窄带调频和宽带调频的条件(窄带调频信号的带宽窄)
导语：窄带宽、窄脉宽、高重复频率，主动调Q光纤激光器是如何实现的？
文 / 毛庆和、姚波、张骥
中国科学院合肥物质科学研究院
主动调Q 光纤激光器及优势
大能量纳秒脉冲激光在激光清洗、雷达探测、精密加工及非线性变频等领域具有极其重要的应用。通常，这类脉冲激光由高品质纳秒脉冲种子光源后接功率放大器构成的MOPA系统获得，而脉冲种子源主要有直接调制半导体激光器、调Q 固体激光器和光纤激光器。
相比之下，调Q 光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、转换效率高、受后续功率放大器反射影响小等优点，是大能量纳秒激光脉冲的理想种子源。而声光调制器（AOM）具有调制波形与调制频率可控等优点，人们也一直试图采用AOM构建出高性能主动调Q 光纤激光器。
常见的主动调Q 光纤激光器类型
迄今，利用单包层和双包层增益光纤，人们已构建出不同结构的基于AOM的主动调Q 光纤激光器。
其中，双包层掺杂光纤具有在高抽运下增益高且不易饱和的特性，因此人们利用双包层掺杂光纤作为增益光纤构建出了多种基于AOM等空间分离器件的线形腔主动调Q 光纤激光器（图1所示），目前在10 kHz重复频率下可以获得最窄脉宽12 ns的调Q 脉冲。但是，这类基于分离器件的调Q 光纤激光器稳定性较差，必须要发展全光纤化的主动调Q 光纤激光器。
图1 空间结构线形腔主动调Q 光纤激光器
基于光纤型的布拉格光栅、合束器、AOM等器件，人们发展了全光纤化线形腔主动调Q 光纤激光器（图2所示），大大提高了稳定性的同时实现了脉宽几十到几百纳秒，带宽在纳米水平的调Q 激光脉冲输出。
但是，由于尾纤型AOM承受功率的限制，对于这类全光纤化线形腔主动调Q 光纤激光器，不允许通过增大抽运光功率来发挥双包层增益光纤饱和增益高的优势，导致全光纤调Q 光纤激光器的重复频率、输出功率以及脉宽等指标依然不理想。特别是对于亚纳米窄带宽调Q 光纤激光器，尽管重复频率已达到50 kHz，但输出脉冲宽度却大于100 ns。
图2 全光纤线形腔主动调Q 光纤激光器
为了获取窄脉宽的调Q 窄脉冲，必须设法突破尾纤型AOM承受功率限制，允许增大抽运光功率来发挥双包层增益光纤饱和增益高的优势。
为此，人们改用如图3所示的环形腔结构，通过插入光纤耦合器抽取出腔内脉冲能量，并巧妙地在光纤耦合器后端放置尾纤型声光调制器，从而使得尾纤型声光调制器处在腔内功率较低的位置，这就允许大幅提升抽运功率来提升双包层增益光纤的饱和增益，进而结合减小Q 开关占空比、增大增益恢复时间的方法，获得了脉宽10 ns的调Q脉冲，且带宽1 nm、重复频率高于100 kHz。
图3 环形腔主动调Q 光纤激光器
但是，对于这类环形腔结构调Q 激光器，若要获取更窄带宽的调Q 脉冲，需选用亚纳米窄带滤波器，这必然会减弱激光腔反馈，导致调Q 脉冲建立时间延长，又与减小占空比来增大增益恢复时间、获取高重复频率相矛盾。
不仅如此，由于光纤波导结构特性导致了增益光纤内任意位置处自发辐射易于被收集后形成导模进行传输，使得在高功率抽运下增益光纤将产生大量正反向放大的自发辐射(ASE)，这些过量的ASE会导致增益光纤产生增益自饱和效应，同样会影响对经弱腔反馈的窄带种子ASE的放大效果，延长调Q 脉冲建立时间，不利于高重复频率调Q 脉冲获取。正因为如此，时至今日，基于AOM的主动调Q 光纤激光器在获取窄带宽的高重复频率窄脉宽调Q 脉冲上依然存在困难。
窄带宽、窄脉宽和高重复频率调Q光纤激光器
我们提出并演示了一种由AOM主动调Q 环形腔双包层光纤激光器获取窄带宽、窄脉宽和高重复频率激光脉冲的方法，如图4所示。
图4 基于AOM的主动调Q 全光纤激光器结构示意图
上图中所用增益光纤为双包层掺镱光纤，由带尾纤的975 nm多模激光二极管（LD）经(2+1)×1抽运合束器（MPC）抽运。通过在环形器（CIR）公共端接入一只中心波长1064 nm、3 dB带宽0.2 nm、反射率约99%的光纤布拉格光栅（FBG），并将CIR输入输出端接入主腔，构成窄带滤波器，同时保证腔内光波顺时针传输。经YDCF放大后的腔内高功率激光由单模光纤耦合器抽取出80%后，进入单模光纤尾纤型AOM，从而使AOM处在腔内功率较低处，避免了其可能的光热损伤。
考虑到YDCF输出端附近内包层中存在着大量剩余抽运光和正向ASE，与单模光纤直接熔接时，因熔接点难以完全消除不连续性，不仅会导致熔接点的光热损伤，还会使包层中正向ASE经微小反射后形成初始反向ASE，导致增益光纤因反向ASE过大而加重ASE的增益自饱和效应，不利于窄带宽调Q脉冲的快速建立。
为此，我们专门设计了一种特殊的抽运剥离器（CPS），直接以YDCF作为其输入光纤，输出光纤型号则与OC单模尾纤一致。这种结构不仅减少了YDCF与CPS间熔接点的损耗和反射，同时在该CPS中利用在YDCF末端内包层表面涂覆高折射率胶，使得内包层中传输的剩余抽运光和正向ASE在到达与单模光纤熔接端面之前就被有效剥离掉，从而减弱使得经CPS反射回到增益光纤的初始反向ASE，进而缓解因ASE造成的增益自饱和效应。
图5 7 W抽运功率下(a) 1:53占空比、150 kHz重复频率输出脉冲波形；(b) 1:64占空比、155 kHz重复频率输出脉冲波形；(c) 150 kHz和155 kHz重复频率下反向光谱；(d) 150 kHz和155 kHz重复频率输出调Q脉冲光谱
实验发现，所设计激光器在7 W抽运功率下，当以方波调制调Q 光纤激光器中的AOM，且调制频率低于120 kHz时，即使在1:1的调制方波占空比下，激光器就很容易获得无脉冲缺失的规整调Q 脉冲序列，但脉冲宽度较宽；而若降低占空比，相对地促进增益光纤粒子数反转度的恢复，则可获得小于10 ns的调Q 激光脉冲。
当调制频率高于120 kHz但低于150 kHz时，在1:1的占空比下，输出脉冲序列存在着严重的脉冲缺失现象，通过适当减小占空比，可消除脉冲缺失，激光器也能输出规整的调Q 脉冲序列。当占空比减小至1:53，最大可获得的由单一腔循环构成的调Q脉冲重复频率高达150 kHz，对应脉宽窄至10.4 ns（见图5a）。
而若进一步减小占空比，虽然仍可获得更高重复频率的规整输出脉冲，但是，输出脉冲为类ASE脉冲。图5(b)为调制频率155 kHz、占空比降至1:64测得的输出脉冲波形。
可见，脉冲幅度大幅下降，脉冲宽度增大至25 ns。由闲置抽运端测得的反向光谱（图5c）可见，相比于150 kHz重复频率情况，当重复频率为155 kHz时，测得光谱中的ASE背景已显著提高，这就造成了掺杂光纤存在严重的增益自饱和，不能高效放大Q 开关打开后腔反馈获得的窄带初始ASE，导致窄带宽调Q 脉冲难以快速建立，使得产生的输出脉冲为无谐振特征的类ASE脉冲。此时，激光光谱带宽达到0.19 nm，宽于150 kHz重复频率下激光振荡脉冲的0.16 nm带宽（图5d）。
事实上，实验中也将我们特殊CPS替换成普通CPS并通过尾纤熔接的方式接入到腔中。结果发现，尽管腔长等腔结构参数基本一致，但因反向ASE增加导致因ASE产生的增益自饱和效应加重，使得激光器只可产生重复频率在130 kHz以下的调Q 激光脉冲序列。
图6 激光器输出调Q 脉冲脉宽、能量与重复频率之间的关系
图6为光纤激光器输出调Q 脉冲脉宽和能量与重复频率之间的关系。其中，抽运光功率保持为7 W，而给定不同调制频率下的占空比则由1:1减小至恰好能消除脉冲缺失现象、且经单一腔循环就基本实现腔倒空所对应的占空比。
可见，调Q 激光器的重复频率在10~150 kHz范围内可调，输出平均功率均大于1.3 W，最大单脉冲能量可达130 μJ，最窄脉宽为9.6 ns。不仅如此，尽管随着调Q 脉冲重复频率的降低，脉冲带宽会因光纤非线性导致轻微展宽，但在10~150 kHz范围内，调Q 脉冲的3 dB带宽均小于0.18 nm。
总 结
我们提出并演示了一种由AOM主动调Q 环形腔双包层光纤激光器获取窄线宽、窄脉宽和高重复频率激光脉冲的方法。通过在腔内采用以双包层增益光纤为输入尾纤的抽运剥离器来缩短腔长，降低增益光纤正向ASE的反射，抑制其ASE的增益自饱和效应，使得腔内有效增益增大，导致窄线宽调Q 脉冲可在环形腔中快速建立，既可使调Q 脉冲脉宽变窄，还允许大幅提升其重复频率。
在7 W抽运功率下，调Q 光纤激光器获得了线宽和脉宽分别窄至0.16 nm和10.4 ns、重复频率高达150 kHz的调Q 激光脉冲。据我们所知，这是迄今为止这类AOM主动调Q 光纤激光器获得的带宽和脉宽最窄、重复频率最高的瓦级功率调Q 激光脉冲。
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