1、引言
光纖激光器具有輸出激光光束質量好、熱管理方便、結構緊湊的特點，並可以產生高重複頻率（千赫茲量級）、窄脈寬（納秒量級）脈衝，因此其作為光發射源在激光雷達、測距與成像方麵具有廣闊的應用前景。目前獲得納秒脈衝的主要方法有調Q和主振蕩功率放大（MOPA）兩種。其中在以單模半導體激光器為種子源的MOPA結構中，可以靈活調節種子光源的重複頻率、脈衝寬度等參數，並進行功率放大，是脈衝光纖激光器研究的熱點。2013年，Teodoro 等加載相位調製展寬單頻脈衝種子，由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW，1.55ns脈衝輸出；同年，Saracco等采用薄片納秒激光種子加大模場光纖放大獲得百千瓦峰值功率 1.5ns激光輸出。上述報道中MOPA放大級數較多，且功率放大級采用空間耦合方式，係統複雜，體積較大。2011年，周翠芸等采用脈衝調製單模帶尾纖半導體激光器，全光纖放大獲得1030nm波長峰值功率16kW，脈衝寬度6.53ns脈衝輸出。但是其采用寬光譜種子，放大後光譜展寬較嚴重，超過了激光雷達探測係統中接收濾波器帶寬（約為1nm），導致雷達探測接收過程中有效脈衝能量降低，背景噪聲幹擾加大。
為了滿足相幹探測係統對光源的要求， 本文研究了窄線寬脈衝種子激光的全光纖放大特性，實現了窄線寬、高峰值功率的納秒級光纖激光器。該激光器係統采用直接脈衝調製的單頻半導體激光器為種子源，通過雙程光纖功率預放和優化主放大光纖的長度，獲得了光譜線寬為1.5GHz，峰值功率達 15kW 的脈衝激光輸出。該激光器作為發射光源可以提高探測接收效率，增強信號對比度，且為全光纖化係統，結構簡單，便於小型化，應用前景廣闊。
2、實驗裝置
窄線寬、窄脈寬高峰值功率光纖激光器實驗結構原理圖如圖1所示。電調製的分布反饋式單頻半導體激光器（DFB）作為種子源（連續輸出時線寬2MHz），中心波長為 1064.12nm，輸出調製脈衝寬度為3.92ns。種子光經過隔離器後進入由環形器、光纖布拉格光柵（FBG）及單模摻鐿光纖（SM YSF）所構成的一級雙程光纖預放大結構，該 FBG（中心反射波長為1064.68nm，反射譜半峰全寬為 1.65nm）隻對信號光高反，殘餘抽運光和自發輻射放大（ASE）經光柵濾除從另一端透射輸出。 其中，隔離器和環形器可以隔離後向傳輸的光，保護種子源，預放大級抽運源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分複用器（WDM）耦合到單模摻鐿光纖中。信號光反射二次放大後經環形器進入主放大級，主放大級抽運源采用一個多模976nmLD，經過（2+1）×1合束器與信號光一起耦合進入雙包層摻鐿光纖（DC YDF），光纖纏繞直徑為10cm。摻鐿光纖輸出端熔接20cm無源輸出光纖，並在熔點處塗敷高折射率膠進行抽運濾除（PS）。主放與預放之間加入1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，之後加入2×2的 1：9 耦合器以監測前、後向激光。預放光柵與主放激光輸出端麵都切斜 8°角，避免端麵的菲涅耳反射產生激光寄生振蕩。
3、實驗結果與分析
3.1 種子源及雙程光纖預放
實驗中種子源采用高速的MOSFET驅動單模帶尾纖輸出的單頻DFB，得到納秒寬度、重複頻率連續可調的信號光輸出。 重複頻率為10kHz時，調製DFB輸出光脈衝寬度3.92ns，平均功率為4.4μW。由於種子光功率較低，在放大過程中比較容易出現ASE，從而降低係統信噪比，影響放大器放大效率。實驗中為抑製ASE，預放級通過環形器與光纖光柵實現單級雙程光纖放大，小信號經過SM YSF放大後被FBG反射進行二次放大，ASE則經由FBG高透濾除。與之對比，保持其他條件不變，僅除去FBG和環形器，種子光經過隔離器後與抽運光通過WDM耦合進入相同的SM YSF進行直通放大，測量兩種情況下輸出激光光譜，如圖2所示。結果表明，雙程預放結構輸出激光信噪比和功率都要明顯優於直通結構，大大增強了單模光纖對小信號的放大能力，並有效地抑製了強抽運光下產生的ASE。
進入主放之前，預放激光經過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，功率達到4mW，小信號增益超過25dB。圖3給出了經過主放光纖後輸出信號光功率隨抽運功率的變化情況，當主放入纖抽運功率達到3.7W時，輸出激光功率為460mW，相應的光光轉換效率為12.5%。隨著抽運增大，輸出功率逐漸線性增長，並未觀察到飽和現象。
濾除包層抽運光後測量最高功率460mW時輸出激光光譜，中心波長為1064.12nm，ASE較低，與信號光峰值強度相差約40dB，如圖4所示，右上角小圖是光譜精細結構，半峰全寬（FWHM）為0.037nm，計算得光譜範圍1064.12±0.5nm內信號光能量占總能量比例超過90%，高的光譜強度保證確保雷達探測係統可以充分接收信號光，並提高抗背景噪聲能力。實驗中，通過控製實驗參數並未觀察到受激布裏淵散射（SBS）與受激拉曼散射（SRS）等非線性現象。然而受限於測量所用光譜儀（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨極限值附近的光譜線寬測量並不準確，下文將會討論使用F-P標準具進一步測量線寬。采用示波器（Teledyne LeCroy 610Zi）和高速光電探頭（Thorlab DET025AFC）測量輸出功率460mW時的激光脈衝序列與波形如圖5所示，插圖中藍色為種子脈衝波形，紅色為放大後脈衝波形。由圖5可知，放大後輸出激光脈衝穩定，波形與種子脈衝形狀相比基本保持不變，但是脈衝後沿下降更快導致脈寬壓窄了約0.9ns。這是因為激光放大過程中存在瞬態增益，脈衝前沿先於脈衝後沿到達增益光纖，提前消耗部分反轉粒子導致脈衝後沿增益略微減小，最終導致了脈衝寬度的壓縮。脈衝寬度由初始的 3.92ns經放大光纖壓窄為3.06ns，對應的脈衝峰值功率達到15kW，由於脈寬壓縮也導致峰值功率提高，可以增加激光雷達距離。采用PRIMES LQM-HP測得光束質量因子M2為1.226，如圖6所示。
在單頻或者窄線寬數納秒脈衝光纖激光放大係統中，SBS 是閾值最低首先出現的非線性效應，其產生的後向傳輸脈衝會被放大甚至由於峰值功率過高而破壞前級器件。針對SBS 抑製，研究人員提出了縮短光纖有效長度、使用大模場麵積光纖、相位調製、加溫度/應力梯度、聲場剪切等方案。本實驗中，由於激光線寬窄（放大後為 1.53GHz），且峰值功率較高，考慮到未來小型化應用的目標應保證係統簡便性，所以采用優化光纖長度的方案來抑製 SBS 產生，最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈衝激光輸出，但是較短的增益光纖長度也導致了抽運光吸收不充分，降低了放大級的光光轉換效率。
3.3 調節重複頻率
進一步改變種子光脈衝重複頻率研究輸出激光特性。調節外部信號發生器觸發頻率10~50kHz變化，間隔10kHz。由於單個DFB種子光脈衝寬度與強度由驅動板充放電回路電流大小與放點時間決定，隻改變重複頻率，種子脈衝波形、幅值、脈衝寬度與輸出光譜並無改變，種子光輸出平均功率隨重複頻率線性上升。保持主放級抽運功率 3.7W不變，輸出激光功率與單脈衝能量變化情況如圖8所示。隨著重複頻率增加，信號光變強提取了更多抽運光功率，導致輸出平均功率提高，但是在一定的抽運強度下增益光纖中可提取的能量有限，並不能成倍隨重複頻率增加，因此單脈衝能量會減弱。此時輸出脈衝寬度與重複頻率關係如圖9所示。重複頻率減小，脈衝寬度壓窄，且隨著重複頻率降低，脈衝寬度壓縮程度越嚴重。這種脈衝寬度變化趨勢由光纖放大器中瞬態增益的低頻響應特性導致。瞬態增益導致脈衝峰值向前沿轉移，在相同抽運功率下，低頻脈衝消耗更多的反轉粒子數會加大脈衝前後沿之間增益差別，從而進一步窄化脈衝。
報道了吉赫茲量級窄線寬、高峰值功率的納秒全光纖MOPA結構脈衝光纖激光器。實驗中利用脈衝調製的單頻DFB 種子，經兩級全光纖MOPA放大，預放大級采用雙程放大結構，主放大級優化長度抑製SBS，獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈衝寬度3.06ns脈衝激光輸出，重複頻率10~50kHz連續可調。整個係統采用全光纖結構、放大級數少，具有結構緊湊的特點，輸出激光線寬窄，譜亮度高，因此抗背景噪聲能力強，適用作相幹探測係統的光源。（中國科學院上海光學精密機械研究所上海市全固態激光器與應用技術重點實驗室，中國科學院大學 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠芸 劉源 楊燕 周軍）
光纖激光器具有輸出激光光束質量好、熱管理方便、結構緊湊的特點，並可以產生高重複頻率（千赫茲量級）、窄脈寬（納秒量級）脈衝，因此其作為光發射源在激光雷達、測距與成像方麵具有廣闊的應用前景。目前獲得納秒脈衝的主要方法有調Q和主振蕩功率放大（MOPA）兩種。其中在以單模半導體激光器為種子源的MOPA結構中，可以靈活調節種子光源的重複頻率、脈衝寬度等參數，並進行功率放大，是脈衝光纖激光器研究的熱點。2013年，Teodoro 等加載相位調製展寬單頻脈衝種子，由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW，1.55ns脈衝輸出；同年，Saracco等采用薄片納秒激光種子加大模場光纖放大獲得百千瓦峰值功率 1.5ns激光輸出。上述報道中MOPA放大級數較多，且功率放大級采用空間耦合方式，係統複雜，體積較大。2011年，周翠芸等采用脈衝調製單模帶尾纖半導體激光器，全光纖放大獲得1030nm波長峰值功率16kW，脈衝寬度6.53ns脈衝輸出。但是其采用寬光譜種子，放大後光譜展寬較嚴重，超過了激光雷達探測係統中接收濾波器帶寬（約為1nm），導致雷達探測接收過程中有效脈衝能量降低，背景噪聲幹擾加大。
為了滿足相幹探測係統對光源的要求， 本文研究了窄線寬脈衝種子激光的全光纖放大特性，實現了窄線寬、高峰值功率的納秒級光纖激光器。該激光器係統采用直接脈衝調製的單頻半導體激光器為種子源，通過雙程光纖功率預放和優化主放大光纖的長度，獲得了光譜線寬為1.5GHz，峰值功率達 15kW 的脈衝激光輸出。該激光器作為發射光源可以提高探測接收效率，增強信號對比度，且為全光纖化係統，結構簡單，便於小型化，應用前景廣闊。
2、實驗裝置
窄線寬、窄脈寬高峰值功率光纖激光器實驗結構原理圖如圖1所示。電調製的分布反饋式單頻半導體激光器（DFB）作為種子源（連續輸出時線寬2MHz），中心波長為 1064.12nm，輸出調製脈衝寬度為3.92ns。種子光經過隔離器後進入由環形器、光纖布拉格光柵（FBG）及單模摻鐿光纖（SM YSF）所構成的一級雙程光纖預放大結構，該 FBG（中心反射波長為1064.68nm，反射譜半峰全寬為 1.65nm）隻對信號光高反，殘餘抽運光和自發輻射放大（ASE）經光柵濾除從另一端透射輸出。 其中，隔離器和環形器可以隔離後向傳輸的光，保護種子源，預放大級抽運源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分複用器（WDM）耦合到單模摻鐿光纖中。信號光反射二次放大後經環形器進入主放大級，主放大級抽運源采用一個多模976nmLD，經過（2+1）×1合束器與信號光一起耦合進入雙包層摻鐿光纖（DC YDF），光纖纏繞直徑為10cm。摻鐿光纖輸出端熔接20cm無源輸出光纖，並在熔點處塗敷高折射率膠進行抽運濾除（PS）。主放與預放之間加入1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，之後加入2×2的 1：9 耦合器以監測前、後向激光。預放光柵與主放激光輸出端麵都切斜 8°角，避免端麵的菲涅耳反射產生激光寄生振蕩。
圖1 脈衝激光MOPA放大係統結構圖
3、實驗結果與分析
3.1 種子源及雙程光纖預放
實驗中種子源采用高速的MOSFET驅動單模帶尾纖輸出的單頻DFB，得到納秒寬度、重複頻率連續可調的信號光輸出。 重複頻率為10kHz時，調製DFB輸出光脈衝寬度3.92ns，平均功率為4.4μW。由於種子光功率較低，在放大過程中比較容易出現ASE，從而降低係統信噪比，影響放大器放大效率。實驗中為抑製ASE，預放級通過環形器與光纖光柵實現單級雙程光纖放大，小信號經過SM YSF放大後被FBG反射進行二次放大，ASE則經由FBG高透濾除。與之對比，保持其他條件不變，僅除去FBG和環形器，種子光經過隔離器後與抽運光通過WDM耦合進入相同的SM YSF進行直通放大，測量兩種情況下輸出激光光譜，如圖2所示。結果表明，雙程預放結構輸出激光信噪比和功率都要明顯優於直通結構，大大增強了單模光纖對小信號的放大能力，並有效地抑製了強抽運光下產生的ASE。
圖 2 雙程與直通預放放大結構輸出光譜對比關係
3.2 重複頻率10kHz
進入主放之前，預放激光經過1064±4nm帶通濾波器濾除ASE，功率達到4mW，小信號增益超過25dB。圖3給出了經過主放光纖後輸出信號光功率隨抽運功率的變化情況，當主放入纖抽運功率達到3.7W時，輸出激光功率為460mW，相應的光光轉換效率為12.5%。隨著抽運增大，輸出功率逐漸線性增長，並未觀察到飽和現象。
圖 3 激光輸出平均功率隨抽運功率變化
濾除包層抽運光後測量最高功率460mW時輸出激光光譜，中心波長為1064.12nm，ASE較低，與信號光峰值強度相差約40dB，如圖4所示，右上角小圖是光譜精細結構，半峰全寬（FWHM）為0.037nm，計算得光譜範圍1064.12±0.5nm內信號光能量占總能量比例超過90%，高的光譜強度保證確保雷達探測係統可以充分接收信號光，並提高抗背景噪聲能力。實驗中，通過控製實驗參數並未觀察到受激布裏淵散射（SBS）與受激拉曼散射（SRS）等非線性現象。然而受限於測量所用光譜儀（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨極限值附近的光譜線寬測量並不準確，下文將會討論使用F-P標準具進一步測量線寬。采用示波器（Teledyne LeCroy 610Zi）和高速光電探頭（Thorlab DET025AFC）測量輸出功率460mW時的激光脈衝序列與波形如圖5所示，插圖中藍色為種子脈衝波形，紅色為放大後脈衝波形。由圖5可知，放大後輸出激光脈衝穩定，波形與種子脈衝形狀相比基本保持不變，但是脈衝後沿下降更快導致脈寬壓窄了約0.9ns。這是因為激光放大過程中存在瞬態增益，脈衝前沿先於脈衝後沿到達增益光纖，提前消耗部分反轉粒子導致脈衝後沿增益略微減小，最終導致了脈衝寬度的壓縮。脈衝寬度由初始的 3.92ns經放大光纖壓窄為3.06ns，對應的脈衝峰值功率達到15kW，由於脈寬壓縮也導致峰值功率提高，可以增加激光雷達距離。采用PRIMES LQM-HP測得光束質量因子M2為1.226，如圖6所示。
圖 4 輸出激光光譜
圖 5 460mW輸出激光脈衝序列與波形
圖 6 460mW輸出激光M2因子
實驗中，單頻DFB調製脈衝種子線寬極窄且已超過光譜儀分辨極限，因此采用F-P標準具（Toptica FPI 100 4GHz）測量最高輸出峰值功率時激光線寬。圖7為放大激光 F-P掃腔光譜，F-P腔自由光譜範圍為4GHz，並且定義激光線寬為峰值強度一半處所對應光譜範圍，因此測得激光線寬為10/26.1*4GHz=1.53GHz。
圖 7 放大激光F-P掃腔光譜
在單頻或者窄線寬數納秒脈衝光纖激光放大係統中，SBS 是閾值最低首先出現的非線性效應，其產生的後向傳輸脈衝會被放大甚至由於峰值功率過高而破壞前級器件。針對SBS 抑製，研究人員提出了縮短光纖有效長度、使用大模場麵積光纖、相位調製、加溫度/應力梯度、聲場剪切等方案。本實驗中，由於激光線寬窄（放大後為 1.53GHz），且峰值功率較高，考慮到未來小型化應用的目標應保證係統簡便性，所以采用優化光纖長度的方案來抑製 SBS 產生，最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈衝激光輸出，但是較短的增益光纖長度也導致了抽運光吸收不充分，降低了放大級的光光轉換效率。
3.3 調節重複頻率
進一步改變種子光脈衝重複頻率研究輸出激光特性。調節外部信號發生器觸發頻率10~50kHz變化，間隔10kHz。由於單個DFB種子光脈衝寬度與強度由驅動板充放電回路電流大小與放點時間決定，隻改變重複頻率，種子脈衝波形、幅值、脈衝寬度與輸出光譜並無改變，種子光輸出平均功率隨重複頻率線性上升。保持主放級抽運功率 3.7W不變，輸出激光功率與單脈衝能量變化情況如圖8所示。隨著重複頻率增加，信號光變強提取了更多抽運光功率，導致輸出平均功率提高，但是在一定的抽運強度下增益光纖中可提取的能量有限，並不能成倍隨重複頻率增加，因此單脈衝能量會減弱。此時輸出脈衝寬度與重複頻率關係如圖9所示。重複頻率減小，脈衝寬度壓窄，且隨著重複頻率降低，脈衝寬度壓縮程度越嚴重。這種脈衝寬度變化趨勢由光纖放大器中瞬態增益的低頻響應特性導致。瞬態增益導致脈衝峰值向前沿轉移，在相同抽運功率下，低頻脈衝消耗更多的反轉粒子數會加大脈衝前後沿之間增益差別，從而進一步窄化脈衝。
圖 8 不同重複頻率下輸出脈衝能量與平均功率
圖 9 輸出脈衝寬度與重複頻率關係
4、結論
報道了吉赫茲量級窄線寬、高峰值功率的納秒全光纖MOPA結構脈衝光纖激光器。實驗中利用脈衝調製的單頻DFB 種子，經兩級全光纖MOPA放大，預放大級采用雙程放大結構，主放大級優化長度抑製SBS，獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈衝寬度3.06ns脈衝激光輸出，重複頻率10~50kHz連續可調。整個係統采用全光纖結構、放大級數少，具有結構緊湊的特點，輸出激光線寬窄，譜亮度高，因此抗背景噪聲能力強，適用作相幹探測係統的光源。（中國科學院上海光學精密機械研究所上海市全固態激光器與應用技術重點實驗室，中國科學院大學 鄒峰 王兆坤 王子薇 周翠芸 劉源 楊燕 周軍）
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