五、全光纤声光调Q光纤激光器试验研究
摘要：报道了一台100W全光纤结构主振荡功率放大（MOPA）型掺镱脉冲光纤激光器，以光纤光栅为腔镜，光纤型声光调Q的光纤激光器为种子源，通过两级掺镱双包层光纤放大器实现功率放大。对声光调Q的光纤激光器输出特性进行了研究，比较了不同泵浦波长、不同重复频率对激光输出功率和脉冲宽度的影响，并实现了最短脉冲宽度25ns、单脉冲能量45μJ“的脉冲激光输出。在重复频率50kHz时，对脉冲宽度130ns、平均功率0.6W的种子光进行放大，得到了平均功率102.5、脉冲宽度约240ns的激光输出。
近年来，随着高功率半导体激光器技术的成熟和双包层光纤制作工艺的进步。高平均功率双包层光纤激光器及放大器技术的研究发展迅速，已成为固体激光技术领域关注的热点之一。与连续光纤激光器相比，脉冲光纤激光器在保持了光纤激光器光束质量高、结构紧凑和斜效率高等优点的同时，具有更高的峰值功率，更有利于实际应用，在医疗、激光加工、光通讯等领域具有重要的应用。而实用化、高可靠性的脉冲光纤激光器已成为研究重点。由于光纤激光器以细长的掺杂光纤作为增益介质，较难通过调Q的方式实现高平均功率的脉冲激光输出，而基于主振荡功率放大（MOPA）方式的脉冲光纤放大器具有能量提取效率高、输出脉冲特性可通过种子光源控制等优点，已成为目前获得高平均功率脉冲激光输出的主要方式。
2002年Limpert等人在重复频率50kHz时，实现了平均功率100W脉冲宽度90ns的输出；2005年Cheng等人实现了脉冲能量82mJ（脉冲宽度50ns），峰值功率2.4MW（脉冲宽度4ns）的光纤放大器系统。国内部分单位也都开展了相关研究工作：2005年，中国科学院上海光学精密机械研究所在重复频率100kHz时，实现了平均功率133.8W、脉冲宽度400ns的输出，2009年，中国电子科技集团公司第11研究所在重复频率50kHz时，实现了平均功率64W、脉冲宽度14ns的输出。
本文主要基于MOPA方式，开展全光纤结构的脉冲光纤激光器研究，以光纤光栅为腔镜，光纤型声光调Q的光纤激光器为种子源，通过两级双包层光纤放大器进行功率放大，其中第一级光纤放大器采用双向泵浦的方式，第二级光纤放大器采用正向泵浦的方式，并将光纤输出端磨成斜角后准直输出。在重复频率50kHz时，得到了中心波长1064nm、脉冲宽度约240ns、平均功率102.5W的脉冲激光输出，激光波长处光谱宽度为1.65nm。
1、实验装置
实验装置如图1所示。
图1 全光纤结构光纤激光器的结构示意图
振荡级以光纤光栅（FBG）作为腔镜，利用光纤型声光Q开关（AO）实现脉冲输出，作为MOPA系统的种子光源，所用掺镱双包层增益光纤（YDCF）纤芯直径为10μm，八边形的内包层直径为130μm，长度为2m光纤对915nm泵浦光的吸收系数为2.5dB/m，对975nm泵浦光的吸收系数为6.7dB/m，所用光纤由中国电子科技集团公司第23研究所提供。种子光经过隔离器（ISO）后，通过（2+1）*1型合柬器的信号端，耦合进第一级光纤放大器的增益光纤中，所用增益光纤与振荡级相同，长度为8m。第一级光纤放大器采用双向泵浦的方式，泵浦光通过（2+1）*1型合束器的泵浦端，耦合进第一级光纤放大器的增益光纤中，所用泵浦源的中心波长在915nm左右，由于（2+1）*1型合束器单臂承受功率的限制，每一路泵浦功率控制在7W左右。种子光经过第一级光纤放大器放大后。经过隔离器和（2+1）*1型合束器的信号端，耦合进第二级光纤放大器的增益光纤中，所用泵浦源的中心波长915nm，最大输出功率60W，所用增益光纤纤芯直径为30μm，八边形的内包层直径为250μm，纤芯数值孔径为0.08，对所用泵浦光波长的吸收系数约为2.6dB/m，长度为6m，放大器增益光纤后熔有一段无源光纤并在熔点处做泵浦倾泻（pump dumping）处理，无源光纤输出端抛磨为8度斜角，以避免端面反射光影响种子源和泵浦源，保证系统的安全稳定工作，种子光经过第二级放大器放大后准直输出。所用元件的光纤参数都是相互匹配的，并且都通过光纤熔结的方式进行连接，从而构成了全光纤结构的实验系统。
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