基于复合腔结构的瓦级单纵模主动Q开关掺镱光纤激光器

《Optical Fiber Technology》：Watt-level single-longitudinal-mode actively Q-switched Yb-doped fiber laser based on compound-cavity

提出基于复合腔滤波的单纵模主动Q开关Yb掺杂光纤激光器，采用高掺杂大模场面积双包层光纤作为增益介质，通过光纤耦合器构建次级腔结构实现Vernier效应，在重复频率10-80 kHz范围内获得脉冲能量超14 μJ，最高平均功率达1.1 W，首次实现瓦特级单纵模Q开关脉冲输出。

　　

张东|潘浩|潘永健|马毅文|金明

安徽水利技术学院机械与电气工程学院，合肥231603，中国

摘要

本文提出并展示了一种基于复合腔滤波的单纵模（SLM）主动Q开关掺镱光纤激光器。该激光器采用高掺杂的大模场面积双包层掺镱光纤作为增益介质。此外，通过光纤耦合器构建了次级腔（SCs）结构，利用复合腔的Vernier效应实现了SLM操作。得益于增强的腔内能量存储，在10–80 kHz的重复率范围内，可以获得能量超过14 μJ的SLM激光脉冲，在80 kHz时最大输出功率达到1.1 W。据我们所知，这是首次基于复合腔实现瓦级SLM Q开关脉冲输出的演示。

引言

在SLM状态下运行的脉冲光纤激光器在引力波检测、相干激光雷达和非线性频率转换等领域具有重要的应用，因为它们具有高光谱纯度、高峰值功率和优异的光束质量[[1], [2], [3]]。这类激光器可以通过多种技术产生，包括被动或主动Q开关、增益开关和外部调制[[4], [5], [6], [7]]。其中，主动Q开关因其灵活的调制方式和更高的能量转换效率而被广泛使用。例如，分布式布拉格反射器（DBR）和分布式反馈（DFB）光纤激光器的腔长仅几厘米，具有较大的纵模间隔，有利于SLM选择。通过在腔内嵌入压电传感器（PZTs）等紧凑精密器件以施加周期性应力，可以方便地产生SLM Q开关激光脉冲[[8], [9], [10]]。

然而，短腔结构也限制了增益光纤的可使用长度，导致这类激光器的脉冲能量仅限于nJ级别。相比之下，环形长腔结构可以容纳米级增益光纤，并且与成熟的尾纤型电光（EOM）或声光（AOM）调制器更兼容，更适合产生高功率SLM激光脉冲。近年来，研究小组在SLM主动Q开关环形腔光纤激光器方面取得了进展。在早期研究中，使用单包层光纤激光器结合种子注入技术和传统的一级衍射AOM作为Q开关，在1 μm和1.5 μm波长下产生了SLM激光脉冲[11,12]。然而，李等人发现AOM的一级衍射会导致频率偏移，这使得在使用种子注入时难以在腔内实现锁模[13]。为了解决这个问题，研究人员巧妙地采用了AOM的零级传输方向进行Q开关输出，或者使用尾纤型EOM作为Q开关，这两种方法都在单包层光纤激光器中成功实现了锁模[[14], [15], [16]]。此外，通过利用基于EOM的主动Q开关环形腔中未泵浦掺杂光纤的窄带滤波效应，也成功产生了SLM激光脉冲[17]。

尽管上述研究在主动Q开关环形腔光纤激光器中成功产生了SLM激光脉冲，但输出脉冲能量仍然相对较低，并且脉冲能量随重复率的增加而迅速下降，最大平均功率仅达到几十毫瓦。特别是对于具有更高高功率输出潜力的掺镱光纤激光器，最大SLM脉冲能量仍集中在1 μJ左右[12]。这一限制源于这些研究中使用的小芯单包层掺杂光纤作为增益介质，这些光纤本身具有较低的掺杂浓度和较低的受激布里渊散射（SBS）阈值。相比之下，大模场面积（LMA）双包层掺杂光纤由于其特殊设计结构，提供了更高的增益和更高的SBS阈值[18]，使其成为产生高能量SLM激光脉冲的更好选择。然而，商用尾纤型EOM通常基于LiNbO₃，其损伤阈值仅为100 mW[19]，因此在高功率操作下容易受损，无法满足高增益腔的要求。最近，我们设计并实现了一种利用BBO晶体线性电光效应的主动Q开关，该晶体具有适合高增益腔应用的高损伤阈值。通过结合种子注入技术，我们成功实现了使用LMA双包层掺杂光纤产生的SLM激光输出，脉冲能量超过16 μJ[20]。然而，外部种子激光器的存在增加了系统复杂性，且时间多峰结构不利于进一步提高功率。因此，仅基于主动Q开关光纤激光器产生高能量SLM激光脉冲仍然是一个值得进一步研究的课题。

本文报道了一种基于复合腔的高功率主动Q开关双包层光纤激光器。使用多模激光二极管（LD）泵浦高增益掺镱双包层光纤（YDF），显著增强了腔内能量存储。随后，通过复合腔的Vernier效应实现了窄带滤波。由于消除了外部种子激光器，整个激光器配置更加紧凑。得益于增强的腔内能量存储和优化的腔体设计，成功产生了SLM激光脉冲，脉冲能量超过14 μJ，最大平均功率达到1.1 W。

实验装置

实验装置

图1展示了基于复合腔的主动Q开关双包层YDF激光器的示意图。使用了一段3米长的LMA双包层YDF（Nufern，LMA-YDF-10/130-M，4.2 dB/m @ 975 nm）作为增益介质，通过（2 + 1）× 1泵浦组合器（MPC）由975 nm LD泵浦。大约80%的腔内能量通过光学耦合器（OC1，LMA-GSF-10/125-M）的80%输出端口提取。剩余的泵浦光和前向传播的放大光

激光的连续波操作

首先，为了研究SCs的滤波效果，将Q开关设置为开启状态，使激光器以连续波（CW）模式运行。在引入由DCR-SC和SCR-SC组成的SCs之前，激光器的激光阈值仅为0.5 W。当泵浦功率增加到1.3 W时，相应的输出光谱如图2(a)所示。可以观察到，由于窄带FBG的作用，CW光纤激光器的带宽被缩小到0.08 nm，但仍表现出

结论

在这项工作中，使用LMA双包层光纤构建了一种高能量主动Q开关环形腔掺镱光纤激光器。通过将精心设计的光纤SCs集成到腔体中，成功实现了稳定的SLM操作。得益于双包层光纤提供的高增益，激光器在10–80 kHz的重复率范围内保持了超过14 μJ的脉冲能量。在6 W的泵浦功率下，80 kHz时的最大平均输出功率达到了1.1 W。

作者贡献声明

张东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，概念构思。潘浩：数据管理。潘永健：监督。马毅文：验证。金明：资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。