文 / 毛慶和、姚波、張驥
中國科學院合肥物質科學研究院
主動調Q 光纖激光器及優勢
大能量納秒脈衝激光在激光清洗、雷達探測、精密加工及非線性變頻等領域具有極其重要的應用。通常，這類脈衝激光由高品質納秒脈衝種子光源後接功率放大器構成的MOPA系統獲得，而脈衝種子源主要有直接調製半導體激光器、調Q 固體激光器和光纖激光器。
相比之下，調Q 光纖激光器具有光束質量好、結構緊湊、轉換效率高、受後續功率放大器反射影響小等優點，是大能量納秒激光脈衝的理想種子源。而聲光調製器（AOM）具有調製波形與調製頻率可控等優點，人們也一直試圖採用AOM構建出高性能主動調Q 光纖激光器。
常見的主動調Q 光纖激光器類型
迄今，利用單包層和雙包層增益光纖，人們已構建出不同結構的基於AOM的主動調Q 光纖激光器。
其中，雙包層摻雜光纖具有在高抽運下增益高且不易飽和的特性，因此人們利用雙包層摻雜光纖作為增益光纖構建出了多種基於AOM等空間分離器件的線形腔主動調Q 光纖激光器（圖1所示），目前在10 kHz重複頻率下可以獲得最窄脈寬12 ns的調Q 脈衝。但是，這類基於分離器件的調Q 光纖激光器穩定性較差，必須要發展全光纖化的主動調Q 光纖激光器。
圖1 空間結構線形腔主動調Q 光纖激光器
基於光纖型的布拉格光柵、合束器、AOM等器件，人們發展了全光纖化線形腔主動調Q 光纖激光器（圖2所示），大大提高了穩定性的同時實現了脈寬幾十到幾百納秒，帶寬在納米水平的調Q 激光脈衝輸出。
但是，由於尾纖型AOM承受功率的限制，對於這類全光纖化線形腔主動調Q 光纖激光器，不允許通過增大抽運光功率來發揮雙包層增益光纖飽和增益高的優勢，導致全光纖調Q 光纖激光器的重複頻率、輸出功率以及脈寬等指標依然不理想。特別是對於亞納米窄帶寬調Q 光纖激光器，儘管重複頻率已達到50 kHz，但輸出脈衝寬度卻大於100 ns。
圖2 全光纖線形腔主動調Q 光纖激光器
為了獲取窄脈寬的調Q 窄脈衝，必須設法突破尾纖型AOM承受功率限制，允許增大抽運光功率來發揮雙包層增益光纖飽和增益高的優勢。
為此，人們改用如圖3所示的環形腔結構，通過插入光纖耦合器抽取出腔內脈衝能量，並巧妙地在光纖耦合器後端放置尾纖型聲光調製器，從而使得尾纖型聲光調製器處在腔內功率較低的位置，這就允許大幅提升抽運功率來提升雙包層增益光纖的飽和增益，進而結合減小Q 開關佔空比、增大增益恢復時間的方法，獲得了脈寬10 ns的調Q脈衝，且帶寬1 nm、重複頻率高於100 kHz。
圖3 環形腔主動調Q 光纖激光器
但是，對於這類環形腔結構調Q 激光器，若要獲取更窄帶寬的調Q 脈衝，需選用亞納米窄帶濾波器，這必然會減弱激光腔反饋，導致調Q 脈衝建立時間延長，又與減小佔空比來增大增益恢復時間、獲取高重複頻率相矛盾。
不僅如此，由於光纖波導結構特性導致了增益光纖內任意位置處自發輻射易於被收集後形成導模進行傳輸，使得在高功率抽運下增益光纖將產生大量正反向放大的自發輻射(ASE)，這些過量的ASE會導致增益光纖產生增益自飽和效應，同樣會影響對經弱腔反饋的窄帶種子ASE的放大效果，延長調Q 脈衝建立時間，不利於高重複頻率調Q 脈衝獲取。正因為如此，時至今日，基於AOM的主動調Q 光纖激光器在獲取窄帶寬的高重複頻率窄脈寬調Q 脈衝上依然存在困難。
窄帶寬、窄脈寬和高重複頻率調Q光纖激光器
我們提出並演示了一種由AOM主動調Q 環形腔雙包層光纖激光器獲取窄帶寬、窄脈寬和高重複頻率激光脈衝的方法，如圖4所示。
圖4 基於AOM的主動調Q 全光纖激光器結構示意圖
上圖中所用增益光纖為雙包層摻鐿光纖，由帶尾纖的975 nm多模激光二極管（LD）經(2+1)×1抽運合束器（MPC）抽運。通過在環形器（CIR）公共端接入一隻中心波長1064 nm、3 dB帶寬0.2 nm、反射率約99%的光纖布拉格光柵（FBG），並將CIR輸入輸出端接入主腔，構成窄帶濾波器，同時保證腔內光波順時針傳輸。經YDCF放大後的腔內高功率激光由單模光纖耦合器抽取出80%後，進入單模光纖尾纖型AOM，從而使AOM處在腔內功率較低處，避免了其可能的光熱損傷。
考慮到YDCF輸出端附近內包層中存在著大量剩餘抽運光和正向ASE，與單模光纖直接熔接時，因熔接點難以完全消除不連續性，不僅會導致熔接點的光熱損傷，還會使包層中正向ASE經微小反射後形成初始反向ASE，導致增益光纖因反向ASE過大而加重ASE的增益自飽和效應，不利於窄帶寬調Q脈衝的快速建立。
為此，我們專門設計了一種特殊的抽運剝離器（CPS），直接以YDCF作為其輸入光纖，輸出光纖型號則與OC單模尾纖一致。這種結構不僅減少了YDCF與CPS間熔接點的損耗和反射，同時在該CPS中利用在YDCF末端內包層表面塗覆高折射率膠，使得內包層中傳輸的剩餘抽運光和正向ASE在到達與單模光纖熔接端面之前就被有效剝離掉，從而減弱使得經CPS反射回到增益光纖的初始反向ASE，進而緩解因ASE造成的增益自飽和效應。
圖5 7 W抽運功率下(a) 1:53佔空比、150 kHz重複頻率輸出脈衝波形；(b) 1:64佔空比、155 kHz重複頻率輸出脈衝波形；(c) 150 kHz和155 kHz重複頻率下反向光譜；(d) 150 kHz和155 kHz重複頻率輸出調Q脈衝光譜
實驗發現，所設計激光器在7 W抽運功率下，當以方波調製調Q 光纖激光器中的AOM，且調製頻率低於120 kHz時，即使在1:1的調製方波佔空比下，激光器就很容易獲得無脈衝缺失的規整調Q脈衝序列，但脈衝寬度較寬；而若降低佔空比，相對地促進增益光纖粒子數反轉度的恢復，則可獲得小於10 ns的調Q 激光脈衝。
當調製頻率高於120 kHz但低於150 kHz時，在1:1的佔空比下，輸出脈衝序列存在著嚴重的脈衝缺失現象，通過適當減小佔空比，可消除脈衝缺失，激光器也能輸出規整的調Q 脈衝序列。當佔空比減小至1:53，最大可獲得的由單一腔循環構成的調Q脈衝重複頻率高達150 kHz，對應脈寬窄至10.4 ns（見圖5a）。
而若進一步減小佔空比，雖然仍可獲得更高重複頻率的規整輸出脈衝，但是，輸出脈衝為類ASE脈衝。圖5(b)為調製頻率155 kHz、佔空比降至1:64測得的輸出脈衝波形。
可見，脈衝幅度大幅下降，脈衝寬度增大至25 ns。由閒置抽運端測得的反向光譜（圖5c）可見，相比於150 kHz重複頻率情況，當重複頻率為155 kHz時，測得光譜中的ASE背景已顯著提高，這就造成了摻雜光纖存在嚴重的增益自飽和，不能高效放大Q 開關打開後腔反饋獲得的窄帶初始ASE，導致窄帶寬調Q 脈衝難以快速建立，使得產生的輸出脈衝為無諧振特徵的類ASE脈衝。此時，激光光譜帶寬達到0.19 nm，寬於150 kHz重複頻率下激光振盪脈衝的0.16 nm帶寬（圖5d）。
事實上，實驗中也將我們特殊CPS替換成普通CPS並通過尾纖熔接的方式接入到腔中。結果發現，儘管腔長等腔結構參數基本一致，但因反向ASE增加導致因ASE產生的增益自飽和效應加重，使得激光器只可產生重複頻率在130 kHz以下的調Q 激光脈衝序列。
圖6 激光器輸出調Q 脈衝脈寬、能量與重複頻率之間的關係
圖6為光纖激光器輸出調Q 脈衝脈寬和能量與重複頻率之間的關係。其中，抽運光功率保持為7 W，而給定不同調制頻率下的佔空比則由1:1減小至恰好能消除脈衝缺失現象、且經單一腔循環就基本實現腔倒空所對應的佔空比。
可見，調Q 激光器的重複頻率在10~150 kHz範圍內可調，輸出平均功率均大於1.3 W，最大單脈衝能量可達130 μJ，最窄脈寬為9.6 ns。不僅如此，儘管隨著調Q 脈衝重複頻率的降低，脈衝帶寬會因光纖非線性導致輕微展寬，但在10~150 kHz範圍內，調Q 脈衝的3 dB帶寬均小於0.18 nm。
總 結
我們提出並演示了一種由AOM主動調Q 環形腔雙包層光纖激光器獲取窄線寬、窄脈寬和高重複頻率激光脈衝的方法。通過在腔內採用以雙包層增益光纖為輸入尾纖的抽運剝離器來縮短腔長，降低增益光纖正向ASE的反射，抑制其ASE的增益自飽和效應，使得腔內有效增益增大，導致窄線寬調Q 脈衝可在環形腔中快速建立，既可使調Q 脈衝脈寬變窄，還允許大幅提升其重複頻率。
在7 W抽運功率下，調Q 光纖激光器獲得了線寬和脈寬分別窄至0.16 nm和10.4 ns、重複頻率高達150 kHz的調Q 激光脈衝。據我們所知，這是迄今為止這類AOM主動調Q 光纖激光器獲得的帶寬和脈寬最窄、重複頻率最高的瓦級功率調Q 激光脈衝。
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