基于增益开关LD的高功率脉冲光纤激光器研究
朱辰;王雄飞;张昆;李尧;张浩彬;张大勇;张利明
【摘要】进行了采用1064nm增益开关LD全光纤高功率光纤放大的实验研究。采用三级级联光纤放大的方式，第一级放大为单包层光纤放大，第二、三级放大为双包层光纤放大。在第三级放大最大泵浦注入功率为45.2W时，获得了25.3W 的脉冲激光输出，脉冲宽度223ps，三级放大的光-光效率为55.9％。若后续进一步增大泵浦功率，则有望实现更高功率输出。%Experimental study on all-fiber high power pulse fiber laser based on 1064 nm gain-switched laser diode isreported.The method of tri-stage cascade amplification is employed in the experimental.The first stage amplification issingle-mode ytterbium-doped fiber,and gain medium of the second and third stage amplification is double-cladding fi-ber.Average power of 25.3W is obtained under a maximum 45.2 W pump power,and the optical-optical efficiency
is55.9%.The pulse width is 223 ps with center wavelength of 1064 nm.No nonlinear effect is observed by spectrome-ter,and the SNR is beyond 30 dB.A higher power laser output can be realized as the pump power is further en-hanced.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2014(000)002
【总页数】4页(P145-148)
【关键词】光纤光学;光纤放大器;皮秒脉冲;增益开关;全光纤
【作者】朱辰;王雄飞;张昆;李尧;张浩彬;张大勇;张利明
【作者单位】固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015;固体激光技术重点实验室，北京100015
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
皮秒激光脉冲在工业加工、光学测量、激光通讯、非线性光学、国防等很多领域都有着非常重要的应用。皮秒激光加工由于在加工工件上不会产生大量的热，对于热冲击或热应力敏感的材料来说加工处理面较为光滑平整，因此常常用于太阳能硅片切割、金属或非金属材料精细加工。此外利用高峰值功率激光的非线性光学效应，可以观察到超连续谱现象，从而获得输出光谱的极大展宽，特别是近红外的皮秒脉冲激光注入高非线性光子晶体光纤，可以获得400～1700 nm连续光谱的输出。
皮秒激光的产生手段主要有锁模激光器（包含光纤、固体、半导体等形式）、短腔调Q固体激光器、增益开关激光器等。其中增益开关技术是一种较为简单的获得
超短激光脉冲技术。该技术通过预先在半导体激光器出光阈值附近设置直流偏置，再叠加一个大振幅电流脉冲的电信号来驱动该激光器，从而使半导体激光器快速达到谐振状态，然后选择输出对应弛豫振荡第一个峰值的谐振光脉冲。通过这种方式可以得到比调制电脉冲的宽度要小的光信号脉冲。该技术的特点主要是使用调制电路就能产生超短激光脉冲。与锁模方式的激光器相比，增益开关激光器的输出特性主要取决于调制电路，因此输出激光的单脉冲能量和重复频率变化范围很大；而且可以通过调制电路电流波形来优化光脉冲的波形和宽度。此外采用该技术的器件机
械稳定性较高，适宜整机系统应用。但缺点是输出光脉冲平均功率很低，要获得高功率输出时需要的放大级数较多，系统相应会较复杂。
由于增益开关技术对于调制电路的技术要求很高，且输出激光功率较低，因此基于1064 nm增益开关激光器作为种子源的主振荡功率放大（MOPA）技术方案获得全光纤高功率光纤激光输出的研究报道还很少。本文基于上述研究方案，以增益开关半导体激光器作为种子源，采用三级光纤放大的方式，利用30μm纤芯大模场
高掺杂双包层光纤作为功率放大级增益介质，最终实现了25.3 W的全光纤输出。
2.1 原理
由于工作在增益开关状态下的半导体激光器输出功率很低，如果要达到精细加工或非线性变换等应用对高平均功率（峰值功率）光源的需要，采用MOPA方式对其进行后续放大是必不可少的。双包层光纤形式MOPA的基本原理是：信号光由耦合器件耦合到双包层光纤的纤芯；泵浦光由耦合器件耦合到双包层光纤的内包层，在波导传输过程中多次经过纤芯并被掺杂离子吸收，形成粒子数反转，在信号光的激发下，实现对信号光的功率放大。
如前所述，由于实验中采用的种子源输出功率要比被动锁模激光器输出功率低很多，信号光容易被增益光纤大部分或完全吸收，在放大过程中无法实现高功率或高倍率放大，能量反而会以自发辐射（ASE）的形式耗散掉，降低输出激光的信噪比，因此设计时的关键点在于对放大器的优化，使之能有效地抑制ASE。此外在高功率
工作条件下，还需要着重考虑光纤传输过程中的非线性效应抑制以及光纤器件、增益介质的热管理，以保证激光器系统的可靠工作。
2.2 实验装置
Yb3＋离子的975 nm吸收波长接近1064 nm发射波长，具有较高的量子效率和较低的废热，容易实现高功率输出，因此考虑采用掺Yb3＋的光纤作为各级放大
器的增益介质。
从应用角度出发，为了提高系统的可靠性，减少光学失调的风险，实验装置采用全光纤化设计，通过掌握低损耗光纤熔接工艺连接各个光纤器件，从而保证了激光器的稳定可靠工作。
本文涉及的实验装置示意图如图1所示。
种子源为光纤耦合输出的增益开关半导体激光器，输出中心波长1064.6 nm，平
均功率0.573 mW，脉冲宽度300 ps，重复频率100 MHz。为了保护LD不被回光损坏，在种子源后面串联了一个隔离器加以保护。
第一级放大的设计输出功率较小，因此采用了单包层掺Yb3＋光纤放大的方式，
由单模输出的975 nm LD泵浦源、975／1060 nm波分复用器（WDM）、2 m
单包层增益光纤和单模隔离器构成。
第二级放大采用了双包层光纤放大的方式。光学器件包含有：一支Oclaro公司生产的975 nm半导体激光二极管作为泵浦源，其额定输出功率25 W，输出光纤105／125，NA为0.22；一支（2＋1）×1的合束器作为耦合器，信号纤为10／130双包层GDF光纤，泵浦单臂最大承受功率50W；3m长的Nufern公司10
／130掺Yb3＋双包层光纤作为增益介质，其对975 nm的泵浦光吸收系数为3.9 dB／m；隔离器的最大承受功率为5W。
第三级放大同样采用了双包层光纤放大的方式，出于抑制非线性效应的考虑采用了较粗纤芯的双包层光纤作为增益、传输介质。泵浦源为两只Oclaro公司975 nm LD，合束器为ITF公司（6＋1）×1产品，信号纤为10／130双包层光纤，输出
光纤为30／250双包层光纤，单臂最大承受功率50W，增益光纤为Nufern公司的掺Yb双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为30μm和250μm，纤芯NA为0.08，内包层NA为0.46，975 nm的泵浦吸收系数为4 dB／m，选取长度3 m。为了防止回光损伤器件，将输出光纤切成斜8°角。
当种子源注入到第一级放大后，通过调节第一级泵浦LD电流，在泵浦电流达到
1000 mA时，获得了第一级放大输出54 mW。激光功率与泵浦功率的关系如图2。由于信号光的输出功率小，为小信号功率提取模式；且使用的增益光纤较长，导致信号光被后续增益光纤吸收，因此光－光提取效率较低。
维持第一级放大泵浦功率700 mW，增加第二级放大泵浦LD的工作电流，当泵
浦LD的工作电流为5A（此时泵浦功率为10.7 W）时，第二级放大的输出功率为4.3 W，光－光提取效率40.2%。激光功率与泵浦功率的关系如图3。
结合对双包层光纤放大器的理论计算和实际经验，考虑到第三级放大器工作的稳定可靠，选择第二级放大级的泵浦工作电流为3.5 A，此时二级放大的输出功率为
2.33W。将该信号光注入至三级放大器的纤芯中，逐步增加两支第三级放大器泵
浦LD的工作电流，最终在泵浦电流为10 A时，获得了25.3 W的激光输出，其
输出功率特性曲线、输出光谱、脉冲宽度如图4所示。通过光谱仪测试输出光谱，未发现有非线性现象，且输出激光的信噪比大30 dB。
由于第三级放大采用了（6＋1）×1的合束器，有六支泵浦单臂，而实验中实际只用了两支泵浦LD；从图4（a）中线性增长的输出曲线可以推断：进一步增大泵浦注入功率，则有望获得更高功率的激光输出。
报道了基于1064 nm增益开关的全光纤高功率脉冲光纤激光器的实验研究，采用三级级联放大的方式，在最大注入泵浦功率45.2 W时，实现了25.3 W的激光输出，光－光转换效率为55.9%，激光器的输出功率与泵浦功率保持线性。结果预示：若后期进一步增大泵浦功率，有望获得更高功率的激光输出。
该实验结果可用于高非线性光纤中的非线性光谱展宽实验研究，也可以用于太阳能硅晶体的切割、金属或非金属材料表面去除等方面的应用。
【相关文献】
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光纤激光器的特点与应用 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。近年来，随着光纤通信系统的极大的应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。光纤激光器在降低阂值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步。它是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。 1.光纤激光器工作原理 光纤激光器主要由三部分组成:由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。光纤激光器的基本结构如图1所示。 掺稀土元素的光纤放大器推动了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时，就会被稀土离子所吸收，这时吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转。反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并且释放出能量，完成受激辐射。从激发态到基态的辐射方式有两种，即自发辐射和受激辐射，其中受激辐射是一种同频率、同相位的辐射，可以形成相干性很好的激光。激光发射是受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这种过程持续发生，必须形成离子数反转，因此要求参与过程的能级应超过两个，同时还要有泵浦源提供能量。光纤激光器实际上也可以称为是一个波长转化器，通过它可以将泵浦波长光转化为所需的激射波长光。例如掺饵光纤激光器将980nm的泵浦光进行泵浦，输出1550nm的激光。激光的输出可以是连续的，也可以是脉冲形式的。 光纤激光器有两种激射状态，三能级和四能级激射。三能级和四能级的激光原理如图2所示，泵浦(短波长高能光子)使电子从基态跃迁到高能态E4或者E3，然后通过非辐射方式跃迁过程跃迁到激光上能级E43或者E3 2，当电子进一步从激光上能级跃迁到下能级E扩或者E3，时，就会出现激光的过程。
半导体激光芯片龙头长光华芯研究报告 一、长光华芯：国内半导体激光芯片龙头 公司成立于2012年，聚焦半导体激光芯片的研发、设计及制造。公司产品覆盖半导体激光芯片、器件、模块及直接半导体激光器四大类，已建成IDM全流程工艺平台和3寸、6寸量产线，是全球半导体激光行业少数具备高功率激光芯片量产能力的企业之一。公司产品应用领域包括工业激光器泵浦、激光先进制造装备、生物医学及美容、高速光通信、机器视觉与传感、国防建设等，下游客户包括锐科激光、创鑫激光、大族激光、杰普特、飞博激光等行业龙头及多家国家级骨干单位。2021H1，公司营业收入1.91亿元，其中高功率单管系列占比75.35%，为公司主营业务收入最主要的组成部分。 公司主要产品包括高功率单管、高功率巴条、高效率VCSEL及光通信芯片四类系列。以高功率半导体激光芯片为依托，向横纵两个方向不断拓展。纵向包括下游器件、模块及直接半导体激光器；横向扩展VCSEL芯片及光通信芯片等半导体芯片。 在产业链方面，公司位于激光行业的上游和中游，产品以半导体激光芯片、器件及模块为主。公司的半导体激光芯片产品位于产业链上游，同时也直接进行中游产品半导体激光器的研发、生产和销售。公司的上游供应商为原材料厂商，包括各类芯片原材料、光纤材料及机加工件等。下游则为工业加工装备、激光雷达、光通信、医疗美容等激光器应用行业。 公司为半导体激光行业的垂直产业链公司，采用IDM经营模式，进行半导体激光芯片及其器件、模块等产品的研发、生产和销售。生产经营过程覆盖芯片设计、外延片制造、晶圆制造、芯片加工及器件封
装测试全流程。在生产方面，公司采用“订单式”生产为主，“库存制”生产为辅的生产方式。主要以客户订单为标准，根据客户订单和 全年预计销售意向进行排产安排；同时根据需求预测进行合理备货， 以满足客户日益提升的差异化需求。 公司产品具备客户资源优势，高功率半导体激光芯片领域的国内市 场占有率第一。在工业激光器、激光加工设备等领域，公司积累了包 括锐科激光、创鑫激光、大族激光、杰普特、飞博激光等行业龙头及 知名企业客户。在高能激光器的应用方面，公司为高功率光纤激光器 和高功率全固态激光器提供泵浦源，已广泛服务于多家国家级骨干单位。受公司下游集中度高且公司产能有限影响，当前公司主要客户收 入较为集中。2021H1，公司前五大客户销售收入占比82.26%，分别为 创鑫激光（26.66%）、客户A2（18.16%）、飞博激光（16.88%）、锐 科激光（14.38%）、华日精密（6.19%）。公司销售模式以直销为主，2018-2021H1直销收入占比均在99%以上。 公司无控股股东和实际控制人，华为哈勃投资入股。华丰投资持股 数量2493万股，持股比例为24.51%，是公司第一大股东。苏州英镭、长光集团和上海国投创投分别持有公司19.76%、8.72%和7.88%的股份。其中华丰投资系财务投资人，不参与公司日常经营管理工作，对股东 大会不形成控制。第二大股东苏州英镭是公司核心管理团队设立的持 股平台。2020年12月，公司引入华为控股的哈勃投资，持有公司 4.98%的股份。 2018-2021公司营业收入从0.92亿增长到4.29亿元， CAGR+67.07%,营业收入快速扩大的原因在于:1）半导体激光芯片整体 市场规模扩大，2）中美贸易摩擦使得国产替代进程加速，3）公司产 品在半导体激光芯片领域具备核心竞争优势，客户份额提升。
光纤激光器的介绍 周菊平2009142105 摘要：作为固体激光器的一员，光纤激光器以其结构简单紧凑、体积小，工作稳定可靠，易于集成等特点，一直被认为是固体激光器技术实用化的最佳选择。高功率光纤激光除在科研、工业加工和医疗保健等领域有着广泛的应用外，在军事国防领域也有着巨大的应用价值。海湾战争等高技术战争的实践表明，光电武器装备对战术武器性能起决定性作用。近十年来，高功率光纤技术已成为激光技术领域的热点研究技术之一。本文介绍了光纤激光器的背景及最新成果，双包层光纤激光器的原理与特点。 关键词：双包层光纤光纤激光器掺杂光纤 早在1961年，美国光学公司（American Optical Corporation）的Snitzer等就提出了光纤激光器的构想，但由于受当时条件的限制，研究进展非常缓慢。进入20世纪80年代中期，Townsend等发明了溶液掺杂技术（Solution doping technique）。此后，Poole等用改进的化学气相沉积法（MCVD）研制成低损耗的掺铒光纤，一些实验室开始从掺铒光纤中得到了波长1.5um、高达30dB的光放大增益，引起了人们的高度重视。到80年代中后期，基于半导体激光器泵浦的掺铒光纤激光器和低损耗的石英单模光纤制造技术，为光纤通信的迅猛发展奠定了强有力的技术基础。正是由于掺铒光纤放大器为光纤通信所带来诱人前景的驱动，引发了80年代中后期稀土掺杂光纤激光器的研究热潮。随后Hanna等纷纷报道掺铒、钕、镱、铥及铒/镱共掺等光纤激光器。但当时采用的稀土掺杂光纤为单包层光纤，泵浦光必须直接耦合到直径仅仅几微米的单模纤芯中，这对泵浦源的激光模式提出了较高的要求，导致泵浦源昂贵且耦合效率低。因此，传统的稀土掺杂光纤激光器只能作为一种低功率的光子器件。1）与传统的半导体激光器不同，光纤激光器以掺杂稀土元素的光纤作为工作介质，采用反馈器件构成谐振腔，在泵浦光的激励下，光纤内掺杂介质产生受激发射，进而形成激光振荡输出激光。但常规的光纤激光器因需要将泵浦光耦合进入直径低于10um的单模纤芯，因而耦合效率低，限制了光纤激光器的输出功率。但是在大多数应用领域需要超过瓦量级的输出功率，再加上光纤制作技术、泵浦光源以及光学技术的限制，光纤激光器的发展一直比较缓慢。 光纤激光是当前的热门话题。ROFIN与TRUMPF分别收购NUFERN与SPI公司发展光纤激光已三年，今春上海慕尼黑激光展上，ROFIN展出了2KW光纤激光器，但全球高功率光纤激光器市场依然是IPG一统天下。继上年SALV AGNINI与LASER PHOTONICS等公司展出用其的光纤激光器之切割机后，2010年11月在亚特兰大的FABTECH 与汉诺威的EUROBLECH 展会上又推出愈来愈多的光纤激光切割机。欣喜的是一批海归博士矢志回国创业，创建了武汉锐科光纤激光、西安炬光等公司，研发生产高功率光纤激光器与二极管激光泵源，相信有自主知识产权的4KW连续波光纤激光器不久将会呈现在国人面前。2）较之传统光纤激光器，双包层光纤激光器采用具有双包层结构的掺杂光纤作为工作介质。泵浦光在多模内包层中传输，内包层具有大的数值孔径和横向尺寸，就使得采用多模LD阵列作为泵浦源成为可能。随着泵浦光在光纤中传输，纤芯中的掺杂介质吸收能量产生粒子数反转并产生受激跃迁，在光反馈的作用下产生激光振荡。 双包层光纤激光器以其高输出功率、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等显著优势，越来越受到人们的青睐。 双包层光纤是一种特殊结构的光纤，是双包层光纤激光器的核心，其结构如图1所示。
大功率半导体激光器光纤耦合技术调研报告 1．前言 近年来，高功率光纤激光器因其优良的性能日益受到人们的重视和青睐，被广泛地应用于工业加工、空间光通信、医疗和军事等各个方面，其迅速发展在很大程度上得益于大功率高亮度半导体激光器技术的进步，大功率半导体激光光纤耦合技术一直是高功率光纤激光器技术的一项关键核心技术。相反地，半导体激光器泵浦的高功率光纤激光器（DPFL）的发展也带动了大功率半导体激光器技术，尤其是大功率半导体激光光纤耦合技术的进步。 由于单管半导体激光器（LD）的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足高功率光纤激光器泵浦源的要求，要获得更大输出功率须采用具有多个发光单元的激光二极管阵列（LD Array）。按照结构形式的不同，激光二极管阵列分为线阵列（LD Bar）和面阵列（LD Stack），分别如图1(a)和(b)所示，其中LD Bar的输出功率一般在数十瓦至百瓦量级，而LD Stack的输出功率一般在数百瓦乃至上千瓦。无论是单管LD还是LD Array，由其固有结构特点决定了半导体激光器具有光束发散角较大，输出光束光斑不对称，亮度不高等问题，给作为高功率光纤激光器泵浦源的实际应用带来很大困难和不便。一个较好的解决方法是将半导体激光耦合进光纤输出，这样既可以利用光纤的柔性传输，增加使用的灵活性，又可以从根本上改善半导体激光器的输出光束质量。 Fig.1 （a）LD Bar 和（b）LD Stack 大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术作为一项高新技术，具有很高的技术含量，涉及半导体材料、纤维光学技术、微光学技术、微精细加工技术和耦合封装技术等关键单元技术。目前为止，大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术主要采用两条技术路线：光纤束耦合法和微光学系统耦合法。下面将主要以LD Bar 光纤耦合技术为例，就该两种方法进行详细阐述。 2．大功率半导体激光器阵列光纤耦合技术 2．1光纤束耦合法 光纤束耦合法（又称光纤阵列耦合法）是早期使用的一种光纤耦合技术，具有结构简单明了、耦合效率高、各发光元的间隙不影响整体光束质量和成本低等优点。该方法通过微光学系统将LD Bar各个发光单元发出的光束在快轴方向进行准直和压缩后，与相同数目的光纤阵列一一对应耦合，然后通过光纤合束在
光纤激光器及技术进展 伍浩成 中国电子科技集团公司第三十四研究所 摘要：光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件，它是激光技术的前沿课题。本文讨论了光纤激光器的特性及基本原理，概述了光纤激光器的新近进展。 一、引言 光纤激光器是在EDFA技术基础上发展起来的技术。早在1961年，美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作，但由于相关条件的限制，其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的S.B.Poole等用MCVD 法制成了低损耗的掺铒光纤，从而为光纤激光器带来了新的前景。 近期，随着光纤通信系统的广泛应用和发展，超快速光电子学、非线性光学、光传感等各种领域应用的研究已得到日益重视。其中，以光纤作基质的光纤激光器，在降低阈值、振荡波长范围、波长可调谐性能等方面，已明显取得进步，是目前光通信领域的新兴技术，它可以用于现有的通信系统，使之支持更高的传输速度，是未来高码率密集波分复用系统和未来相干光通信的基础。目前光纤激光器技术是研究的热点技术之一。本文就近年来国外几种新型的光纤激光器技术加以阐述。 二、光纤激光器原理 利用掺杂稀土元素的光纤研制成的光纤放大器给光波技术领域带来了革命性的变化。由于任何光放大器都可通过恰当的反馈机制形成激光器，因此光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发。目前开发研制的光纤激光器主要采用掺稀土元素的光纤作为增益介质。由于光纤激光器中光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”。因此，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡。另外由于光纤基质具有很宽的荧光谱，因此，光纤激光器一般都可做成可调谐的，非常适合于WDM系统应用。 和半导体激光器相比，光纤激光器的优越性主要体现在：光纤激光器是波导式结构，可容强泵浦，具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特性，易于实现和光纤的耦合。 我们可以从不同的角度对光纤激光器进行分类，如根据光纤激光器的谐振腔采用的结构可以将其分为Fabry-Perot腔和环行腔两大类。也可根据输出波长数目将其分为单波长和多波长等。对于不同类型光纤激光器的特性主要应考虑以下几点：（1）阈值应越低越好；（2）输出功率与抽运光功率的线性要好；（3）输出偏振态；（4）模式结构；（5）能量转换效率；（6）激光器工作波长等。 三、包层泵浦光纤激光器技术 双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器首选途径。图1(a)示出一种双包层光纤的截面结构。不难看出，包层泵浦的技术基础是利用具有两个同心纤芯的特种掺杂光纤。一个纤芯和传统的单模光纤纤芯相似，专用于传输信号光，并实现对信号光的单模放大。而大的纤芯则用于传输不同模式的多模泵浦光(如图1(b)所示)。这样，使用多个多模激光二极管同时耦合至包层光纤上，当泵浦光每次横穿过单模光纤纤芯时，就会将纤芯中稀土元素的原子泵浦到上能级，然后通过跃迁产生自发辐射光，通过
基于增益光纤长度优化的双波长运转掺铒光纤锁模激光器石俊凯;纪荣祎;黎尧;刘娅;周维虎 【摘要】Recently, multi-wavelength pulsed lasers have become a research hotspot due to their versatile applications, such as precision spectroscopy, microwave/terahertz photonics, optical signal processing, and wavelength division multiplexed optical fiber communication systems. As a promising candidate, passively mode-locked fiber laser has the advantages of ultrashort pulse, ultrahigh peak power, compact structure and low-cost. In the existing multi-wavelength passively mode-locked fiber lasers, multi-wavelength mode-locked operation is achieved by adjusting the intracavity modulators to a proper state after laser has worked. It is inconvenient for practical use, so, its application scope is restricted. In this paper, a new method to achieve dual-wavelength mode-locked operation in an erbium-doped fiber laser is proposed. For an erbium-doped fiber, the peaks of both absorption and emission spectra overlap in the 1530 nm-region. So the emission light in the 1530 nm-region will be re-absorbed by the erbium-doped fiber with low pump power or long gain fiber. Utilizing the emission re-absorption effect, the gain spectrum can be modified by different lengths of gain fiber. In the experiment, an all-fiber ring cavity is adopted and a transmission-type semiconductor saturable absorber is used as a modelocker. The cavity consists of ～3.2-m-long single mode fiber and an erbium-doped fiber. Gain fibers with different lengths are used in the cavity to reveal the dependence of emission re-absorption on
电光调Q双脉冲输出Nd:YAG全固态激光器 李峰王君涛殷苏勇朱小磊* （中国科学院上海光学精密机械研究所， 上海市全固态激光与应用重点实验室,上海 201800） 摘要：文章设计了LD双端面抽运传导冷却复合Nd:YAG晶体电光调Q激光器，实现脉冲间隔可调的双Q脉冲输出。用两个光纤耦合输出的LD模块作为抽运源，BBO晶体作为Q开关，在一个泵浦周期内两次启动Q开关，获得脉冲能量大于14 mJ/脉冲，脉宽≤18 ns，脉冲间隔200 μs-230 μs可调的双Q脉冲输出，激光器重复频率50Hz，光-光转换效率达到24%。探索了用KD*P调Q晶体开关实现稳定双脉冲输出的可行性，通过抑制压电环效应，消除子脉冲现象，最终获得脉冲能量约11mJ/脉冲，脉宽约≤18ns。 关键字激光技术；Nd:YAG激光器；双脉冲激光； KD*P调Q；BBO调Q 中图分类号：TN248.1 文献标识码 A Electro-optical Q-switched Double-pulse Laser output Nd:YAG All Solid-State Laser Li Feng Wang Juntao Yin Suyong Zhu Xiaolei* Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences, Shanghai Key Laboratory of All Solid-State Laser and Applied Techniques, Shanghai 201800, China Abstract A LD dual-end pumped, conductively cooled, electro-optical Q-switched composite Nd:YAG laser is designed. Double-pulse laser output with adjustable pulse interval is achieved. By using two fiber-coupled LD modules as the pumping source, BBO crystal as the Q-switch, we acquire double-pulse laser output by opening the Q-switch twice in a pumping cycle time, and the laser is capable of producing two Q-switched 1064nm laser with the single pulse energy more than 14 mJ and pulse width less than 18 ns, the interval between the two pulses is adjustable from 200μs to 230μs at the repetition of 50 Hz, the optical-to-optical efficiency reaches 24%. Furthermore, we explore the feasibility of stable double-pulse laser output by using the Q-switched crystal KD*P, by suppressing the piezoelectric ring effect of KD*P, we
光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源，耦合器，掺稀土元素光纤，谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成，其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，低阈值， 光纤激光器原理图1: 峰值功率：脉冲激光器，顾名思义，它输出的激光是一个一个脉
冲，每单个脉冲有一个持续时间，比如说10 ns(纳秒)，一般称作单个脉冲宽度，或单个脉冲持续时间，我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲，比如，1 秒钟发出10 个脉冲，或者有的就发出一个脉冲。这时，我们就说脉冲重复(频)率前者为10，后者为1，那么，1 秒钟发出10 个脉冲，它的脉冲重复周期为0.1 秒，而1 秒钟发出1 个脉冲，那么，它的脉冲重复周期为 1 秒，我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E，那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率，这是在一个周期内的平均值。例如， E = 50 mJ(毫焦)，T = 0.1 秒，那么，平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t，即有激光输出的这段时间内的功率，一般称作峰值功率(peak power)，例如，在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦)，由于脉冲宽度t 很小，它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=？秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类： 激光按波段分，可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐，目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外
MOPA结构脉冲光纤激光器输出特性的实验研究 陈圳;任海兰 【摘要】A two-stage optical amplification system is constructed by using double-clad Yb-doped fiber as the gain medium and multi-mode continuous pumped laser diode as the pump source.The circuit-direct modulated semiconductor laser is used as seed source to develop Master-Oscillator Power-Amplified (MOPA)fiberized pulsed fiber lasers.The output power character-istics of the fiber laser and gain characteristics of the secondary amplifier under different pulse width and repetition frequency are studied experimentally.A pulsed laser output with central wavelength of 1.06μm,peak power of 10.4 kW and maximum average power of 21 .3 W is obtained by adj usting the seed source under the condition that the primary pumped power is 2 W and secondary pumped power is 31 W.The maximum gain can reach 16.7 dB at 900 kHz repetition frequency.The experimen-tal results show that the pulse width and repetition frequency are positively correlated with the laser output power.At high rep-etition frequency,the gain characteristics of optical amplifier are positively correlated with the pulse width.%采用双包层掺镱光纤作为增益介质,多模连续泵浦激光二极管作为泵浦源,构造了两级光放大系统;采用电路直接调制的半导体激光器作为种子源,研制了主振荡功率放大结构全光纤化脉冲光纤激光器.对不同脉冲宽度、重复频率下的激光器输出功率特性和二级放大器的增益特性进行了实验研究.在一级泵浦光功率为2 W、二级泵浦光功率为31 W的条件下,通过对种子源直接调制,得到了中心波长为1.06μm、峰值功率为10.4 kW、最大平均功率为21.3 W
MOPA技术放大 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－MOPA放大技术 引言 1917年，Einstein在《关于辐射的量子理论》一文中首次提出了受激辐射的概念，他认为:在物质与辐射场相互作用中，构成物质的分子或原子可以在光子激励下产生新光子，这就为激光(受激辐射光放大)概念的提出打下了最初的理论基础。但是，激光器的研究真正开始于1958年科学家Schawlow和Townes 提出的利用尺度远大于波长的开放式光学谐振腔实现激光器的思想和Bloembergen提出的利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反转的思想。之后，全球的研究小组开始了一场研制世界上第一台激光器的激烈竞赛。很快，在1960年，世界上第一台激光器诞生于美国California州休斯实验室，Maiman等科学家成功进行了红宝石全固态激光器的实验演示，从此开启了激光器研究的大门。 光纤激光器的研究起源于1961年，当时Snitzer在纤芯为300的掺钕玻璃波导中发现了激光辐射现象。随后，Snitzer等人又发表了有关共掺杂光纤中光放大的论文，分别提出了光纤激光器和光纤放大器的构想。 1966年，高馄和Hockham首次讨论了研制低损耗光纤的可能性，为现代光纤通信奠定了基础，也为通信波段光纤激光光源的研究提出了迫切的要求。 大约到了1975年左右，随着低损耗光纤的研制成功和作为光纤激光器泵浦源的半导体激光器的不断实用化，光纤激光器和光纤通信的研究开始进入了快速发展时期。 1985年，英国Southampton大学的Poole等人利用化学气相沉积法制作出了第一根低损耗的单模掺铒光纤(Erbium-doped Fiber, EDF)并制作了掺铒光纤激光器，标志着稀土离子掺杂技术走向成熟，也为各种掺杂增益光纤的制作奠定了基础。 1987年，英国Southampton大学的Mears等人和美国Bell实验室的Desurvire等人先后对掺铒光纤放大器进行了研究并验证了其可行性，实现了光纤通信线路中的光放大，极大推动了光纤通信向更长中继传输距离发展。 随后的二十多年里，光纤激光技术得到了迅速的发展，已不仅仅只是用于光纤通信。随着不同掺杂稀土离子光纤激光器被提出，如:掺铒、钕、镱、铥、铒/镱共掺、铥/钬共掺等等，其应用范围已经拓展到传感、医疗、工业加工以及军事国防等领域，尤其是高功率光纤激光器的提出，可谓是光纤激光器史上的一次技术革命。 1988年，美国Massachusetts州Polaroid公司首次提出了双包层光纤设计思想，泵浦光进入包层中传输，但是圆形内包层吸收效率很低。 1994年，Pask等人首次实现了包层泵浦，并制作了包层泵浦掺镜光纤激光器，获得500mW 功率输出，中心波长为1040nm，使得在光纤中实现高功率激射成为可能。
光纤中超连续谱产生的研究进展与展望 摘要：人们对超连续谱的研究经历了单模光纤到锥形光纤一直到现在的光子晶 体光纤这样一个逐步发展的过程，对于光纤中的超连续谱的研究仍然在继续，本 文是一个关于光纤中超连续在近年来研究工作进展的综述。 1、介绍 超连续谱是在单色高强度超短脉冲通过光学非线性介质时产生的。它具有连 续光谱,而每个波长分量保持着超短脉冲性质。是指强短脉冲通过非线性介质时, 由于自相位调制,交叉相位调制,受激拉曼散射和四波混频等非线性效应与光纤的 群速度色散的共同作用而使脉冲频谱展宽的一种现象[1]。产生SC谱的介质要求 具有高的非线性系数和适当的色散条件，可用于产生SC谱的非线性介质很多诸 如卷色散位移光纤(DSF)、色散渐减光纤(DDF)、色散平坦光纤(DFF)、色散平坦渐 减光纤(DFDF)、高非线性光纤(HNLF)、非线性光纤(NLF)、光子晶体光纤(PCF)、锥 形光纤(Taper fiber)等等[2]。 2、国内外研究现状 2.1国外研究进展 国外对于超连续谱在光纤中的产生做了许多的理论研究，获得了许多非凡的 成果，这些成果促进了超连续谱的研究得到快速的发展。其中，由美国的洛切斯 特大学的G. P. Agrawal教授编写的《非线性光纤光学原理及应用》已经成为非线 性光学领域的著作，为后人的研究打下了坚实的理论基础 光子晶体技术的研发标志了光纤通信领域向前迈进了一大步。通过调整光子 晶体光纤内部缺陷的直径和相互距离就可以随意的调控光纤的色散和非线性特性。通过使用光子晶体光纤，便可以产出频谱更宽，平坦度更好的超连续谱。 通过整理最近几年的文献发现,近年来，国外对用于产生超连续谱的非线性光 纤介质和超连续谱功率方面的研究较多。2015年Than Singh Saini等人对中红外超连续谱进行了分析、设计和数值模拟。使用新设计的三角型梯度折射率的光子晶 体光纤（PCF）和峰值功率为3.5千瓦周期为50 fs激光脉冲，产生了宽带谱的超 连续谱，并首次被报道[3]。Minkovich等人制作了两种特殊的非线性空气氧化硅 微结构光纤来产生超连续谱（SC）。一个纤维在包层中有一个不规则的孔结构， 另一个有规则的结构。在这两种纤维中，通过飞秒脉冲泵浦光纤产生SC。通过模 式色散分析确定了SC的光谱特征和最佳泵浦条件。研究发现，在泵浦范围宽的 光纤中可以产生不规则包层光纤中的SC。 2.2国内研究进展 近年来国内对于光纤中超连续谱产生的研究层出不重得到了快速发展。通过 查阅近几年的文献发现，一些研究部门以及高校开始把注意力集中在非线性介质，超连续谱展宽上，在理论分析和实验这两个方面获得了不小的收获。发现国内比 较突出的研究主要是关于 2.2.1用各种非线性介质产生超连续谱的研究： 朱磊等在《光学学报》上提出了采用高掺锗石英光纤产生中红外超连续谱， 采用波长为2μm、脉冲宽度为50 ns的激光器作为光源,纤芯掺锗浓度为75%的石 英光纤为非线性介质,进行了中红外超连续谱产生的研究。最终获得了较平坦的超 连续谱输出,而且其长波限接近目前报道的基于同类光纤的超连续谱的最大长波限。徐永钊等人基于非线性薛定谔方程,数值研究了色散平坦渐减光纤中非线性啁啾脉
全光纤调Q激光器腔内脉宽压缩技术 曹康;秦文斌;葛廷武;吴迪;贾冠男;闫岸如;曹银花;王智勇 【摘要】In order to compress the pulse width of MOPA all-fiber Q-switched lasers, the basic pa-rameters of the resonator were studied. Firstly, the expression of the pulse width was deduced ac-cording to the rate equation theory, and the relationship between the expression parameters and the pulse width was established by numerical solution. Then, the effects of gain fiber length, cavity out-put transmittance and Q-switch performance on the output pulse width of all-fiber Q-switched source were analyzed and the results were verified experimentally. Finally, an all-fiber Q-switched laser was constructed by optimizing the parameters. At the repetition frequency of 20 kHz, the seed laser output with pulse width of 54 ns and average power of 0. 86 W was obtained. At the repetition fre-quency of 100 kHz, the seed light with the pulse width of 142 ns and the average power of 1. 66 W was used to prevent large and main power amplification, and finally the stable pulse laser output with average power of 120 W, pulse width of 180 ns and spectral width of 0. 67 nm was obtained. The Q-switched fiber lasers can be constructed by optimizing the AOM performance and reducing the length of the gain fiber to optimize the pulse width of the resonator.%为了压缩MOPA全光纤调Q激光器脉冲宽度,对谐振腔基本参数进行了研究.首先,根据速率方程理论推导出脉冲宽度的表达式,通过数值解建立表达式参数与脉冲宽度的关系.然后,分析增益光纤长度、腔镜输出透过率、Q开关性能等谐振腔基本参数对全光纤调Q种子源
调Q光纤激光器和普通的训Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期 性改变腔损耗，实现调Q激光脉冲输出。Q开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一。 调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。全 光纤化也是调Q光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发岀一些全光纤的Q开光来代 替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。 在研究开发全光纤器件的同时，人们发现可以利用光纤中的歧卄•线性效应任光纤激光器中实现自调Q・这种自调Q允纤激光器是全光纤型，结构简单无需任何主动调Q發置，因此己成为当前的-•个研究热点。国内南幵人学报遵了注摟Yb"双包层光纤器中得到了脉宽4.8ns的自调Q脉冲输出I叫利用光纤中的瑚利敢射和受激布-里渊敢射的共同作叩，在基于光纤T涉环的掺Yb”全光纤自词Q激光器中获得了脉宽3&s・臣复频率IkHz,蜂值功率 56.7kW的脉冲输出I吗. 用于光纤激光器的调Q技术大致叮以分为光纤型调;和非光纤型调Q两类。非光纤型调Q有光调Q、电光调Q、机械转镜调Q和可饱和吸收体调Q等。 非光纤型iMJQ： 1.声光调Q激光器： 图L3是一个典型的声光调Q光纤激光器。声光Q开关置于激光器谐振腔中，当声波在介质中传播时.该介质会产生与声波信号相应的、RI时间和空网周期变化的弹性形变，从而导致介质折射卑周期性变化，形成“相位光栅”，激光在超声场作用F发生衍射，由于一级衍对光備离谐抿腔而导致搦耗增加，从而使激光扳荡难以形成，激光高能级人蚩积累粒子•若这时灾然撤除超声场，则衍射效应即可消失，谐振脱损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。 图1.3 Afl的声光调Q 光纤激光春结构- ► Output Yb-I>C fiber Coupler
光纤激光器简介 二、光纤激光器的结构和类型 1.光纤激光器的结构 要产生激光，必须具备工作介质、泵浦源和谐振腔这三个基本条件。光纤激光器一般是采用掺杂光纤作为工作介质，以光纤光栅、光纤环形镜或光纤端 面等作为反射镜来构成反馈腔。光纤激光器普遍采用光泵浦，泵浦被耦合进光纤，由于光纤纤芯很细，在泵浦光的作用下光纤内容易形成高功率密度，造成 激光工作介质的能级上“粒子数反转”，再加上合适的反馈装置构成谐振腔，就能够产生激光振荡。 1.1 泵浦方式 (1小功率LD端面泵浦.。采用一定的耦合系统将泵浦光会聚到较小的激光介质表面,可以实现激光器表面处的高泵浦功率密度,实现对激光介质的高效泵浦.这种小功率激光器的单模纤芯直径只有9um，它只能采用端面泵浦，无法承受太高的功率密度。同时单模纤芯对LD的模式提出了严格的要求，只有单模光才可以耦合进纤芯进行有效泵浦，但是大功率单模LD至今无法实现，该种结构一直局限于光通信领域。 (2高功率泵浦.其中一个典型的结构及时采用杈纤进行侧面泵浦,其结构如图 1.2 谐振腔结构 (1线形腔
a. DBR光线激光器. DBR光纤激光器使用两个较高反射率的光纤光栅作为反射镜，将其置于掺杂光纤的两端，构成线形激光谐振腔来增强模式选择。 b.DFB光纤激光器. 是利用直接在稀土掺杂光纤写入的光栅来构成谐振腔的。 (2环形腔 光纤环形谐振腔的结构如图. . 1.3增益介质 现在大部分的光线激光器都采用掺杂光纤作为增益介质。目前,比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Yb3+。掺铒光纤在1.55um波长具有很高的增益，对应低损耗第三通信窗口，由于其潜在的应用价值，掺铒光纤激光器发展十分迅速。掺镱光纤激光器是1.0-1.2um波长的通用源，Yb3+具有相当宽的吸收带（800-1064nm）以及相当宽的激发带（970-1200nm），故泵浦源的选择非常广泛且泵浦源和激光都没有受激态吸收。 2.光纤激光器的类型 2.1 按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：
大功率LD的线性驱动电路 摘要: 介绍了一种大功率LD的线性驱动电路，该恒流源电路采用功率MOSFET作电流控制元件,运用负反馈原理稳定输出电流，正向电流0-10A连续可调，纹波峰值10mV，输出电流的短期稳定度达到1 ×10 - 5，具有限流保护，防浪涌冲击，缓启动的功能。实际应用在一掺Yb光纤激光器的泵浦中，结果表明该驱动电路工作安全可靠。 Abstract:This paper introduces a power driving circuit for LD. It adopts power mosfet as adjust device and current negative feedback to ensure costant current driving with a adjustable forward current 0-10A range and ripple of less than 10mV. This circuit also owns functions of maximum current limitation and slow start.it get application as pump source for a Yb doped optic fiber laser and experimental result prove its operation is reliable and safe. 关键词: LD; 驱动电路; 功率MOSFET 1.引言： 半导体LD激光器具有高单色性、高相干性、高方向性和准直性的特点,还具有尺寸小、重量轻、低电压驱动、直接调制等优良特性,广泛地应用于国防、科研、医疗、光通信等领域[1]。LD是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,微小的电流将导致光功率输出变化和器件参数(如激射波长,噪声性能,模式跳动)的变化,驱动电路的目的是为LD提供一个干净的稳恒电流，线性恒流源方式电路结构简单，元器件少，无高频开关噪音干扰，缺点在于mosfet工作于线性区，热损耗较大，实际使用时须选择合适的mosfet以减小热损耗。 2.驱动电路的组成 LD驱动电路的目的是为LD提供一个纹波小，毛刺少的稳恒电流，LD是依靠载流子直接注入而工作的，注入电流的稳定性对激光器的输出有着直接、明显的影响。工作温度的变化同样影响LD的输出波长、阈值电流和输出光功率等参数。浪涌冲击、静电击穿、正向电流破坏等因素都容易损坏激光器。为此，须考虑LD的工作安全性。 LD的驱动本质上是一个带保护功能的串联式恒流源电路，包括三个部分：基准电压，误差放大器（EA），LD大电流回路，结构框图如图1所示