1 引言

　　超短脈沖激光由于具有高峰值功率、窄脈沖寬度、高重復(fù)頻率等特點(diǎn)，已經(jīng)成為激光技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。如今，在工業(yè)精細(xì)加工、精密測(cè)量、生物、醫(yī)療、光通信、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，超短脈沖激光都發(fā)揮著無以替代的作用。以摻鐿光纖為增益介質(zhì)的鎖模光纖激光器近年來發(fā)展迅猛，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代后期，隨著光纖技術(shù)的快速發(fā)展，以及大功率半導(dǎo)體激光器(LD)技術(shù)的不斷突破，鎖模光纖激光器，以其轉(zhuǎn)換效率高、散熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)成為了激光技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。

　　鎖模光纖激光器從技術(shù)層面主要分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩種。主動(dòng)鎖模光纖激光器通常在腔內(nèi)采用調(diào)制器件，這會(huì)產(chǎn)生腔體的附加損耗，由于調(diào)制器件多為非光纖元件，其引入難以實(shí)現(xiàn)全光纖化集成，制約了該技術(shù)的全光纖化發(fā)展；同時(shí)，主動(dòng)鎖模容易受到外界環(huán)境，諸如溫度變化，機(jī)械振動(dòng)，以及超模噪聲，諧振腔內(nèi)偏振態(tài)起伏等因素的影響，需要很多復(fù)雜的技術(shù)來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果是大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高了激光器的成本。反觀被動(dòng)鎖模光纖激光器，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、便于集成等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，并在通信、醫(yī)學(xué)、加工、傳感和探測(cè)等眾多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　被動(dòng)鎖模光纖激光器主要通過采用非線性光學(xué)環(huán)形鏡，非線性偏振旋轉(zhuǎn)和基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。其中，基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）的被動(dòng)鎖模技術(shù)由于具有設(shè)計(jì)靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定、自啟動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡在制備過程中可靈活控制調(diào)制深度、恢復(fù)時(shí)間、飽和通量等關(guān)鍵參數(shù)，并且根據(jù)需要可加工集成在光纖端頭上，便于全光纖化，因此，該類型被動(dòng)鎖模光纖激光器在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛關(guān)注。

　　本文采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)，利用基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的鎖模光纖激光器作為種子源，通過三級(jí)放大實(shí)現(xiàn)了平均功率74.3W的被動(dòng)鎖模光纖激光器。實(shí)驗(yàn)中分析了種子源的不同狀態(tài)，以及這些狀態(tài)對(duì)放大級(jí)的影響，同時(shí)，通過重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)，在增加重頻的同時(shí)，加之對(duì)放大級(jí)光纖長(zhǎng)度的優(yōu)化，減小了非線性效應(yīng)對(duì)輸出功率的影響。

　　2 實(shí)驗(yàn)方案

　　圖1是實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)激光器由五部分組成：被動(dòng)鎖模光纖種子源、預(yù)放大器、重復(fù)頻率倍增系統(tǒng)、一級(jí)功率放大器、二級(jí)功率放大器。

　　該激光器的種子源是基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)線性腔結(jié)構(gòu)的被動(dòng)鎖模光纖激光器。種子源結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。泵浦源為帶尾纖的975nm半導(dǎo)體激光器，最大泵浦功率約550mW，其驅(qū)動(dòng)源帶有溫控系統(tǒng)，可保證輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性為了防止泵浦源被回光損傷，在其末端熔接一個(gè)泵浦保護(hù)器。泵浦保護(hù)器的另一端與光纖布拉格光柵(FBG)熔接，泵浦光經(jīng)光柵(FBG)注入諧振腔。該光柵(FBG)中心波長(zhǎng)1063.4 nm，3dB帶寬0.15nm，反射率95%，作為腔內(nèi)的一個(gè)反射鏡。光纖分束器OC一端連接光纖光柵，另一側(cè)70%分光端連接增益光纖，用于將泵浦光耦合進(jìn)增益光纖，30%端用于激光輸出；增益光纖采用了2m長(zhǎng)的高濃度單模摻鐿光纖，其在976nm處的吸收系數(shù)為1200dB/m，該光纖的另一端與SESAM的尾纖連接，實(shí)現(xiàn)諧振腔的閉合。根據(jù)SESAM的特性，腔內(nèi)的強(qiáng)激光脈沖經(jīng)尾纖匯聚在SESAM上，由于其對(duì)強(qiáng)脈沖吸收率低，反射后沿原路返回進(jìn)增益光纖，弱激光脈沖由于SESAM吸收而被抑制，如此多次循環(huán)，強(qiáng)脈沖不斷被放大并最終輸出高強(qiáng)度窄脈寬脈沖序列。實(shí)驗(yàn)中采用的是BATOP公司生產(chǎn)的吸收層為多量子阱結(jié)構(gòu)的SESAM，高反區(qū)1010 ～ 1120nm，反射率大于40%，調(diào)制深度30%，飽和通量30μJ/cm2，非飽和吸收損耗15%，恢復(fù)時(shí)間為9 ps。OC輸出端連接的偏振控制器是一個(gè)光纖型偏振控制器件，其作用是為了調(diào)節(jié)激光的偏振態(tài)；之后連接一段0.55m的摻鐿光纖用于對(duì)多余的泵浦光進(jìn)行吸收，末端連接的光纖隔離器(ISO)是防止放大級(jí)的回光損傷種子源。

　　預(yù)放大器的增益介質(zhì)采用與種子源相同的高濃度單模摻鐿光纖，長(zhǎng)度2.5m。泵浦源同樣采用550mW帶尾纖的975nm半導(dǎo)體激光器。為了防止光路中反向光打壞泵浦源，在泵浦源后熔接泵浦保護(hù)器。泵浦光通過WDM耦合入增益光纖，對(duì)種子光進(jìn)行放大。在預(yù)放大級(jí)末端熔接光纖隔離器，防止回光損傷光路。之后的重頻倍增系統(tǒng)由分束器和無源光纖組成，其主要原理是通過精確計(jì)算脈沖間隔和延遲時(shí)間使得一個(gè)脈沖周期內(nèi)的脈沖數(shù)量得以增加。

　　功率放大器分兩級(jí)結(jié)構(gòu)，一級(jí)功率放大器采用的是Nufern公司生產(chǎn)10/130雙包層摻鐿光纖，泵浦源采用OCLARO公司生產(chǎn)的一只25W，中心波長(zhǎng)975nm的半導(dǎo)體激光器；通過(2+1)×1合束器耦合入增益光纖，光纖的輸出端熔接大功率光纖隔離器。二級(jí)功率放大器采用的是Nufern公司生產(chǎn)25/250雙包層摻鐿光纖；為了提高功率，泵浦源采用了4只OCLARO公司生產(chǎn)的25W，中心波長(zhǎng)975nm的半導(dǎo)體激光器，它們通過(6+1)×1光纖合束器耦合入增益光纖。增益光纖的末端熔接一段無源光纖，在熔接點(diǎn)出制作了泵浦傾瀉裝置，濾除未被吸收的多余的泵浦光；最終輸出端切8°斜角輸出。