宽度不仅与抽运功率有关,还与外腔增益光纤所提供的增益强度有关。外腔所提供的增益越强,漂白内腔可饱和吸收光纤越容易,脉冲建立时间越短,可得到的脉宽也就越窄。传统被动调Q激光器的输出脉冲宽度还与整个激光谐振腔腔长有关。当谐振腔长度增加时,脉冲往返时间增加,将对脉冲窄化产生不利影响。本文采用两种不同外腔增益光纤所得出的实验结果与传统被动调Q脉冲变化规律一致。综上所述,脉冲宽度的窄化与抽运功率、激光器阈值、振荡腔腔长等多个因素密切相关。早期Herda等^[28]提出,在强抽运功率下,被动调Q激光器会因增益压缩效应发生脉冲窄化。在激光谐振腔损耗远大于可饱和损耗的条件下,脉冲宽度为

τ=7.04Tr/Δg=3.52Trq0+AP/Pthreshold-1,(4)A=2·Trτg·logEsat,gτgP0·l+q0,PPthreshold=g0l+q0,(5)

式中q₀表示可饱和损耗,g₀表示小信号增益,E_sat,g表示饱和能量,τ_g表示可饱和吸收体的恢复时间,l表示谐振腔损耗,T_r表示往返时间且由腔长决定。当采用双包层光纤作为外腔增益光纤时,在增大外腔增益的同时缩短激光谐振腔腔长,在保证内腔增益光纤饱和吸收的情况下,获得的激光输出脉宽将会进一步减小。若采用掺杂浓度更高的增益光纤或缩短谐振腔内无源光纤的长度,输出脉宽将会更窄。

当外腔选择长度为0.3 m的双包层掺铥光纤(纤芯和包层直径分别为10 μm和130 μm),内腔选择长度为3.5 m的铥钬共掺光纤时,激光器输出单脉冲能量和峰值功率与抽运功率之间的关系如图8所示。

由图8可知,抽运功率增加,激光输出单脉冲能量和峰值功率随之增加,激光输出的最大单脉冲能量为7.7 μJ,最高峰值功率为88.5 W。根据该类激光器现有文献报道^[22-24],后续研究可通过优化实验方案,采用多级功率放大、包层抽运或更大芯径光纤配置等方法,进一步提高激光输出单脉冲能量和峰值功率。

当激光器工作在重复频率80.0 kHz和33.3 kHz时,利用示波器获得单个脉冲的输出如图9所示。图9(a)为重复频率为80.0 kHz,输出脉宽为330 ns时的单个脉冲图;图9(b)为重复频率为33.3 kHz,输出脉宽为87 ns时的单个脉冲图。利用示波器分别对脉宽为330 ns和87 ns的单个脉冲进行10万次采样后,计算得到脉冲峰峰值抖动分别小于5%和3%;在激光器稳定工作数小时过程中,对单个脉冲进行1000次采样后,计算得到脉冲宽度波动幅度分别小于10 ns和7 ns,且输出平均功率波动较小。在先前的研究中,以掺杂光纤作为可饱和吸收体的掺镱全光纤双腔激光器^[25]和铒镱共掺全光纤双腔激光器^[27]的脉冲峰峰值抖动亦小于3%,很好地证明了该类双腔激光器的输出稳定性。

图 8. 采用方案2时激光输出单脉冲能量和峰值功率与抽运功率之间的关系

Fig. 8. Relationship between pulse energy or peak power and pump power under program 2

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图 9. 不同实验方案下的单个脉冲图。(a)方案1;(b)方案2

Fig. 9. Single pulse under different experimental programs. (a) Program 1; (b) program 2

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4 结论

报道了一种基于光纤可饱和吸收体的纳秒脉冲掺铥全光纤双腔激光器。该激光器利用掺铥光纤的可饱和吸收特性,采用独特的线型双腔结构,利用双谐振腔间的相互作用,获得稳定的2 μm波段纳秒脉冲输出。通过对比不同类型掺杂光纤作为增益介质对激光输出性能的影响,最终实现平均功率为256.3 mW,最窄脉宽为87 ns的1993 nm激光输出。目前受限于抽运功率,激光输出功率较低。后续研究中可以通过多级功率放大、包层抽运或采用更大芯径光纤配置等方式,提高输出性能。