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 。
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） 。
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