1 引言

锁模光纤激光器因其成本低、结构紧凑、操作简便、易集成、稳定性良好等优点在光通信、**、光检测、医疗等研究领域受到广泛关注^[1-4]。被动锁模光纤激光器由于输出脉冲窄、系统简单、环境稳定性高等优势在科学研究和工业产业应用中倍受青睐。其中,基于真实可饱和吸收体锁模的光纤激光器可以实现全保偏光纤结构,具有良好的环境稳定性,同时锁模自启动特性良好。目前常见的真实可饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)^[5-6]、碳纳米管(CNT)^[7-9]和石墨烯^[10-11]等。碳纳米管由于制作方法简单、成本低、响应时间短和工作波段宽等优势,成为人们广泛使用的锁模材料。

近年来,锁模光纤激光器在绝对距离测量^[12-13]、精密激光加工^[14-15]、光谱探测^[16-17]等领域都取得了显著的进展。在不久的将来,锁模光纤激光器将直接应用于太空与地球观测等太空任务,包括广义相对论理论的实验验证^[18-19]、地势的高精度测绘^[20-21]和大孔径成像^[22-23]等。2014年,Lee等^[24]首次报道了在外太空进行的SESAM锁模的掺铒光纤飞秒激光器的测试实验,2016年Lezius等^[25]报道了非线性偏振环形镜锁模(一种等效的可饱和吸收体)的掺铒光纤激光频率梳的微重力实验。国内目前还没有将锁模光纤激光器带入太空进行测试及应用的先例。

锁模光纤激光器在太空中发挥重要作用的先决条件是激光源能够承受高量级的发射振动、太空热真空环境和高能量辐射^[26-27]。本文首先研究了高量级的振动对锁模光纤激光器的影响。2009年,Giorgetta等^[28]报道了一台在加速度为1.9g的机械振动下仍能保持稳定锁定状态的8字型腔结构的保偏光纤激光器。同年,Baumann等^[29]报道了一台将相位锁定到腔内稳定的连续波激光器上的8字腔结构的全保偏光纤激光器,在加速度超过1g的机械振动下仍能锁相。2014年,Sinclair等^[30]演示了将一台自参考光纤频率梳先后放在一辆以0.5g的峰值加速度运动的车辆中和均方根加速度为0.5g_rms的振动台上,频率梳均可以保持光学相干性。2019年,Kim等^[31]报道了一种基于3×3耦合器的非线性放大环形镜锁模的全保偏掺铒光纤激光器,在1.5g_rms的连续振动情况下,可以保持60 min以上的稳定锁模状态。这些工作虽然对激光源在机械振动中的性能进行了研究,但振动量级较小,远远没有达到卫星发射时的振动量级。因此,本文为了验证锁模光纤激光源能否承受卫星发射时的高量级振动进行了深入研究。

本文报道了一台基于单壁碳纳米管锁模的全保偏掺铒光纤激光器在模拟卫星发射时振动条件下的工作情况。结果显示在经过加速度为12g的正弦振动以及均方根加速度达到12.81g_rms的随机振

动后,激光器仍能稳定锁模,且光学性能良好。该研究为星载锁模激光源的选择提供了参考,促进了锁模激光器在太空中的科学研究和技术应用。

2 实验装置

实验所用光源为基于碳纳米管的锁模光纤激光器,如图1所示。该激光器使用波长为980 nm的半导体二极管作为泵浦源,泵浦光由波分复用器(WDM)耦合至谐振腔内,采用反向泵浦的方式激发0.75 m长的保偏掺铒光纤(PM-ESF-7/125,Nufern,美国)中Er³⁺离子产生1550 nm波段的激光。为了简化实验装置,WDM中同时集成了光隔离器和20%的输出耦合器。该激光器的锁模材料为本实验室自制的单壁碳纳米管(SWCNT),经两根FC/PC跳线和一个法兰盘连接在激光腔中。光源采用全保偏光纤结构,以提高系统的环境稳定性。

图 1. 光源结构示意图

Fig. 1. Schematic of light source structure

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当泵浦功率为43 mW时,该激光器实现锁模,此时输出功率为2.141 mW。使用频谱分析仪(DSA815,RIGOL,北京)测量锁模脉冲序列的频谱,如图2(a)所示,RBW为100 Hz,信噪比为55 dB。激光器的输出光谱(AQ6370B,YOKOGAWA,日本)如图2(b)所示,光谱中心波长位于1563.94 nm处,在中心波长两侧有Kelly边带,激光器工作在孤子域,光谱的半峰全宽为7.031 nm。双曲正割型脉冲的最小时间带宽积为0.315,可以估算出变换极限脉宽约为365 fs。用示波器(83480A,Hewlett Packard,美国)对锁模脉冲序列进行采样,如图2(c)所示,相邻脉冲之间的时间间隔为16.2 ns,对应于脉冲在腔内往返一周的时间。用频率计数器(53220A,Agilent,美国)测得激光器的重复频率为61.6924 MHz。

图 2. 激光器输出的锁模脉冲序列。(a)频谱;(b)光谱;(c)锁模脉冲序列

Fig. 2. Mode-locked pulse sequence of laser. (a) Frequency spectrum; (b) optical spectrum; (c) mode-locked pulse sequence

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在实验中,将光源放置在自制的铝合金结构体中,如图3(a)所示。该铝合金结构体的尺寸为264 mm×200 mm×68 mm,质量约为5 kg。航天系统结构设计的目的是为安装在它内部的组件提供一个良好的、能够抵抗外界恶劣条件的环境,抗振缓冲设计便是其中的一项关键技术。本结构体底部与四周一体成型,顶部与主体连接处螺钉间距较密,可以认为是刚性连接,即连接面不会发生相对滑移,此外结构体六个表面均做了加强筋结构,在保证结构强度的同时又做到了减重,四周连接处也做了圆角设计,起到拐角处的缓冲作用。结构体底部与四个侧壁均已加厚,减少了振动对内部的影响,提升了激光器的环境稳定性。盒子左侧部分为后续加入空间光路后再次进行振动实验所预留。盒子右侧用于放置光纤激光器,具体结构已在图1中描述。右侧外壁留有两个法兰盘接口,一个用于将盒内的WDM与盒外的泵浦源相连,另一个作为激光器光纤输出口,用于锁模状态监测。在盒子中采用高透明、低黏度的硅胶灌封锁模光纤激光器,硅胶起到了对光学组件的振动缓冲作用提高了系统的稳定性。选取如图3(b)所示的坐标系,将装有锁模光纤激光器的盒子通过转接板固定在5吨振动台上,分别沿X、Y、Z方向进行符合卫星发射标准量级的鉴定级正弦振动实验和鉴定级随机振动实验。鉴定级正弦振动实验的频率范围为10~100 Hz,加速度为12g,幅值为7.5 mm,扫描速率为2 OCT/min。鉴定级随机振动实验的频率范围为10~2000 Hz,功率谱密度(PSD)为0.2 g²/Hz,均方根加速度为12.81g_rms,实验时间为2 min。盒子表面设置了3个响应点,周围设置了2个控制点,位置如图3(b)所示,它们通过电线与振动台的控制及处理系统相连,控制点用于实现振动的输入,响应点作为反馈可以实时观测激光器的振动状态。

图 3. 实验装置。(a)内部;(b)外部

Fig. 3. Experimental setup. (a) Internal part; (b) external part

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3 实验结果

首先进行了X方向的鉴定级正弦振动测试,如图4(a)所示。可以看出,三个响应点的加速度在10~20 Hz内由3.2g增加至12g,并在20~100 Hz范围内保持12g。经过正弦测试后,测得锁模光纤激光器的频谱如图4(b)所示,此时激光器的重复频率为61.6932 MHz,信噪比为55 dB,与实验之前几乎没有发生变化。当泵浦功率为43 mW时,该激光器实现锁模,此时输出功率为2.149 mW,锁模阈值与输出功率也几乎没有发生变化。之后进行了X方向的鉴定级随机振动测试,此时三个响应点的均方根加速度分别为14.4551g_rms、15.7277g_rms、14.9920g_rms。功率谱密度在10~2000 Hz范围内的变化情况如图4(c)所示。经过2 min的测试后,测得光源的频谱图如图4(d)所示,用频率计数器测得重复频率为61.6931 MHz,信噪比为56 dB。当泵浦功率增加至43 mW时,该激光器实现锁模,输出功率为2.176 mW。与测试前进行对比,光源各项参数几乎都没有发生改变。然后进行了Y方向的测试,其鉴定级正弦振动测试和鉴定级随机振动测试结果与X方向近似,与测试前进行对比,光源各项参数依然没有发生较大改变,激光器表现出了较强的稳定性。

图 4. X方向实验情况和激光器输出的频谱。(a) X方向鉴定级正弦实验;(b)激光器的频谱;(c) X方向鉴定级随机振动实验;(d)激光器的频谱

Fig. 4. Test in X direction and frequency spectrum of laser. (a) Qualified sine test in X direction; (b) frequency spectrum; (c) qualified random vibration test in X direction; (d) frequency spectrum

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最后进行了Z方向的振动测试,相比于X、Y方向,Z方向的振动对光源的影响更大,毁坏力更强。图5(a)所示为鉴定级正弦振动的情况,加速度在20~200 Hz范围内约为12g。测试后增加泵浦功率至43 mW时锁模,输出功率为2.165 mW。用频率计数器测得激光器的重复频率为61.6934 MHz。测得激光器的频谱图如图5(b)所示,锁模信噪比为56 dB。进行鉴定级随机振动时三个响应点的均方根加速度分别为17.6142g_rms、20.4128g_rms、0.7682g_rms,功率谱密度的变化情况如图5(c)所示。增加泵浦功率至43 mW时,激光器实现锁模,输出功率为2.117 mW。用频率计数器测得激光器的重复频率为61.6934 MHz,测得激光器的频谱图如图5(d)所示,锁模信噪比为55 dB。光源的各项参数与测试之前基本没有发生变化。

图 5. Z方向实验情况和激光器输出的频谱。(a) Z方向鉴定级正弦实验;(b)激光器的频谱;(c) Z方向鉴定级随机振动实验;(d)激光器的频谱

Fig. 5. Test in Z direction and frequency spectrum of laser. (a) Qualified sine test in Z direction; (b) frequency spectrum; (c) qualified random vibration test in Z direction; (d) frequency spectrum

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经过X、Y、Z三个方向的鉴定级正弦振动和随机振动的测试后,测得激光器的光谱图如图6(a)所示,光谱的中心波长位于1563.96 nm,光谱的半峰全宽为7.059 nm。测试前后光谱的对比图如图6(b)所示,两个光谱基本重合,测试前后激光器的光谱基本没有发生变化。

图 6. 激光器的输出光谱。(a)测试后的光谱;(b)测试前后光谱的对比

Fig. 6. Optical spectrum of laser. (a) Optical spectrum after the tests; (b) comparison of optical spectra before and after the tests

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测试前及每次测试后激光器的输出功率的变化情况如图7(a)所示,与测试前相比,输出功率的最大改变量仅为0.043 mW,属于正常浮动,而且激光器的锁模阈值一直没有发生变化。激光器的重复频率的变化情况如图7(b)所示,与测试前相比,激光器的重复频率的最大改变量仅为1.3 kHz,在重复频率受外界温度等因素影响下的正常波动范围内,而且激光器的锁模信噪比基本没有发生改变。锁模光纤激光源在经过X、Y、Z方向的鉴定级正弦振动实验和鉴定级随机振动实验后,依然可以稳定锁模,且各项参数均未发生较大改变。

图 7. 激光器的输出功率和重复频率的变化情况。(a)输出功率的变化情况;(b)重复频率的变化情况

Fig. 7. Changes in output power and repetition rate of laser. (a) Changes in output power; (b) changes in repetition rate

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4 分析与讨论

与其他激光器相比,光纤激光器具有环境鲁棒性好的优势。本系统完全基于保偏光纤和保偏光纤元件,所有的光纤都是通过连接器连接或用熔接机进行熔接的,没有自由空间部分,降低了对振动的敏感性。下面将对所研究的锁模激光器中的保偏光纤、连接器以及光学器件的振动稳定性分别进行分析。

保偏光纤通过光纤几何尺寸上的设计,产生更强烈的双折射效应,来消除应力对入射光偏振态的影响,从而解决偏振态变化的问题。典型的保偏光纤在正常的环境条件下具有很强的鲁棒性,但在极端的环境下可能需要采取特殊的预防措施来保证光纤的鲁棒性。为了保护光纤中的玻璃不受机械应力和物理损伤,通常采用套管对光纤进行保护。2011年,Hati等^[32]研究发现,在同种振动条件下,与其他类型的缓冲装置相比,松套管缓冲装置对振动的敏感性低于紧套管缓冲装置。因此本系统使用了带有900 μm松套管缓冲装置的保偏光纤来降低锁模激光器的振动敏感度。

保偏连接器是两根保偏光纤耦合的重要组件,能确保两根保偏光纤在耦合时的偏振态保持不变,维持较高的消光比进行传输。2008年,Thomes等^[33]在34.6g_rms的量级下对AVIM、FC、SMA、ST类型的连接器进行了振动测试,测试结果表明,光在AVIM和FC型的连接器中可以稳定地传输并且插入损耗变化非常小。因此本系统也选用了FC型的保偏连接器,该连接器上的定位键与适配器上的匹配槽提供了对准和防旋转功能,精准地对接两根光纤中的慢轴或快轴。此外,为了防止连接器松动对性能造成影响,本系统中在连接器的螺纹处使用了螺纹胶对其进行紧固,提高了锁模激光器在振动中的稳定性。

锁模激光器中的集成器件为膜片式结构,采用全胶方式胶合,该器件是把WDM、隔离器、输出耦合器三个器件的功能集成到一起。因此,器件工艺和检验过程均是在相同条件下进行的,提高了器件性能的可靠性和对环境变化的适应性、一致性。同时,由于省去了原来三个器件之间的光纤连接,避免了脆弱的熔接点,可靠性也得到了提高。此外,本系统将集成器件放置在了结构体底部设计的凹槽中,并用硅胶灌封对其进行额外的抗振缓冲保护,进一步提高了系统在振动中的稳定性。

本系统通过选取振动不敏感的保偏光纤、连接器以及光学器件,降低了锁模激光器对振动的敏感性,再结合具有抗振缓冲设计的金属结构壳体,保证了系统在振动过程中能够保持良好的稳定性,锁模激光器能够稳定锁模,光学性能没有发生改变。

5 结论

本文研究了基于碳纳米管锁模全保偏掺铒光纤激光器的振动性能。将光源放置在振动台上,分别沿X、Y、Z方向进行卫星发射级的正弦振动实验和随机振动实验,实验后激光器仍能稳定锁模,且光学性能良好。该实验为锁模激光器的振动稳定性提供了更多的依据,对于星载锁模激光源及其在航天方面的应用具有重要参考价值。后续将对该光源进行更多模拟太空环境的测试,如热真空实验、高能量辐射实验等,为该光源成为星载光源做更多的实验验证。