中年|高脉冲能量掺铒光纤激光器——一种理想的人眼安全激光雷达光源
高脉冲能量光纤激光器可以具有很大的应用潜力 ， 特别是用于各种激光雷达应用 。 在过去的几十年里 ， 科学家们一直在努力解决脉冲光纤激光器中存在的诸多挑战 。 其中一个最主要的技术挑战就是 ， 如何从全光纤激光器系统中获得足够高的单脉冲能量和峰值功率 ， 以用于远距离的激光雷达测量 。
高脉冲能量掺铒（Er） 脉冲光纤激光器是一种理想的人眼安全激光光源 ， 特别适合于大气中的远程激光雷达应用 ， 包括例如大气风速遥感测量、大气化学小分子的观测、和远程目标的测距/识别等 。
01
全光纤脉冲激光器
全光纤脉冲激光器采用相同的光纤激光系统设计结构（MOPA） ， 使用不同的种子激光脉冲格式 ， 既可产生用于相干激光雷达的窄线宽激光脉冲 ， 也可以产生用于直接飞行时间（TOF）探测的激光雷达所需要的短脉冲激光 。
但是 ， 现有的全光纤脉冲激光器还无法被广泛用于激光雷达应用 ， 最主要的障碍在于其有限的脉冲输出能量和峰值功率 ， 这又是受限于光纤激光器中的各种非线性光学效应 。 在过去的近十年中 ， 已经有大量的努力来应对这一挑战—— 也就是如何从全光纤激光器系统中获得高能量的激光脉冲 。 目前市场上现有的高功率脉冲全光纤激光器/放大器 ， 通常使用基于石英玻璃阶跃折射率的大模场增益光纤 ， 为此需要几米长度的增益光纤 ， 来构建最后一级光纤功率放大器 ， 从而产生所需要的脉冲输出能量 。
在这样的光纤放大器中 ， 使用如此长的增益光纤极大地限制了它们的最大输出能量 ， 例如对于傅立叶变换受限线宽的激光脉冲（100 ns的左右脉冲宽度） ， 如果要具有相当良好的光束质量 ， 最大的单脉冲能量仅达<200 mJ ， 这主要受到增益光纤中受激布里渊散射（SBS）效应的影响 。 尽管在具有超大纤芯直径的棒状光子晶体光纤中 ， 早就演示了可以产生最大脉冲能量达到mJ 级的能力[2]， 但光子晶体光纤尚未在商用脉冲光纤激光器系统得到广泛应用 ， 主要原因在于其缺少信号激光和抽运加工耦合的全光纤解决方案 ， 不得不仍然使用类似于固体激光器中脆弱的自由空间光耦合方案 ， 这样就完全失去了光纤激光器/放大器本身的最大优点 ， 也就是其高度的紧凑性和可靠性 。
02
高脉冲能量掺铒（Er）光纤激光器
在过去的几年里 ， 美国AdValue Photonics公司已开发出的拥有自主知识产权的多组分玻璃光纤激光器技术 ， 在多个光谱区域（1 mm、1.55 mm和2 mm波段）输出单脉冲能量大于1 mJ、傅立叶变换受限线宽 ， 脉冲持续时间为100 ns左右的激光脉冲 。 该技术可以应用在全光纤激光系统中 ， 产生同样高的单脉冲能量 ， 但更短脉冲持续时间（25 ns）的激光脉冲[3]， 适合应用于TOF 激光雷达探测 。
这种玻璃光纤的独特性在于其非常高的稀土离子掺杂 ， 使其在很短的大模场增益光纤中产生高光学增益 ， 输出单模场的高能量激光脉冲 。 利用这种特殊的增益光纤组成的光纤激光放大器、大光纤芯径（3050 mm）和短增益光纤（几十厘米） ， 大幅度提高了非线性光学效应的阈值 ， 并保持高光束质量 。
【中年|高脉冲能量掺铒光纤激光器——一种理想的人眼安全激光雷达光源】在上述光纤激光器常用的三个光谱波段中 ， 运行在1.55 mm波段的掺铒光纤脉冲激光器特别有利于激光雷达的应用 。 相比于其他两个波段 ， 1.55 mm波段的激光雷达具有更多的优势 ， 包括人眼安全、大气透明以及现成的用于光通信产业的高速和高灵敏度的信号探测器 ， 或者低成本、高速、高分辨率、高灵敏度、无需主动冷却的两维成像器件 ， 适合于三维相干雷达成像应用 。
图1是双包层保偏铒/ 镱共掺杂的大模场硅酸盐玻璃光纤的截面 。 将其用于最后一级光纤功率放大器 ， 可以构建输出单脉冲能量大于1 mJ的全光纤激光器 。 尽管这种大模场增益光纤纤芯直径比大多数市售类似的掺铒光纤产品大得多 ， 但由于其独特的设计（NA <0.04） ， 激光输出的光束质量仍然可以保持几乎衍射受限模式（见图1右下） 。
本文插图
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图 1. (左) 基于硅酸盐玻璃的双包层保偏铒/ 镱共掺杂的大模场光纤 ， 用于产生脉冲能量大于1mJ的全光纤激光器 (右) 独特的增益光纤设计使高能量脉冲激光的光束质量仍然保持在近衍射受限 。
与常用的市售石英玻璃掺铒光纤相比 ， 多组分硅酸盐玻璃掺铒光纤因为拥有不同的玻璃微结构 ， 完全改变了掺杂离子与玻璃主体 。 离子和离子之间的相互作用 ， 能大大提高稀土离子的掺杂浓度 ， 进而在很短的增益光纤中实现高抽运吸收和高光学增益 。 而且意想不到的是 ， 不同的玻璃结构还能改变掺杂离子的光谱行为 。
图2 示出的是用两种不同铒镱共掺杂的双包层抽运的增益光纤放大器的激光输出光谱 ， 这两种光纤放大器注入相同强度的1572 nm 小信号种子激光 。 显然 ， 在整个C波段输出光谱中 ， 高掺杂的硅酸盐玻璃增益光纤拥有明显不同于市售石英玻璃掺铒光纤增益光谱 ， 增益光谱轮廓朝长波长方向偏移 。 尤其是在1572 nm处 ， 高掺杂的硅酸盐玻璃光纤的增益比市售石英玻璃增益光纤高约6 dB ， 信噪比则高10 dB， 这对于在1572 nm这个波长附近的激光应用来说（大气中的CO2遥感测量）极为有利 。
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图 2.两种不同铒镱共掺的双包层泵浦的增益光纤放大器的激光输出光谱 ， 这两种光纤放大器注入相同强度的1572 nm 小信号种子激光 。(左) 高掺杂的硅酸盐玻璃增益光纤； (右) 市售的石英玻璃增益光纤 。
与CO2的其他吸收波段相比 ， 1572 nm这个吸收波段有其独特优势 ， 其吸收截面对温度的变化不敏感 ， 也没有其他大气化学分子的吸收干扰 ， 并且具有适当的吸收跃迁强度 ， 适合于星载激光雷达的吸收光谱测量 ， 无需担心吸收信号的饱和 。 对于太空应用的激光雷达来说 ， 其理想的激光光源必须是紧凑型的 ， 对环境温度、机械振动和冲击有高度耐受性 。 因为这些严苛的环境要求 ， 高脉冲能量的全光纤激光系统就成为了首选的星载激光雷达光源 ， 受到极大的期待 。 但是 ， 对于这个波长的高能量脉冲光纤激光器来说 ， 具有比其它波长更大的挑战性 ， 因为它远离普通掺铒光纤激光器的增益峰值 。
美国AdValue Photonics公司利用其高掺杂的硅酸盐玻璃光纤的独特的光谱优势 ， 演示了一台运行在1572 nm波长的高能量全光纤脉冲激光器 。 图3示出的是用商用能量计（Gentec， Mach 5）测量到的激光脉冲能量的屏幕截图 ， 显示了在2.5 kHz脉冲重复频率下 ， 得到高达1.8 mJ的脉冲能量 。 详细的实验结果发表在文献[4]中 。
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图 3. 用商用能量计（Gentec， Mach 5）测量到的激光脉冲能量的屏幕截图 ， 显示了在2.5 kHz脉冲重复频率下 ， 得到高达1.8 mJ的脉冲能量 。
虽然硅酸盐玻璃增益光纤与标准的无源石英玻璃光纤拥有不同的玻璃微结构 ， 但这两种玻璃的主体都是二氧化硅 ， 它们共享相似的玻璃网络结构 ， 具有高度的材料兼容性 ， 而无源石英玻璃光纤被广泛用于所有的商用光学无源器件的尾纤 。 这两种玻璃材料的高度兼容性 ， 允许我们很容易地在两者之间进行光纤熔接 ， 得到产生单脉冲激光能量大于1 mJ的全光纤激光器 ， 并且能够非常紧凑地集成起来 ， 如图4 所示 。
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图4.非常紧凑集成起来的全光纤脉冲激光系统 ， 可以产生单脉冲能量大于1 mJ的激光脉冲 。
参考文献：
[1] Yousuke Kawahito, Hongze Wang, Seiji Katayama, et al. "Ultra high power (100 kW) fiber laser welding of steel," Opt. Lett. 43, 4667-4670 (2018).
[2] C. D. Brooks and F. Di Teodoro. "1-mJ energy, 1-MW peak-power, 10-W average-power, spectrally narrow, diffraction-limited pulses from a PCF fiber amplifier," Opt. Express 13, 8999-9002 (2005).
[3] Wangkun Lee, Jihong Geng, Zexuan Qiang, et al.“A fiber-based high-power single frequency pulsed laser at 780nm/776nm for Rb dating”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 31, No. 18, 1534-1537 (2019).
[4] Wangkuen Lee, Jihong Geng, Shibin Jiang, et al. “1.8mJ, 3.5kW single frequency optical pulses at 1572nm generated from an all-fiber MOPA system”, Optics Letters, Vol. 43, No.10, 2264-2267 (2018).
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