1、引言
光纤激光器具有输出激光光束质量好、热管理方便、结构紧凑的特点，并可以产生高重复频率（千赫兹量级）、窄脉宽（纳秒量级）脉冲，因此其作为光发射源在激光雷达、测距与成像方面具有广阔的应用前景。目前获得纳秒脉冲的主要方法有调Q和主振荡功率放大（MOPA）两种。其中在以单模半导体激光器为种子源的MOPA结构中，可以灵活调节种子光源的重复频率、脉冲宽度等参数，并进行功率放大，是脉冲光纤激光器研究的热点。2013年，Teodoro 等加载相位调制展宽单频脉冲种子，由棒状光子晶体光纤放大获得峰值功率1.5MW，1.55ns脉冲输出；同年，Saracco等采用薄片纳秒激光种子加大模场光纤放大获得百千瓦峰值功率 1.5ns激光输出。上述报道中MOPA放大级数较多，且功率放大级采用空间耦合方式，系统复杂，体积较大。2011年，周翠芸等采用脉冲调制单模带尾纤半导体激光器，全光纤放大获得1030nm波长峰值功率16kW，脉冲宽度6.53ns脉冲输出。但是其采用宽光谱种子，放大后光谱展宽较严重，超过了激光雷达探测系统中接收滤波器带宽（约为1nm），导致雷达探测接收过程中有效脉冲能量降低，背景噪声干扰加大。
为了满足相干探测系统对光源的要求， 本文研究了窄线宽脉冲种子激光的全光纤放大特性，实现了窄线宽、高峰值功率的纳秒级光纤激光器。该激光器系统采用直接脉冲调制的单频半导体激光器为种子源，通过双程光纤功率预放和优化主放大光纤的长度，获得了光谱线宽为1.5GHz，峰值功率达 15kW 的脉冲激光输出。该激光器作为发射光源可以提高探测接收效率，增强信号对比度，且为全光纤化系统，结构简单，便于小型化，应用前景广阔。
2、实验装置
窄线宽、窄脉宽高峰值功率光纤激光器实验结构原理图如图1所示。电调制的分布反馈式单频半导体激光器（DFB）作为种子源（连续输出时线宽2MHz），中心波长为 1064.12nm，输出调制脉冲宽度为3.92ns。种子光经过隔离器后进入由环形器、光纤布拉格光栅（FBG）及单模掺镱光纤（SM YSF）所构成的一级双程光纤预放大结构，该 FBG（中心反射波长为1064.68nm，反射谱半峰全宽为 1.65nm）只对信号光高反，残余抽运光和自发辐射放大（ASE）经光栅滤除从另一端透射输出。 其中，隔离器和环形器可以隔离后向传输的光，保护种子源，预放大级抽运源为976nm单模激光二极管（LD），通过波分复用器（WDM）耦合到单模掺镱光纤中。信号光反射二次放大后经环形器进入主放大级，主放大级抽运源采用一个多模976nmLD，经过（2+1）×1合束器与信号光一起耦合进入双包层掺镱光纤（DC YDF），光纤缠绕直径为10cm。掺镱光纤输出端熔接20cm无源输出光纤，并在熔点处涂敷高折射率胶进行抽运滤除（PS）。主放与预放之间加入1064±4nm带通滤波器滤除ASE，之后加入2×2的 1：9 耦合器以监测前、后向激光。预放光栅与主放激光输出端面都切斜 8°角，避免端面的菲涅耳反射产生激光寄生振荡。
3、实验结果与分析
3.1 种子源及双程光纤预放
实验中种子源采用高速的MOSFET驱动单模带尾纤输出的单频DFB，得到纳秒宽度、重复频率连续可调的信号光输出。 重复频率为10kHz时，调制DFB输出光脉冲宽度3.92ns，平均功率为4.4μW。由于种子光功率较低，在放大过程中比较容易出现ASE，从而降低系统信噪比，影响放大器放大效率。实验中为抑制ASE，预放级通过环形器与光纤光栅实现单级双程光纤放大，小信号经过SM YSF放大后被FBG反射进行二次放大，ASE则经由FBG高透滤除。与之对比，保持其他条件不变，仅除去FBG和环形器，种子光经过隔离器后与抽运光通过WDM耦合进入相同的SM YSF进行直通放大，测量两种情况下输出激光光谱，如图2所示。结果表明，双程预放结构输出激光信噪比和功率都要明显优于直通结构，大大增强了单模光纤对小信号的放大能力，并有效地抑制了强抽运光下产生的ASE。
进入主放之前，预放激光经过1064±4nm带通滤波器滤除ASE，功率达到4mW，小信号增益超过25dB。图3给出了经过主放光纤后输出信号光功率随抽运功率的变化情况，当主放入纤抽运功率达到3.7W时，输出激光功率为460mW，相应的光光转换效率为12.5%。随着抽运增大，输出功率逐渐线性增长，并未观察到饱和现象。
滤除包层抽运光后测量最高功率460mW时输出激光光谱，中心波长为1064.12nm，ASE较低，与信号光峰值强度相差约40dB，如图4所示，右上角小图是光谱精细结构，半峰全宽（FWHM）为0.037nm，计算得光谱范围1064.12±0.5nm内信号光能量占总能量比例超过90%，高的光谱强度保证确保雷达探测系统可以充分接收信号光，并提高抗背景噪声能力。实验中，通过控制实验参数并未观察到受激布里渊散射（SBS）与受激拉曼散射（SRS）等非线性现象。然而受限于测量所用光谱仪（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨极限值附近的光谱线宽测量并不准确，下文将会讨论使用F-P标准具进一步测量线宽。采用示波器（Teledyne LeCroy 610Zi）和高速光电探头（Thorlab DET025AFC）测量输出功率460mW时的激光脉冲序列与波形如图5所示，插图中蓝色为种子脉冲波形，红色为放大后脉冲波形。由图5可知，放大后输出激光脉冲稳定，波形与种子脉冲形状相比基本保持不变，但是脉冲后沿下降更快导致脉宽压窄了约0.9ns。这是因为激光放大过程中存在瞬态增益，脉冲前沿先于脉冲后沿到达增益光纤，提前消耗部分反转粒子导致脉冲后沿增益略微减小，最终导致了脉冲宽度的压缩。脉冲宽度由初始的 3.92ns经放大光纤压窄为3.06ns，对应的脉冲峰值功率达到15kW，由于脉宽压缩也导致峰值功率提高，可以增加激光雷达距离。采用PRIMES LQM-HP测得光束质量因子M2为1.226，如图6所示。
在单频或者窄线宽数纳秒脉冲光纤激光放大系统中，SBS 是阈值最低首先出现的非线性效应，其产生的后向传输脉冲会被放大甚至由于峰值功率过高而破坏前级器件。针对SBS 抑制，研究人员提出了缩短光纤有效长度、使用大模场面积光纤、相位调制、加温度/应力梯度、声场剪切等方案。本实验中，由于激光线宽窄（放大后为 1.53GHz），且峰值功率较高，考虑到未来小型化应用的目标应保证系统简便性，所以采用优化光纤长度的方案来抑制 SBS 产生，最终获得了窄线宽、高峰值功率 15kW 脉冲激光输出，但是较短的增益光纤长度也导致了抽运光吸收不充分，降低了放大级的光光转换效率。
3.3 调节重复频率
进一步改变种子光脉冲重复频率研究输出激光特性。调节外部信号发生器触发频率10~50kHz变化，间隔10kHz。由于单个DFB种子光脉冲宽度与强度由驱动板充放电回路电流大小与放点时间决定，只改变重复频率，种子脉冲波形、幅值、脉冲宽度与输出光谱并无改变，种子光输出平均功率随重复频率线性上升。保持主放级抽运功率 3.7W不变，输出激光功率与单脉冲能量变化情况如图8所示。随着重复频率增加，信号光变强提取了更多抽运光功率，导致输出平均功率提高，但是在一定的抽运强度下增益光纤中可提取的能量有限，并不能成倍随重复频率增加，因此单脉冲能量会减弱。此时输出脉冲宽度与重复频率关系如图9所示。重复频率减小，脉冲宽度压窄，且随着重复频率降低，脉冲宽度压缩程度越严重。这种脉冲宽度变化趋势由光纤放大器中瞬态增益的低频响应特性导致。瞬态增益导致脉冲峰值向前沿转移，在相同抽运功率下，低频脉冲消耗更多的反转粒子数会加大脉冲前后沿之间增益差别，从而进一步窄化脉冲。
报道了吉赫兹量级窄线宽、高峰值功率的纳秒全光纤MOPA结构脉冲光纤激光器。实验中利用脉冲调制的单频DFB 种子，经两级全光纤MOPA放大，预放大级采用双程放大结构，主放大级优化长度抑制SBS，获得光谱线宽1.5GHz、峰值功率15kW、脉冲宽度3.06ns脉冲激光输出，重复频率10~50kHz连续可调。整个系统采用全光纤结构、放大级数少，具有结构紧凑的特点，输出激光线宽窄，谱亮度高，因此抗背景噪声能力强，适用作相干探测系统的光源。（中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，中国科学院大学 邹峰 王兆坤 王子薇 周翠芸 刘源 杨燕 周军）
光纤激光器具有输出激光光束质量好、热管理方便、结构紧凑的特点，并可以产生高重复频率（千赫兹量级）、窄脉宽（纳秒量级）脉冲，因此其作为光发射源在激光雷达、测距与成像方面具有广阔的应用前景。目前获得纳秒脉冲的主要方法有调Q和主振荡功率放大（MOPA）两种。其中在以单模半导体激光器为种子源的MOPA结构中，可以灵活调节种子光源的重复频率、脉冲宽度等参数，并进行功率放大，是脉冲光纤激光器研究的热点。2013年，Teodoro 等加载相位调制展宽单频脉冲种子，由棒状光子晶体光纤放大获得峰值功率1.5MW，1.55ns脉冲输出；同年，Saracco等采用薄片纳秒激光种子加大模场光纤放大获得百千瓦峰值功率 1.5ns激光输出。上述报道中MOPA放大级数较多，且功率放大级采用空间耦合方式，系统复杂，体积较大。2011年，周翠芸等采用脉冲调制单模带尾纤半导体激光器，全光纤放大获得1030nm波长峰值功率16kW，脉冲宽度6.53ns脉冲输出。但是其采用宽光谱种子，放大后光谱展宽较严重，超过了激光雷达探测系统中接收滤波器带宽（约为1nm），导致雷达探测接收过程中有效脉冲能量降低，背景噪声干扰加大。
为了满足相干探测系统对光源的要求， 本文研究了窄线宽脉冲种子激光的全光纤放大特性，实现了窄线宽、高峰值功率的纳秒级光纤激光器。该激光器系统采用直接脉冲调制的单频半导体激光器为种子源，通过双程光纤功率预放和优化主放大光纤的长度，获得了光谱线宽为1.5GHz，峰值功率达 15kW 的脉冲激光输出。该激光器作为发射光源可以提高探测接收效率，增强信号对比度，且为全光纤化系统，结构简单，便于小型化，应用前景广阔。
2、实验装置
窄线宽、窄脉宽高峰值功率光纤激光器实验结构原理图如图1所示。电调制的分布反馈式单频半导体激光器（DFB）作为种子源（连续输出时线宽2MHz），中心波长为 1064.12nm，输出调制脉冲宽度为3.92ns。种子光经过隔离器后进入由环形器、光纤布拉格光栅（FBG）及单模掺镱光纤（SM YSF）所构成的一级双程光纤预放大结构，该 FBG（中心反射波长为1064.68nm，反射谱半峰全宽为 1.65nm）只对信号光高反，残余抽运光和自发辐射放大（ASE）经光栅滤除从另一端透射输出。 其中，隔离器和环形器可以隔离后向传输的光，保护种子源，预放大级抽运源为976nm单模激光二极管（LD），通过波分复用器（WDM）耦合到单模掺镱光纤中。信号光反射二次放大后经环形器进入主放大级，主放大级抽运源采用一个多模976nmLD，经过（2+1）×1合束器与信号光一起耦合进入双包层掺镱光纤（DC YDF），光纤缠绕直径为10cm。掺镱光纤输出端熔接20cm无源输出光纤，并在熔点处涂敷高折射率胶进行抽运滤除（PS）。主放与预放之间加入1064±4nm带通滤波器滤除ASE，之后加入2×2的 1：9 耦合器以监测前、后向激光。预放光栅与主放激光输出端面都切斜 8°角，避免端面的菲涅耳反射产生激光寄生振荡。
图1 脉冲激光MOPA放大系统结构图
3、实验结果与分析
3.1 种子源及双程光纤预放
实验中种子源采用高速的MOSFET驱动单模带尾纤输出的单频DFB，得到纳秒宽度、重复频率连续可调的信号光输出。 重复频率为10kHz时，调制DFB输出光脉冲宽度3.92ns，平均功率为4.4μW。由于种子光功率较低，在放大过程中比较容易出现ASE，从而降低系统信噪比，影响放大器放大效率。实验中为抑制ASE，预放级通过环形器与光纤光栅实现单级双程光纤放大，小信号经过SM YSF放大后被FBG反射进行二次放大，ASE则经由FBG高透滤除。与之对比，保持其他条件不变，仅除去FBG和环形器，种子光经过隔离器后与抽运光通过WDM耦合进入相同的SM YSF进行直通放大，测量两种情况下输出激光光谱，如图2所示。结果表明，双程预放结构输出激光信噪比和功率都要明显优于直通结构，大大增强了单模光纤对小信号的放大能力，并有效地抑制了强抽运光下产生的ASE。
图 2 双程与直通预放放大结构输出光谱对比关系
3.2 重复频率10kHz
进入主放之前，预放激光经过1064±4nm带通滤波器滤除ASE，功率达到4mW，小信号增益超过25dB。图3给出了经过主放光纤后输出信号光功率随抽运功率的变化情况，当主放入纤抽运功率达到3.7W时，输出激光功率为460mW，相应的光光转换效率为12.5%。随着抽运增大，输出功率逐渐线性增长，并未观察到饱和现象。
图 3 激光输出平均功率随抽运功率变化
滤除包层抽运光后测量最高功率460mW时输出激光光谱，中心波长为1064.12nm，ASE较低，与信号光峰值强度相差约40dB，如图4所示，右上角小图是光谱精细结构，半峰全宽（FWHM）为0.037nm，计算得光谱范围1064.12±0.5nm内信号光能量占总能量比例超过90%，高的光谱强度保证确保雷达探测系统可以充分接收信号光，并提高抗背景噪声能力。实验中，通过控制实验参数并未观察到受激布里渊散射（SBS）与受激拉曼散射（SRS）等非线性现象。然而受限于测量所用光谱仪（YOKOGAWA AQ6370）分辨率0.02nm，分辨极限值附近的光谱线宽测量并不准确，下文将会讨论使用F-P标准具进一步测量线宽。采用示波器（Teledyne LeCroy 610Zi）和高速光电探头（Thorlab DET025AFC）测量输出功率460mW时的激光脉冲序列与波形如图5所示，插图中蓝色为种子脉冲波形，红色为放大后脉冲波形。由图5可知，放大后输出激光脉冲稳定，波形与种子脉冲形状相比基本保持不变，但是脉冲后沿下降更快导致脉宽压窄了约0.9ns。这是因为激光放大过程中存在瞬态增益，脉冲前沿先于脉冲后沿到达增益光纤，提前消耗部分反转粒子导致脉冲后沿增益略微减小，最终导致了脉冲宽度的压缩。脉冲宽度由初始的 3.92ns经放大光纤压窄为3.06ns，对应的脉冲峰值功率达到15kW，由于脉宽压缩也导致峰值功率提高，可以增加激光雷达距离。采用PRIMES LQM-HP测得光束质量因子M2为1.226，如图6所示。
图 4 输出激光光谱
图 5 460mW输出激光脉冲序列与波形
图 6 460mW输出激光M2因子
实验中，单频DFB调制脉冲种子线宽极窄且已超过光谱仪分辨极限，因此采用F-P标准具（Toptica FPI 100 4GHz）测量最高输出峰值功率时激光线宽。图7为放大激光 F-P扫腔光谱，F-P腔自由光谱范围为4GHz，并且定义激光线宽为峰值强度一半处所对应光谱范围，因此测得激光线宽为10/26.1*4GHz=1.53GHz。
图 7 放大激光F-P扫腔光谱
在单频或者窄线宽数纳秒脉冲光纤激光放大系统中，SBS 是阈值最低首先出现的非线性效应，其产生的后向传输脉冲会被放大甚至由于峰值功率过高而破坏前级器件。针对SBS 抑制，研究人员提出了缩短光纤有效长度、使用大模场面积光纤、相位调制、加温度/应力梯度、声场剪切等方案。本实验中，由于激光线宽窄（放大后为 1.53GHz），且峰值功率较高，考虑到未来小型化应用的目标应保证系统简便性，所以采用优化光纤长度的方案来抑制 SBS 产生，最终获得了窄线宽、高峰值功率 15kW 脉冲激光输出，但是较短的增益光纤长度也导致了抽运光吸收不充分，降低了放大级的光光转换效率。
3.3 调节重复频率
进一步改变种子光脉冲重复频率研究输出激光特性。调节外部信号发生器触发频率10~50kHz变化，间隔10kHz。由于单个DFB种子光脉冲宽度与强度由驱动板充放电回路电流大小与放点时间决定，只改变重复频率，种子脉冲波形、幅值、脉冲宽度与输出光谱并无改变，种子光输出平均功率随重复频率线性上升。保持主放级抽运功率 3.7W不变，输出激光功率与单脉冲能量变化情况如图8所示。随着重复频率增加，信号光变强提取了更多抽运光功率，导致输出平均功率提高，但是在一定的抽运强度下增益光纤中可提取的能量有限，并不能成倍随重复频率增加，因此单脉冲能量会减弱。此时输出脉冲宽度与重复频率关系如图9所示。重复频率减小，脉冲宽度压窄，且随着重复频率降低，脉冲宽度压缩程度越严重。这种脉冲宽度变化趋势由光纤放大器中瞬态增益的低频响应特性导致。瞬态增益导致脉冲峰值向前沿转移，在相同抽运功率下，低频脉冲消耗更多的反转粒子数会加大脉冲前后沿之间增益差别，从而进一步窄化脉冲。
图 8 不同重复频率下输出脉冲能量与平均功率
图 9 输出脉冲宽度与重复频率关系
4、结论
报道了吉赫兹量级窄线宽、高峰值功率的纳秒全光纤MOPA结构脉冲光纤激光器。实验中利用脉冲调制的单频DFB 种子，经两级全光纤MOPA放大，预放大级采用双程放大结构，主放大级优化长度抑制SBS，获得光谱线宽1.5GHz、峰值功率15kW、脉冲宽度3.06ns脉冲激光输出，重复频率10~50kHz连续可调。整个系统采用全光纤结构、放大级数少，具有结构紧凑的特点，输出激光线宽窄，谱亮度高，因此抗背景噪声能力强，适用作相干探测系统的光源。（中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，中国科学院大学 邹峰 王兆坤 王子薇 周翠芸 刘源 杨燕 周军）
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