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1.5 μm波段脉冲单频光纤激光源在激光测风雷达、大气遥感及空间态势感知等领域应用广泛[1–5]. 以相干多普勒激光测风雷达为例, 高能量、窄线宽的脉冲激光源可以有力提升系统的探测距离和探测精度. 主振荡功率放大(MOPA)结构具有脉冲时域特性可调、激光光束质量优、系统结构紧凑等特点, 已成为实现高能量脉冲单频激光的主要技术方案. 但由于脉冲单频激光自身的窄线宽特性, 激光功率放大往往受到受激布里渊散射(SBS)效应的严重制约[6–8]. 特别是用于实现高能量激光输出的百纳秒脉冲单频激光, 脉冲持续时间远大于光纤玻璃基质的声子寿命(约10 ns), 光波场与声场的相互作用过程导致反向斯托克斯(Stokes)光增益快速积累, 激光的SBS阈值较低, 脉冲能量水平难以提升[9,10].
针对这一问题, 研究人员一方面从脉冲放大系统所用增益光纤出发, 通过增加光纤的模场面积来降低激光功率密度, 实现脉冲单频激光能量的提升. 其中, 软玻璃光纤凭借高稀土离子掺杂浓度、低数值孔径等特点, 展现出明显的应用优势[11–13]. 2021年, Akbulut等[14]采用长度20—30 cm、模场面积达到1000 μm2的保偏掺铒磷酸盐光纤实现了脉冲能量为1.3 mJ的600 ns单频脉冲激光, 激光的光束质量(
$M^2$ )仅为1.33×1.18. 但考虑到软玻璃光纤与石英光纤在熔点、机械强度等方面存在的较大差异, 实现无源石英光纤与软玻璃光纤的低损耗、高强度熔接仍存在一定的难度[15], 此外, 高掺杂软玻璃光纤尚无成熟的商用产品, 这些都在一定程度上限制了这一方案的实际应用. 另一方面, 考虑到SBS效应增益的积累主要来源于光波场与声波场的互作用过程, 研究人员提出可通过对增益光纤施加轴向的温度或应力梯度来改变Stokes光频移量, 从而抑制信号光放大过程中反向Stokes光的增益积累[16,17]. 2014年, Zhang等[18]通过在纤芯直径为10 μm的保偏铒镱共掺光纤上施加应力梯度将脉冲宽度200 ns的1540 nm脉冲单频光纤放大器的SBS阈值提高了3.4倍, 获得了脉冲能量72.3 μJ、光谱线宽2.6 MHz的单频激光输出. 同年, Zhang等[19]采用纤芯尺寸为25 μm的大模场铒镱共掺光纤结合应力梯度技术进一步提高系统的SBS阈值, 将脉冲能量提高至540 μJ. 值得注意的是, 虽然温度和应力梯度能够在一定程度上抑制Stokes光增益, 提升脉冲单频激光放大系统的能量输出, 但仍存在对温度、振动较为敏感等环境适应性问题, 需要在实际应用中加以考虑.脉冲激光放大过程中由于增益饱和效应, 脉冲波形往往随着激光功率增加逐渐发生畸变, 脉冲前沿因提取较高的激光增益, 导致强度快速上升, 因而较早达到SBS阈值, 限制了脉冲能量的进一步提升. 研究人员提出针对脉冲波形的预整形技术, 通过对种子激光脉冲波形进行设计, 缓解激光放大过程中因增益饱和效应导致的脉冲前沿陡然增加、脉宽压窄限制脉冲能量放大的问题[20–22]. 2023年, Zhang等[23]实验分析方形脉冲、抛物线形脉冲及三角形脉冲在放大过程中的波形畸变程度, 结果表明具有低强度上升沿的三角形脉冲可以有效地缓解增益饱和效应导致的脉冲前沿强度畸高的现象, 实验中利用设计的三角形脉冲波形, 获得了脉冲宽度574 ns、脉冲能量353 μJ的1548 nm单频脉冲激光输出. 但该工作未涉及三角形脉冲波形优化设计及不同参数下放大脉冲波形演化和SBS阈值等方面的讨论.
本文通过设计三角形种子脉冲波形, 优化脉冲前沿上升趋势及低强度上升部分持续时间, 缓解脉冲放大过程中因增益饱和导致的脉宽压缩过程, 有效地提升脉冲单频光纤激光放大系统的能量水平. 实验中基于12 μm纤芯的保偏铒镱共掺光纤, 获得了脉冲能量130 μJ的1550 nm单频脉冲激光输出, 为该尺寸纤芯下, 脉冲单频激光的最高能量. 得益于放大后较长的激光脉冲宽度, 最高能量时的激光光谱线宽仅为542 kHz. 该工作为高能量脉冲单频光纤激光放大提供了种子脉冲波形的优化思路.
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基于包含Stokes光的脉冲单频铒镱共掺光纤激光器理论模型[23], 针对三个具有不同上升沿趋势的三角形种子脉冲放大后波形演化规律进行数值模拟. 图1(a)—(c)中黑色曲线为具有不同上升沿趋势的脉冲全宽均为1500 ns、峰值功率均为0.2 W的三角形种子脉冲. 三个波形归一化脉冲强度从0增加至0.1(本文将该强度作为衡量脉冲低强度持续时间的标准)的持续时间分别为113, 405和815 ns, 脉冲宽度(半高全宽)分别为732, 445和215 ns. 三个种子脉冲放大后的波形如图1(a)—(c)中红色曲线所示, 由于脉冲1具有快速上升的前沿, 对光纤中增益提取能力较强, 放大过程中脉冲波形发生严重畸变. 在泵浦功率为5 W的条件下, 脉冲1放大后的波形脉冲宽度压缩至357 ns, 峰值功率为406 W达到系统SBS阈值, 限制了脉冲能量的进一步提升, 脉冲波形下降沿存在反向Stokes光与正向信号光相互作用引起的时域波动. 相比于脉冲1, 脉冲2和脉冲3具有缓慢上升的前沿以及较长的低强度上升持续时间, 在相同泵浦功率条件下脉冲2和脉冲3放大后的波形脉冲宽度为561 ns和1402 ns, 脉冲峰值功率分别为303 W和131 W, 没有达到系统SBS阈值, 进一步增加泵浦功率能够获得更高的脉冲能量. 此外, 由于脉冲3前沿较长的低强度上升持续时间, 对光纤中增益提取能力较弱, 在泵浦功率增加至5 W的过程中脉冲宽度持续展宽. 因此, 我们考虑设计具有较长持续时间低强度上升沿的三角形种子脉冲开展实验研究, 通过减缓种子脉冲上升沿增长趋势, 抑制脉冲放大过程中的脉宽压缩现象, 在脉冲单频激光峰值功率达到SBS阈值前获得更高的脉冲激光能量.
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图2为1550 nm线偏振脉冲单频光纤激光MOPA光路示意图. 线宽为700 Hz、输出功率为3 mW的连续波DBR型单频光纤激光器作为种子源, 经一级纤芯预放大和一级包层预放大将功率提升至500 mW. 将设计的三角形脉冲输入到任意波形发生器(AWG)中获得电脉冲信号来控制声光调制器(AOM), 将连续波单频激光调制为重复频率10 kHz的脉冲信号光. 经过AOM调制后的脉冲信号光通过一级纤芯预放大和两级包层预放大将平均功率提升至210 mW后注入主放大级. 采用能量计(Ophir PE10-C)测得注入主放大级的激光脉冲能量为20.8 μJ, 在重复频率10 kHz的条件下, 连续光成分占比较低.
主放大级采用纤芯/包层直径为12 μm/130 μm的保偏铒镱共掺光纤(Coherent PM-EYDF-12/130-XPH)作为增益介质, 光纤在915 nm处的包层吸收系数为4.1 dB/m, 实验中将其长度优化为1 m以提高脉冲单频激光的SBS阈值. 整个MOPA系统均采用保偏光纤器件, 各放大级间加入带通滤波器(BPF)和隔离器(ISO)以滤除带内放大自发辐射(ASE)并防止反向光损坏前级器件. 主放大级后采用自制的包层模式滤除器(CPS)滤除剩余泵浦光, 光纤输出端斜切8°角以避免反射光损坏激光系统. 实验中通过主放大级泵浦/信号合束器空余泵浦端口对反向光谱进行监测, 以判断脉冲激光放大系统的SBS阈值.
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实验中对比了三种具有不同脉冲前沿上升趋势的三角形种子脉冲的放大能力, 图3为在AOM后测得的归一化的种子脉冲波形, 三种波形的脉冲全宽均设置为1500 ns. 如图3中黑色曲线所示的脉冲波形1, 其前沿快速上升, 归一化脉冲强度从0增加至0.1的持续时间为95 ns. 相比于波形1, 在相同脉冲全宽下波形2和波形3的前沿强度较低且具有更长时间的低强度上升阶段, 归一化脉冲强度从0缓慢增加至0.1的持续时间分别为401 ns和869 ns, 如图3中红色及蓝色曲线所示. 三种波形脉冲的半高全宽(FWHM)分别为912, 520和239 ns. 由功率计(Ophir PD300-IR)测得经AOM调制后的三种波形脉冲激光功率分别为1.88, 1.19, 0.64 mW, 以此作为种子脉冲进行后续放大实验.
在脉冲放大过程中, 脉冲前沿率先通过有源光纤消耗大量上能级粒子获得激光增益, 脉冲后沿经过有源光纤时由于增益饱和无法提取足够的激光增益导致脉冲波形发生变化. 三种脉冲种子波形经主放大级后的脉冲形状如图4(a)—(c)所示. 三种脉冲波形前沿上升趋势的差异, 导致放大过程中脉冲信号光对增益的提取能力不同, 脉冲波形发生了不同程度的畸变. 在主放大级泵浦功率为4.9 W时, 种子脉冲1放大达到SBS阈值, 此时测得的激光脉冲形状如图4(a)中红色曲线所示. 由于种子脉冲前沿较强的增益提取能力, 放大后的脉冲波形呈现前沿快速上升的特点, 前沿持续时间由种子脉冲时的1400 ns降低为105 ns, 脉冲波形畸变严重. 由图4(d)所示的主放大级信号光脉冲宽度随泵浦功率变化曲线可知, 脉冲1在功率放大过程中由于增益饱和效应, 脉冲宽度持续压缩, 由注入主放大级前的1141 ns压缩至320 ns. 且实验中由于脉冲畸变、脉宽压缩导致的较高峰值功率, 脉冲波形1较早出现了SBS现象. 需要指出的是, 在该泵浦功率下, 除了在合束器泵浦端口观察到反向Stokes光强度与瑞利散射的信号光强度相同, 正向信号光的脉冲后沿观察到明显的时域波动, 这一现象主要由反向Stokes光与正向传输的脉冲信号光相互作用导致.
相较于脉冲1, 脉冲2在功率放大过程中表现出更高的SBS阈值, 图4(b)中红色曲线为泵浦功率为9.4 W时测得的激光脉冲波形. 此时信号光仍未达到SBS阈值, 仅因主放大级有源光纤增益有限, 激光脉冲能量出现饱和现象, 未对泵浦功率作进一步增加. 可以发现, 通过延长种子脉冲上升沿低强度部分的持续时间, 有效缓解了脉冲放大过程中波形畸变导致的脉冲宽度压缩, 放大后的脉冲前沿持续时间为319 ns, 远长于脉冲波形1在4.9 W泵浦功率时的105 ns. 由图4(e)可以观察到, 随着主放大级泵浦功率的增加, 脉冲2的宽度从1019 ns先展宽到1061 ns后压缩至608 ns, 与放大前种子脉冲的宽度接近. 脉冲3具有持续时间更长的低强度上升沿, 因此脉冲前沿的增益提取能力更弱, 导致其放大后的脉冲仍具有较长的上升沿. 如图4(c)所示, 在泵浦功率同为9.4 W时, 脉冲前沿的持续时间仍能达到831 ns. 由于脉冲3较窄的初始脉冲宽度以及较长持续时间的低强度上升沿, 从图4(f)所示的脉冲宽度演化曲线可知, 随着主放大级泵浦功率的增加, 脉冲3的宽度呈现持续展宽的特点, 脉冲宽度从533 ns逐渐增加至875 ns.
实验中采用能量计对三种波形脉冲在主放大级不同泵浦功率下的脉冲能量进行了测量, 结果如图5(a)所示. 结合图4所示的脉冲宽度, 计算得到图5(b)所示的脉冲激光峰值功率. 三种波形脉冲在低泵浦功率下表现出相近的能量放大趋势, 但由于脉冲1较为严重的波形畸变和脉宽压缩, 较早出现了SBS现象, 脉冲能量仅放大到104.9 μJ, 此时的脉冲峰值功率约为328 W. 而对于脉冲2和脉冲3, 随着泵浦功率的增加, 脉冲能量均出现饱和趋势. 此外, 相比于脉冲2, 脉冲3具有强度更低的上升沿, 对上能级粒子提取能力较差, 导致其放大后的脉冲能量较低. 在泵浦功率为9.4 W时, 脉冲2和脉冲3的能量分别达到130.9 μJ和122.7 μJ. 相比于脉冲1, 脉冲2和脉冲3功率放大过程中的脉宽压缩现象得到有效的缓解, 使得二者在高脉冲能量的条件下仍能保持较低的激光峰值功率. 如图5(b)所示, 在最高泵浦功率9.4 W时, 两脉冲的峰值功率仅为215 W和137 W, 均未达到系统的SBS阈值, 反向光谱中所观察到的Stokes光强度仍较弱. 可以推断, 通过采用大模场的有源光纤, 可将两脉冲的能量进一步提升. 以上实验结果表明, 通过对三角形种子脉冲前沿进行预整形, 合理增加上升沿低强度持续时间, 能够有效地抑制脉冲放大过程中的脉宽压缩现象, 进而缓解峰值功率的增长趋势, 在脉冲单频激光达到SBS阈值前, 获得更高的激光能量. 相比于具有快速上升前沿的脉冲波形1, 实验中采用脉冲波形2获得了约25%的脉冲能量提升, 同时, 脉冲波形3也表现出进一步实现高能量脉冲单频激光的应用潜力.
采用延迟自外差法对主放大级不同泵浦功率下脉冲信号光线宽测量的结果如图6所示. 脉冲1在功率放大过程中线宽呈现持续展宽的趋势, 由293 kHz展宽到616 kHz; 脉冲2的激光线宽由286 kHz先降低至213 kHz后展宽至最高功率下的542 kHz; 脉冲3在放大过程中激光线宽由放大前的441 kHz持续压缩至最高功率下的335 kHz. 三种波形脉冲在放大过程中线宽与图4所示的脉冲宽度呈现相反的变化趋势, 反映了脉冲信号时域脉冲宽度和光谱域激光线宽之间的反比关系.
图7(a)为脉冲2放大至最高能量130.9 μJ时测得的激光光谱. 激光中心波长为1550.1 nm, 光谱在976 nm附近可以观察到部分剩余泵浦光. 插图为1525—1565 nm范围内的激光光谱, 在1530—1548 nm波段存在一定的铒离子ASE成分, 信号光相对于ASE的光学信噪比为42 dB. 图7(b)为使用半波片和偏振分束镜测得的输出激光偏振特性, 最高能量130.9 μJ时激光偏振消光比(PER)为16 dB, 相比于种子源23 dB的PER出现了一定的劣化, 主要源于主放大级较高泵浦功率产生了一定的连续光成分.
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本文研究了采用预整形种子脉冲获得高能量脉冲单频激光的方法, 通过对三角形脉冲的前沿进行预整形, 优化脉冲前沿上升趋势及低强度上升部分的持续时间, 缓解增益饱和效应导致的脉冲宽度压缩, 为脉冲单频激光的高能量放大提供提升空间. 实验中基于上升沿低强度持续时间为401 ns、脉冲全宽为1.5 μs的三角形脉冲种子, 在纤芯直径为12 μm的保偏铒镱共掺光纤中实现了脉冲宽度608 ns、能量130 μJ的1550 nm脉冲单频激光输出. 进一步优化脉冲波形设计, 采用大模场增益光纤, 可实现更高能量脉冲单频激光输出.
基于种子脉冲预整形的130 μJ线偏振单频12 μm纤芯铒镱共掺光纤激光器
130 μJ linear-polarized single-frequency 12-μm-core Er/Yb co-doped fiber amplifier based on pre-shaped seed pulse
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摘要: 报道了基于种子脉冲预整形实现的百微焦1550 nm线偏振脉冲单频光纤激光器. 通过设计三角形脉冲种子波形, 优化其前沿上升趋势及低强度持续时间, 缓解脉冲激光在放大过程中因增益饱和效应引起的脉冲宽度压缩、激光峰值功率快速增长问题, 实现高能量脉冲单频激光放大. 实验中基于优化设计的脉冲种子波形, 在纤芯直径为12 μm的铒镱共掺光纤中, 实现了脉冲宽度608 ns、能量130 μJ、光谱线宽542 kHz的1550 nm线偏振脉冲单频激光输出.Abstract:
Stimulated Brillouin scattering (SBS) is the major barrier in the process of energy scaling for pulsed single-frequency fiber master oscillator power amplifier (MOPA). Due to gain saturation effect, the laser pulse profile will be gradually distorted with the increase of pump power, which induces steep leading edge and narrower width for the amplified pulses. The resulting laser peak power would increase rapidly and thus the SBS threshold is reached earlier to limit the amplification of pulse energy. A method to obtain high-energy pulsed single-frequency laser by pulse pre-shaping is demonstrated in this work. By designing the leading edge of the triangular pulse, optimizing its rising trend and the duration of the low-intensity rising part, the pulse width compression phenomenon caused by gain saturation is alleviated effectively. Thereafter, the laser peak power increase process can be retarded to reach the SBS threshold so that higher energy can be amplified for the pulsed single-frequency fiber laser. In the experiment, when the seed pulse is optimized to be a triangular pulse with a low-intensity rising edge of 401 ns and a pulse width of 520 ns, a linear-polarized pulse single-frequency fiber laser of 130.9 μJ is obtained in a 12-μm-core Er/Yb co-doped polarization-maintaining fiber. The pulse width is broadened to 608 ns at the maximum energy. When it is compared with the triangular pulse seed with a rapidly rising leading edge, its maximum energy is increased by about 25%. The optical signal-to-noise ratio and polarization extinction ratio are measured to be 42 dB and 16 dB at the maximum pulse energy, respectively. The corresponding spectral linewidth measured by a delayed self-heterodyne system is 542 kHz. Higher pulse energy can be anticipated by further optimizing the pulse profile and using large-mode-are gain fibers. -
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图 1 (a)—(c)不同上升趋势三角形种子脉冲(脉宽分别为732, 445, 215 ns)放大后波形特性仿真分析
Figure 1. (a)–(c) Simulation analysis of the pulse shape characteristics of the three typical triangle seed pulses with different rising edge (pulse width are 732 , 445, 215 ns) during the amplification.
图 2 1550 nm线偏振脉冲单频光纤激光MOPA光路示意图
Figure 2. Schematic of the 1550 nm linear-polarized pulsed single-frequency fiber MOPA.
图 4 (a)—(c)实验设计的三种种子脉冲波形及脉冲放大至最高能量时的波形对比; (d)—(f)主放大级脉冲激光放大过程中脉冲宽度与泵浦功率的关系
Figure 4. (a)–(c) Comparison of the designed three typical seed pulses and the pulses amplified to the maximum energy; (d)–(f) the pulse width as a function of pump power in main amplifier stage.
图 5 三种波形脉冲的 (a)脉冲能量和(b)峰值功率与主放大级泵浦功率的关系
Figure 5. (a) Pulse energy and (b) peak power of the three pulses as a function of pump power in main amplifier stage.
图 6 三种波形脉冲放大过程中激光线宽与主放大级泵浦功率的关系
Figure 6. Spectral linewidth evolution of the three pulses as a function of pump power in main amplifier.
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