程丽君 杨苏辉2)† 赵长明 张海洋

1)(北京理工大学光电学院,北京 100081)

2)(精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室,北京 100081)

1 引 言

载波调制激光雷达采用射频强度调制的光源作为载波进行探测,兼具激光雷达和微波雷达的优点,近年来得到广泛关注,尤其是其抗大气干扰及散射的能力使得载波调制激光雷达在相干探测、成像、大气污染监测等方面有重要应用[1−5].要实现远作用距离的高精度测距,则需要宽带可调谐高功率载波调制光源,双频激光器是实现宽带高功率载波调制光源的有效手段,近年来得到国内外学者的广泛关注.

2005年,法国雷恩大学Brunel等[6]利用钽酸锂晶体搭建了双频固体激光器,同时结合电光调制和温度调制实现了0—60 GHz的大频差可调谐双频激光输出,功率为4 mW;2011年,Maxin等[7]利用单频分步反馈光纤激光器的光栅的各向异性实现了双频激光输出,其拍频的调节范围约600 MHz,功率为300 mW;2015年,西安理工大学邢俊红和焦明星[8]在单频激光器内加入分光器件形成双腔结构,实现激光的双频输出,其中双频激光的频差为0.3—3 GHz,功率为53 mW.在大功率双频激光的实现方面,2014年,胡淼等[9]将一个双纵模输出的激光进行行波放大,放大器用两个半导体808 nm激光器同时抽运,得到2.38 W的双频激光,频差为47 GHz;2015年,He等[10]通过一级光纤放大装置将双频激光功率放大至10 W,频差调谐范围为125—175 MHz;国防科技大学对双波长光纤放大器的特点进行了深入研究[11],为了抑制光纤放大器中的非线性效应,利用三级光纤放大系统将频差为150 MHz的双频激光放大至434 W[12].上述研究中侧重各自的应用方向,分别实现了大频差或高功率,但是没有同时达到宽调谐范围和高功率的研究结果,而高功率宽带射频强度调制光源是远距离测距和成像所必不可少的.

本文将大频差连续可调谐双频激光和光纤放大结合,同时实现了双频激光的大频差调谐范围和高功率输出,对光纤放大前后双频激光源的功率稳定性、双频频差可调谐性以及双频频差的频率稳定性进行了对比研究,结果显示光纤放大器可以很好地保持双频种子源的指标,该宽带可调谐双频激光源将用于远距离高分辨率激光扫描成像系统中.

2 双频激光种子源

如图1所示,激光器为激光二极管(LD)端面抽运Nd:YAG直腔结构,腔长L=50 mm.LD抽运光经过耦合系统聚焦在Nd:YAG晶体端面,聚焦光斑直径为50µm.晶体的尺寸为ϕ8 mm×1 mm,采用热电致冷器进行冷却,温度为20°C±0.1°C,在其端面M1镀808 nm高透、1064 nm高反膜作为抽运光的输入端腔镜,另一面M2不镀膜,自然反射率约8%,输出耦合镜M3为曲率半径R=100 mm的凹面镜,其对1064 nm激光的功率透过率为5%,镜面M1,M2和M3一起形成耦合腔,使低增益激光器形成单纵模振荡[13,14],耦合腔的选频原理与复合标准具组的选频原理类似,即只有同时满足两个腔的谐振条件的纵模才能形成稳定振荡.腔内插入通光孔径为0.5 mm的小孔光阑用以限制高阶横模的振荡,测量得到输出激光的M2等于1.13.

两个四分之一波片(P1和P2)使单纵模振荡的激光分裂成两个正交偏振模式,并且产生频率分裂,已知两个四分之一波片的琼斯矩阵分别为

式中α,β分别是入射光的偏振方向与P1快轴和P2快轴之间的夹角,则激光腔内两个本征模的向量互相垂直,本征频率差为Δυ=Δθc/(πL),其中Δθ=|α−β|为两波片快轴之间的夹角,c是真空中光速,旋转P2改变Δθ,即可得到频差可调谐的双频激光输出[15].当Δθ=π/4时,可得到最大频差为纵模间隔一半的双频激光输出,即最大频差为c/(4L).

激光器输出功率为9.5 mW时,旋转P2改变两波片之间角度,令Δθ在0—45°之间变化,实验测得Δθ与Δυ之间的关系如图2所示.

实际操作中随着双频频差从0增加到c/(4L),会发生跳模现象.如图3(a)所示,是纵模υq的两个偏振态成分,是纵模υq−1的两个偏振态成分,当双频频差较小时,的增益超过阈值,形成稳定双频振荡,随着两者的频差增大为c/(4L),如图3(b)所示,的频率差也变成c/(4L),此时的增益超过的增益,输出光变为,发生跳模现象.

图1 双频激光器示意图(AP,光阑;OC,输出耦合镜)Fig.1.Dual-frequency laser setup.AP,aperture;OC,output coupler.

图2 双频频差Δυ随两个四分之一波片快轴夹角Δθ的变化Fig.2.Frequency difference Δυ versus the angle between the two fast axes Δθ.

图3(a)双频激光振荡模式示意图;(b)双频频差等于c/(4L)时发生跳模Fig.3.(a)Dual frequency laser modes;(b)longitudinal modes hopping when frequency difference approaches c/(4L).

输出双频光经Fabry-Perot(F-P)干涉仪扫描后在示波器上波形如图4所示,其中第一个图中的红线表示F-P干涉仪的扫描电压,Δt是扫描时间间隔,不同扫描时间间隔对应不同频差Δυ.

由于双频激光的两个分量的偏振方向相互垂直,因此利用格兰棱镜,令双频光的两个偏振方向与格兰棱镜的偏振方向成45°放置,双频激光通过后可以形成拍频信号,用频谱仪测量得到的拍频信号如图5所示,可以看出随着四分之一波片的转动,拍频信号从100 MHz到1.5 GHz连续可调谐,信噪比大于25 dB.

图4 不同频差的双频激光模式在示波器上的波形Fig.4.Dual-frequency laser modes at different Δυ shown on an oscilloscope.

图5 不同频差的双频激光拍频信号在频谱仪上的显示Fig.5.Different beat-notes shown in frequency spectrograph.

实验测量了双频激光的功率在30 min内的稳定性,如图6所示.双频激光功率的变化范围小于0.8 mW,根据标准差的计算公式

其中Si为样本值,¯S为样本均值,n是样本个数,将测得的激光功率作为样本得到功率的标准差为0.145 mW,相对稳定性为1.52%.双频激光功率的抖动主要是同相噪声和反相噪声引起,其中同相噪声由弛豫振荡引起[16,17],反相噪声由两个偏振模式对上能级粒子数的竞争引起[18,19].

使用高精度频率计测量了拍频信号的稳定性,如图7所示.20 min内拍频的频率上下浮动范围小于8 MHz,代入标准差公式得出拍频信号的标准差为1.6144 MHz,相对稳定性为0.64%,其中拍频信号的抖动是由晶体温度的浮动引起的.

图6 双频激光在30 min内的功率稳定性Fig.6.Power stability during 30 min.

图7 双频频差在20 min内的频率稳定性Fig.7.Beat-note frequency stability during 20 min.

3 双频光纤功率放大系统

3.1 三级光纤放大装置

采用半导体抽运光纤功率放大器对双频种子光进行放大,光纤放大器实验装置如图8所示.把自聚焦光纤准直器反向应用,将双频种子光耦合进入单模光纤,耦合效率为33.7%,当种子光功率为9.5 mW时,耦合入光纤的功率为3.2 mW,由于种子源功率较低,为了抑制光纤中的自发辐射放大噪声,采用三级放大系统[20],抽运源均采用波长为976 nm的半导体激光器.第一级放大阶段抽运功率为600 mW,增益光纤为单模掺Yb3+光纤(5 m,6/125µm,NA=0.13),抽运光和种子激光分别经过光隔离器通过波分复用耦合器同向耦合进入增益光纤,经过第一级放大,双频激光的功率被放大为百毫瓦量级;第二级放大阶段抽运功率为10 W,功率被放大至瓦量级,其中增益光纤为双包层掺Yb3+光纤(5 m,10/125µm,NA=0.075/0.46),模场适配器(MFA)用来匹配传输光纤和增益光纤的不同芯径,进而减小损耗,光功率剥离器(CPS)在光纤输出端,用于去除内包层中残留抽运光和从纤芯泄漏到内包层中传输的放大自发辐射,使纤芯内的信号光保持良好的光束质量;第三级放大阶段抽运功率为70 W,由两个35 W半导体激光源经过(2+1)×1光纤合束器提供,双频激光的功率被放大至50 W,其中增益光纤为双包层掺Yb3+光纤(5 m,25/250µm,NA=0.065/0.46).

图8 双频激光三级光纤放大示意图Fig.8.Dual-frequency laser three-stage fiber ampli fier.

信号光在增益光纤内放大过程中的传输方程为

式中,PP(z),PS(z)分别是抽运光功率和信号光功率随传输距离z变化的函数;分别是抽运光的发射和吸收横截面积;分别是信号光的发射和吸收横截面积;αP=0.04,αS=0.005分别是抽运光和信号光的吸收系数;ΓP=0.01,ΓS=0.9964分别是抽运光和信号光的重叠因子;N(r,θ,z)=5×1025/m3是Yb3+的掺杂浓度,且有

是上能级粒子浓度,其中υP和υS分别是抽运光和信号光的光频率,h是普朗克常数,τ21=840µm为上能级粒子寿命,Acore是光纤纤芯横截面.

图9 不同抽运功率下第三级光纤放大的数值模拟Fig.9.Numerical simulation of pump power and seed power versus the gain fiber length with different initial pump power.

由于光纤放大器每级之间是熔接在一起的,所以无法测量中间两级的输出功率,本文只对第三级的抽运光功率和输出光功率的关系进行了理论计算.由于第三级抽运光源打开之前,输出光功率为1 W,因此设信号光经过前两级放大后功率为1 W,即PS(0)=1 W,分别令PP(0)=70,50,30 W,数值计算结果如图9所示.可以看出,增益光纤长度大于5 m后对信号放大不再有贡献,所以该系统的最佳光纤长度为5 m,当抽运光为70 W时,输出光功率超过50 W,与实验的输出功率50.2 W结果相符.

3.2 双频激光放大结果

当第三级放大的抽运光功率为70 W时,输出双频激光功率为50.2 W.将该双频激光经过一系列准直和衰减进入F-P干涉仪,得到双频波形如图10所示.图中双频峰值功率的比值在不同频差情况下发生变化,是由于种子的双频成分之间存在增益竞争产生的此起彼伏.事实上由于双频的两个频率非常接近,它们在光纤中的增益几乎一致,不存在增益竞争而引起的功率起伏,实验中观察到放大后两个频率成分的功率比值与放大前相比没有变化.

50 W的双频激光拍频信号如图11所示,可以看出放大后的双频激光信噪比超过40 dB.

图10 50 W双频激光在不同频差下的示波器波形图Fig.10.Ampli fied dual-frequency laser modes at different Δυ shown on an oscilloscope.

图11 50 W双频激光拍频信号的测量结果Fig.11.Beat-note frequency of 50 W dual-frequency laser shown on spectrometer.

功率稳定性测量结果如图12所示,在前20 min内输出光功率随着时间的增加从50.2 W逐渐下降到49.3 W,最后稳定在49.3 W和49.4 W之间,测量功率的波动幅度在拟合值附近0.1 W范围内.在功率测量的初始阶段,由于增益光纤的温度逐渐升高引起放大效率下降,导致输出光功率减小,当系统达到热平衡后,测量结果趋于稳定.实验过程中对增益光纤采取了风冷方式进行控温,由于风冷装置的功率限制导致增益光纤与周围环境达到热平衡的时间较长.

同样,实验测量了50 W双频激光在连续工作20 min内的频率稳定性,如图13所示,可以看出拍频信号的频率波动范围约为8 MHz,代入方差计算公式计算可得σ=1.777 MHz,相对频率稳定性为0.71%.

图12 50 W双频激光的功率稳定性测量Fig.12.Power stability at 50 W during 30 min.

图13 50 W双频激光拍频信号的频率稳定性Fig.13.Beat-note frequency stability of 50 W DF laser during 20 min.

4 结 论

本文采用双频固体振荡器结合光纤功率放大器的方案,实现了高功率宽调谐范围的射频强度调制的连续激光输出,其中射频调制范围为30 MHz—1.5 GHz,最高输出功率50 W,双频信号的信噪比高于40 dB.若在双频激光源中加入自动控制环节进行线性调频,则该光源可用于线性调频激光雷达系统中,实现对远距离目标同时测速测距的功能;若将高功率双频信号进行倍频,则可实现宽带可调谐的532 nm强度调制激光输出,用于水下探测及成像.

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