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，并可以產生高重復頻率（千赫茲量級）、窄脈寬（納秒量級）脈沖，因此其作為光發射源在激光雷達、測距與成像方面具有廣闊的應用前景。目前獲得納秒脈沖的主要方法有調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復頻率、脈沖寬度等參數，并進行功率放大，是脈沖光纖激光器研究的熱點。2013年，Teodoro 等加載相位調制展寬單頻脈沖種子，由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW，1.55ns脈沖輸出；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，系統復雜，體積較大。2011年，周翠蕓等采用脈沖調制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，脈沖寬度6.53ns脈沖輸出。但是其采用寬光譜種子，放大后光譜展寬較嚴重，超過了激光雷達探測系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沖能量降低，背景噪聲干擾加大。
為了滿足相干探測系統對光源的要求， 本文研究了窄線寬脈沖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。該激光器系統采用直接脈沖調制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 的脈沖激光輸出。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，且為全光纖化系統，結構簡單，便于小型化，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。電調制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，輸出調制脈沖寬度為3.92ns。種子光經過隔離器后進入由環形器、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）只對信號光高反，殘余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后向傳輸的光，保護種子源，預放大級抽運源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分復用器（WDM）耦合到單模摻鐿光纖中。信號光反射二次放大后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，并在熔點處涂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，之后加入2×2的 1：9 耦合器以監測前、后向激光。預放光柵與主放激光輸出端面都切斜 8°角，避免端面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、重復頻率連續可調的信號光輸出。 重復頻率為10kHz時，調制DFB輸出光脈沖寬度3.92ns，平均功率為4.4μW。由于種子光功率較低，在放大過程中比較容易出現ASE，從而降低系統信噪比，影響放大器放大效率。實驗中為抑制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放大后被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，種子光經過隔離器后與抽運光通過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于直通結構，大大增強了單模光纖對小信號的放大能力，并有效地抑制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后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，并未觀察到飽和現象。
濾除包層抽運光后測量最高功率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，計算得光譜范圍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系統可以充分接收信號光，并提高抗背景噪聲能力。實驗中，通過控制實驗參數并未觀察到受激布里淵散射（SBS）與受激拉曼散射（SRS）等非線性現象。然而受限于測量所用光譜儀（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨極限值附近的光譜線寬測量并不準確，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時的激光脈沖序列與波形如圖5所示，插圖中藍色為種子脈沖波形，紅色為放大后脈沖波形。由圖5可知，放大后輸出激光脈沖穩定，波形與種子脈沖形狀相比基本保持不變，但是脈沖后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，脈沖前沿先于脈沖后沿到達增益光纖，提前消耗部分反轉粒子導致脈沖后沿增益略微減小，最終導致了脈沖寬度的壓縮。脈沖寬度由初始的 3.92ns經放大光纖壓窄為3.06ns，對應的脈沖峰值功率達到15kW，由于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沖光纖激光放大系統中，SBS 是閾值最低首先出現的非線性效應，其產生的后向傳輸脈沖會被放大甚至由于峰值功率過高而破壞前級器件。針對SBS 抑制，研究人員提出了縮短光纖有效長度、使用大模場面積光纖、相位調制、加溫度/應力梯度、聲場剪切等方案。本實驗中，由于激光線寬窄（放大后為 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系統簡便性，所以采用優化光纖長度的方案來抑制 SBS 產生，最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈沖激光輸出，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 調節重復頻率
進一步改變種子光脈沖重復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。由于單個DFB種子光脈沖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，只改變重復頻率，種子脈沖波形、幅值、脈沖寬度與輸出光譜并無改變，種子光輸出平均功率隨重復頻率線性上升。保持主放級抽運功率 3.7W不變，輸出激光功率與單脈沖能量變化情況如圖8所示。隨著重復頻率增加，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，并不能成倍隨重復頻率增加，因此單脈沖能量會減弱。此時輸出脈沖寬度與重復頻率關系如圖9所示。重復頻率減小，脈沖寬度壓窄，且隨著重復頻率降低，脈沖寬度壓縮程度越嚴重。這種脈沖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。瞬態增益導致脈沖峰值向前沿轉移，在相同抽運功率下，低頻脈沖消耗更多的反轉粒子數會加大脈沖前后沿之間增益差別，從而進一步窄化脈沖。
報道了吉赫茲量級窄線寬、高峰值功率的納秒全光纖MOPA結構脈沖光纖激光器。實驗中利用脈沖調制的單頻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制SBS，獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈沖寬度3.06ns脈沖激光輸出，重復頻率10~50kHz連續可調。整個系統采用全光纖結構、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，適用作相干探測系統的光源。（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 周翠蕓 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，并可以產生高重復頻率（千赫茲量級）、窄脈寬（納秒量級）脈沖，因此其作為光發射源在激光雷達、測距與成像方面具有廣闊的應用前景。目前獲得納秒脈沖的主要方法有調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復頻率、脈沖寬度等參數，并進行功率放大，是脈沖光纖激光器研究的熱點。2013年，Teodoro 等加載相位調制展寬單頻脈沖種子，由棒狀光子晶體光纖放大獲得峰值功率1.5MW，1.55ns脈沖輸出；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，系統復雜，體積較大。2011年，周翠蕓等采用脈沖調制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，脈沖寬度6.53ns脈沖輸出。但是其采用寬光譜種子，放大后光譜展寬較嚴重，超過了激光雷達探測系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沖能量降低，背景噪聲干擾加大。
為了滿足相干探測系統對光源的要求， 本文研究了窄線寬脈沖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。該激光器系統采用直接脈沖調制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 的脈沖激光輸出。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，且為全光纖化系統，結構簡單，便于小型化，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。電調制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，輸出調制脈沖寬度為3.92ns。種子光經過隔離器后進入由環形器、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）只對信號光高反，殘余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后向傳輸的光，保護種子源，預放大級抽運源為976nm單模激光二極管（LD），通過波分復用器（WDM）耦合到單模摻鐿光纖中。信號光反射二次放大后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，并在熔點處涂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，之后加入2×2的 1：9 耦合器以監測前、后向激光。預放光柵與主放激光輸出端面都切斜 8°角，避免端面的菲涅耳反射產生激光寄生振蕩。
圖1 脈沖激光MOPA放大系統結構圖
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、重復頻率連續可調的信號光輸出。 重復頻率為10kHz時，調制DFB輸出光脈沖寬度3.92ns，平均功率為4.4μW。由于種子光功率較低，在放大過程中比較容易出現ASE，從而降低系統信噪比，影響放大器放大效率。實驗中為抑制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放大后被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，種子光經過隔離器后與抽運光通過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于直通結構，大大增強了單模光纖對小信號的放大能力，并有效地抑制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系
3.2 重復頻率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后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，并未觀察到飽和現象。
圖 3 激光輸出平均功率隨抽運功率變化
濾除包層抽運光后測量最高功率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，計算得光譜范圍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系統可以充分接收信號光，并提高抗背景噪聲能力。實驗中，通過控制實驗參數并未觀察到受激布里淵散射（SBS）與受激拉曼散射（SRS）等非線性現象。然而受限于測量所用光譜儀（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨極限值附近的光譜線寬測量并不準確，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時的激光脈沖序列與波形如圖5所示，插圖中藍色為種子脈沖波形，紅色為放大后脈沖波形。由圖5可知，放大后輸出激光脈沖穩定，波形與種子脈沖形狀相比基本保持不變，但是脈沖后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，脈沖前沿先于脈沖后沿到達增益光纖，提前消耗部分反轉粒子導致脈沖后沿增益略微減小，最終導致了脈沖寬度的壓縮。脈沖寬度由初始的 3.92ns經放大光纖壓窄為3.06ns，對應的脈沖峰值功率達到15kW，由于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輸出激光脈沖序列與波形
圖 6 460mW輸出激光M2因子
實驗中，單頻DFB調制脈沖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腔自由光譜范圍為4GHz，并且定義激光線寬為峰值強度一半處所對應光譜范圍，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沖光纖激光放大系統中，SBS 是閾值最低首先出現的非線性效應，其產生的后向傳輸脈沖會被放大甚至由于峰值功率過高而破壞前級器件。針對SBS 抑制，研究人員提出了縮短光纖有效長度、使用大模場面積光纖、相位調制、加溫度/應力梯度、聲場剪切等方案。本實驗中，由于激光線寬窄（放大后為 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系統簡便性，所以采用優化光纖長度的方案來抑制 SBS 產生，最終獲得了窄線寬、高峰值功率 15kW 脈沖激光輸出，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 調節重復頻率
進一步改變種子光脈沖重復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。由于單個DFB種子光脈沖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，只改變重復頻率，種子脈沖波形、幅值、脈沖寬度與輸出光譜并無改變，種子光輸出平均功率隨重復頻率線性上升。保持主放級抽運功率 3.7W不變，輸出激光功率與單脈沖能量變化情況如圖8所示。隨著重復頻率增加，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，并不能成倍隨重復頻率增加，因此單脈沖能量會減弱。此時輸出脈沖寬度與重復頻率關系如圖9所示。重復頻率減小，脈沖寬度壓窄，且隨著重復頻率降低，脈沖寬度壓縮程度越嚴重。這種脈沖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。瞬態增益導致脈沖峰值向前沿轉移，在相同抽運功率下，低頻脈沖消耗更多的反轉粒子數會加大脈沖前后沿之間增益差別，從而進一步窄化脈沖。
圖 8 不同重復頻率下輸出脈沖能量與平均功率
圖 9 輸出脈沖寬度與重復頻率關系
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結構脈沖光纖激光器。實驗中利用脈沖調制的單頻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制SBS，獲得光譜線寬1.5GHz、峰值功率15kW、脈沖寬度3.06ns脈沖激光輸出，重復頻率10~50kHz連續可調。整個系統采用全光纖結構、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，適用作相干探測系統的光源。（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 周翠蕓 劉源 楊燕 周軍）
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