2 μm大能量掺铥脉冲光纤激光器研究进展

郑博文,杨 超,李永亮,李 鑫

(长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春 130012)

1 引 言

光纤激光器具有转化效率高、体积小、结构紧凑、温度稳定性好等优点。铥离子发射光谱涵盖1.7～2.1 μm,是产生2 μm波段激光高效的工作物质。2 μm波段激光对CO2,H2O,CH4等具有明显的吸收峰[1-2],在生物医疗、非金属材料加工、光通信等方面具有广泛的应用前景。在生物医疗领域,水在1.94 μm处强烈吸收,掺铥光纤激光器可作为激光手术刀使用,可以快速凝固血液,对组织损伤小,止血效果好[3-6]。2 μm波段处在人眼安全波段,用2 μm激光进行眼科手术时,大大降低了手术风险。在非金属材料加工领域,与近红外波段光纤激光器相比,聚合物、透明玻璃等非金属材料对2 μm波段激光具有较强的吸收作用[7],因此2 μm波段掺铥光纤激光器有着近红外波段激光器无法取代的作用。在光通信领域,2 μm波段激光位于大气传输窗口,2 μm波段激光在大气中传输损耗较低,2 μm脉冲光纤激光器可以输出大能量激光,能够在大气中进行远距离激光通信[8-9]。2 μm脉冲激光还可以作为中红外3～5 μm高效泵浦源[10],该波段可用于光电对抗等国防领域。

相较于连续激光,脉冲激光的峰值功率高、热影响区小,因此具有更广阔的应用前景。目前2 μm掺铥光纤振荡器单脉冲能量能达到纳焦量级,想要继续提高单脉冲能量需要用到主控振荡器的功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)结构。近些年,2 μm脉冲光纤激光器获得的单脉冲能量不断增大。2011年,北京工业大学刘江课题组[11]搭建了全光纤结构被动锁模的掺铥皮秒脉冲光纤激光器,使用环形腔结构设计,实验测出激光单脉冲能量为8 nJ。2017年香港大学Li Can[12]课题组,设计了短波长基本锁模掺铥光纤激光器,随后使用光纤啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)技术。实现了激光单脉冲能量为5.7 nJ的激光脉冲。2019年,马来亚大学光子学研究中心H.Ahmad[13]课题组搭建出一种可饱和吸收体为ZnO的锁模掺铥光纤激光器。产生的单脉冲能量为58.4 pJ。

综上可以看出目前在2 μm波段使用脉冲掺铥光纤振荡器来产生大能量脉冲是很困难的。我们可以使用调Q、耗散孤子共振锁模、增益开关技术结合MOPA结构进行多级放大以达到毫焦量级的单脉冲能量输出。

2 DSR锁模掺铥脉冲光纤激光器

锁模脉冲光纤激光器[14-16]输出峰值功率高,但脉冲宽度窄,这就限制了锁模脉冲光纤激光器输出的单脉冲能量。但是利用耗散孤子共振[17-19](Dissipative Soliton Resonance,DSR)这一理论设计出的DSR锁模脉冲光纤激光器可以输出大能量激光脉冲。耗散孤子与以往的高斯型脉冲不同,其脉冲形状与矩形相同,当泵浦功率不断增高,其脉冲幅值会保持稳定不变。这种孤子不易分裂,在理论上其脉冲能量可无限叠加。输出脉冲随着泵浦功率的增加而线性变宽,但是输出脉冲的峰值功率始终保持在一个水平,这会导致单脉冲能量一直增加,这是由于峰值功率箝位效应[20](Peak Power Clamping,PPC)引起的。

2016年,深圳大学的赵俊清等[21]在全异常色散的掺铥双包层光纤激光器中产生纳秒级耗散孤子共振(DSR),结构如图1所示,利用两级掺铥光纤(Thulium-doped Fiber,TDF)放大器将平均功率提高到100.4 W。用非线性光纤环镜(Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM)实现了TDF振荡器的DSR锁模。TDF振荡器能提供持续时间3.74～72.19 ns的矩形脉冲,同时保持几乎相等的输出峰值功率(0.65 W)。两级放大器可以将脉冲扩展到相似的平均功率水平,但根据持续时间的不同,其峰值功率为0.94～18.1 kW。TDF主振荡器功率放大器系统可以提供2 μm波段全光纤激光源,脉冲持续时间和峰值功率可调。

图1 大功率DSR全光纤系统

2019年,深圳大学的郑志坚等[22]搭建了在DSR下工作的全光纤9字腔锁模双包层掺铥光纤激光器。结构如图2和图3所示,用非线性放大环镜技术(Nonlinear Amplification Loop Mirror,NALM)获得稳定的矩形脉冲。输出功率和脉冲能量通过三级MOPA系统进一步提高。在最大泵浦功率下,基于MOPA系统平均输出功率可达104.3 W,脉冲能量为0.33 J。

图2 DSR激光振荡器

图3 DSR的MOPA原理图

DSR锁模属于被动锁模的一种,在锁模掺铥光纤激光器中,目前只有DSR锁模光纤激光器能输出毫焦量级的脉冲激光输出。其输出功率受到可用泵浦的影响,输出能量进一步提高需增大泵浦功率。

3 增益开关掺铥脉冲光纤激光器

增益开关[23](Gain-Switch)技术通过对泵浦源电信号直接调制实现激光脉冲输出。增益开关掺铥脉冲光纤激光器后接放大结构可以输出大能量脉冲。

2010年,上海光学精密机械研究所的唐玉龙等[24]基于增益开关技术,实验结构如图4所示。使用Tm:YLF晶体[25]激光器实现了两级掺Tm3+光纤激光器脉冲激光输出。中心波长为2020 nm、脉冲重复频率可从500 Hz～50 kHz进行调谐,脉冲宽度可从75 ns～1 μs进行调谐。最大脉冲峰值功率为138 kW、最大脉冲能量超过10 mJ。在一级放大系统中,峰值功率为10 kW,最大脉冲能量为4 mJ。在二级放大系统中,增加泵浦的功率直到端帽的端面被破坏。可以测得2 μm激光最大输出功率为5.2 W,对应的脉冲能量为10.4 mJ。

图4 组合增益开关Tm3+光纤激光器结构

2013年,国防科学技术大学的殷科等[26-27]基于增益开关技术搭建了全光纤结构掺铥二级MOPA激光器,输出激光中心波长为1958 nm、重复频率10 kHz、脉冲宽度为1.6μs、单脉冲能量为0.518 mJ。次年,基于增益开关技术结合两级掺铥光纤放大器对激光进行放大,输出激光中心波长为1979.4 nm、重复频率20 kHz、峰值功率高于10 kW、脉冲宽度为82 ns、单脉冲能量为0.86 mJ。与上组实验进行对比脉宽减小的原因是其减小了增益光纤的长度、增大了二级放大中光纤纤芯面积、增大了泵浦源的总功率。

2015年,国防科技大学的Li Lei等[28]采用大能量全光纤纳秒掺铥二级MOPA光纤激光器。实验结构如图5所示,种子振荡器是由1550 nm光纤激光器泵浦的线性偏振增益开关光纤激光器。在使用两级双包层光纤放大器以后,系统中心波长2050 nm,为重复频率为40 kHz时,脉冲宽度为100 ns、峰值功率为10 kW、单脉冲能量为1 mJ。

图5 掺铥MOPA系统原理图

2022年,德国弗劳恩霍夫光电系统技术和图像开发研究所的Dominik Lorenz等[29]研制了2047 nm的脉冲保偏(PM)三级MOPA光纤激光器,实验如图6所示,在重复频率为50 kHz时,脉冲宽度为50 ns、单脉冲能量为396 μJ。

图6 MOPA结构图

表1为增益开关掺铥脉冲光纤激光器近年来在2 μm波段的主要成就。增益开关脉冲掺铥光纤激光器结合MOPA结构可产生大能量激光脉冲。但是它还有些不足之处,增益开关光纤激光器的调制深度通常会受到限制、增益开关光纤激光器在切换状态时可能引入相位噪声会导致激光输出频率的不稳定性和相位漂移、增益开关光纤激光器通常需要较高的功率来实现快速切换和调制。这可能导致较高的功耗和热量产生,需要有效的热管理系统来保持激光器的温度稳定、增益开关光纤激光器的设计和制造相对复杂,需要高度精确的组件和控制系统。这可能导致成本较高,不适用于某些应用场景、由于增益开关光纤激光器的复杂性,其可靠性和使用寿命可能受到影响。特别是在高功率和快速切换的情况下,泵浦源的寿命可能会缩短。

表1 大能量增益开关掺铥脉冲光纤激光器主要成果(大能量)

4 调Q脉冲掺铥光纤激光器

通常使用主动调Q技术[30-32]和被动调Q技术[33-35]来对调Q脉冲掺铥光纤激光器进行调制,主动调Q技术的周期与外加场的周期相同并且可以通过外加场进行调谐,其调谐范围通常来说比较大,激光脉冲的能量也比较大。被动调Q技术的周期与调Q晶体材料自身特性有关,通常不能调谐,脉冲能量比较小。

2003年,英国曼彻斯特大学物理和天文学系激光光子学研究组AshrafF.El-Sherif等[36]首次报导掺铥光纤激光器中使用电光调Q技术获得脉冲激光。其重复频率为70 Hz、最大峰值功率为3.3 kW、脉冲宽度为320 ns、单脉冲能量为2.5 mJ。

2013年,北京工业大学的刘江等[37]报导了半导体可饱和吸收反射镜(SESAM)[38-40]被动调Q掺铥光纤激光器,使用两级全光纤结构掺铥光纤放大器。MOPA系统中心波长为1966 nm、脉冲宽度为270 ns、单脉冲能量为100 μJ。

2013年,德国阿贝光子学中心的Fabian Stutzki等[41]报导了一种高脉冲能量和高平均功率声光调Q 掺Tm3+光纤振荡器,实验装置如图7所示,振荡器产生重复频率为13.9 kHz、脉宽为15 ns、峰值功率超过150 kW、单脉冲能量为2.4 mJ。输出激光光谱在最高能量脉冲下会出现两个峰分别为1850 nm和1900 nm。

图7 激光振荡器示意图

2014年,上海交通大学唐玉龙等[42]报导了由声光调制器调制的窄带脉冲激光器泵浦的两级2 μm掺Tm3+光纤放大器。激光中心波长为1951 nm、重复频率为50 kHz时,峰值功率为10 kW、单脉冲能量为1 mJ。脉冲宽度可从几十ns调谐到几百ns,光谱宽度为1.4 nm。

2018年,美国中佛罗里达大学的Ali Abdulfattah等[43]报导了一个2 μm MOPA光纤激光系统,实验装置如图8所示。振荡器是单模掺铥光纤,工作方式为声光调Q。该系统脉冲宽度为114 ns,中心波长为1977 nm,产生了700 μJ的单脉冲能量。

图8 高能掺铥MOPA结构图

2021年,上海光学精密机械研究所的贺振兴等[44]报导了一种基于声光Q技术的2 μm波段全光纤高功率脉冲全保偏掺铥光纤激光器。实验装置如图9所示,使用声光调制器来调制激光器,后接二级掺铥光纤放大器,获得了中心波长2009.71 nm,峰值功率为2.1 kW、脉冲能量大于204 μJ。

图9 MOPA结构示意图

调Q脉冲掺铥光纤激光器能够产生毫焦量级的脉冲激光,但是在产生大能量激光的同时光纤内易产生非线性效应,实验时应多加注意。有些应用需要线偏振大能量光,所以光纤应选用保偏光纤。保偏光纤非线性效应阈值低于正常光纤更容易产生非线性效应。如何减小保偏光纤非线性效应带来的影响是目前研究的一个热点。表2为调Q脉冲掺铥光纤激光器近年来在2 μm波段的主要成就。

表2 调Q掺铥脉冲光纤激光器主要成果

5 总结与展望

在目前的研究中,由于锁模的机制,不易产生大能量的激光。DSR锁模不同于其他的锁模技术,在理论上其脉冲能量可以达到无限叠加。在DSR锁模脉冲掺铥光纤激光系统中,多用NOLM和NALM作为可饱和吸收体,其损伤阈值高、环境稳定性高、易启动。

在增益开关光纤激光器系统中,尽管增益开关光纤激光器具有某些优势,但也存在一些技术限制和不足之处。这些限制需要在特定应用中进行考虑,并根据需求评估是否选择增益开关光纤激光器作为合适的实验方案。在调Q光纤激光器系统中,目前常用声光调Q技术获得大能量脉冲光,我们可以用声光调Q脉冲掺铥光纤激光器为种子源,后接功率放大系统继续对大能量脉冲光进行放大。近些年激光器光纤多选用PM光纤,与常规光纤相比,PM光纤更易发生非线性效应,例如受激拉曼散射、受激布里渊散射,因此更难进行调制。可以通过增加光纤的线宽、减小增益光纤的长度、增加增益光纤的芯径、减少热负载等来减弱光纤非线性效应。