刘迎国,岳耀笠,朱尤智

(1.中国人民解放军第95835部队,新疆 乌鲁木齐 830000;2.中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西 桂林 541000)

1 引 言

光纤激光器是波导式的结构,使泵浦光场与信号光场重合得非常好,从而转换效率相当高,同时由于有源光纤有较大的表面积,使其具备功耗低、散热快等优点；然而,同样是因为光纤的波导结构,小模场面积也导致了非线性效应的阈值很低,容易使激光器产生物理损伤,从而限制了光纤激光器的输出功率[1]。例如,作为相干激光测风雷达的主要光源之一的单频脉冲光纤激光器,由于受限于受激布里渊散射(SBS)阈值,以Amonics公司产品为例,脉冲峰值功率最大700 W,与固体激光器的输出水平有很大差距。因此,提高单频脉冲光纤激光器的受激布里渊散射阈值,是与固体激光器缩小技术差距的主要方法。

国防科学技术大学[4]、西南技术物理研究所[5]、中国工程物理研究院[6]等单位验证了通过使用大模场光纤、提高光纤掺杂浓度、缩短有源光纤长度及输出尾纤长度等常规手段,可以提高光纤激光器SBS阈值,北京交通大学尝试了通过温度应力场分布提高SBS阈值[7],但都提高有限,发展前景十分有限；中国工程物理研究院[8-9]通过使用相位调制光谱展宽的方法提高SBS阈值,可以将SBS阈值提高到占光纤激光器输出功率限制的次要作用下,但大幅度增加的相位噪声严重影响了光纤激光器的相干性能。

本文根据相位调制激光展宽的理论,提出了二级相位调制线宽压缩的构想,分析了线宽压缩的成立条件,并根据该条件设计了激光线宽压缩装置。

2 相位调制激光展宽原理

单频激光相位调制展宽方法[8]如图1所示,输入激光脉冲经加载电信号的光纤相位调制器,输出光谱展宽的激光信号,其中展宽激光的光谱为频率间隔与电信号频率相同的梳状光谱,并且相位调制器的调制强度越大,激光光谱展宽级数越多,即光谱展宽越宽,光纤放大器的SBS阈值也越高。激光光谱展宽理论分析如下。

图1 相位调制光谱展宽原理图

相位调制器输出的光场由下式表示:

Eout=Acos[ωt+Ψ]

(1)

相位调制器通过改变Ψ(调相)来得到Eout的不同值,而

Ψ=δsinωmt

(2)

从文献[9]中可得,相位调制系数δ与外加电压成正比,与晶体程度无关。通过改变相位调制系数δ和外加电场频率ωm来改变相位Ψ,从而得到不同的光场eout,输出光场按贝塞尔函数展开为:

eout=Acos[ωt+Ψ]

=A[J0(δ)cosωt+J1(δ)cos(ω+ωm)t-

J1(δ)cos(ω-ωm)t+J2(δ)cos(ω+2ωm)t-

J2(δ)cos(ω-2ωm)t+…]

(3)

从上式可知,电光相位调制的结果产生若干边频带,理论上是无穷多边频带组成。光谱展宽是指由许多边带频谱组成的波形包络的半宽。均匀展宽要求边带尽量丰富。这就要求eout的展开项更多更大,因而需要增大δ或ωm；而要增加δ,从(3)式可知,需要增加在晶体上的微波调制功率和选择好的调制器。

3 相位调制激光线宽压缩可行性分析

根据公式(1),假设使用两个相位调制器,并且两个相位调制器的相位改变量为Ψ1、Ψ2时,且Ψ1+Ψ2=0,有:

eout=Acos[ωt+Ψ1+Ψ2]=Acosωt

(4)

即光信号恢复到为原来的窄线宽特性。

实际应用中,两个相位调制器之间有一定的光纤长度,该光纤长度的光程还受到环境温度、振动等因素的调制,结合公式(4),有:

eout=

(5)

要将相位调制器光谱展宽的激光再实现线宽压缩,恢复激光器的窄线宽特性,则需满足:

(6)

δ1sinωmt+δ2sinωnt=0

(7)

(8)

或:

=2Nπ

(9)

4 激光线宽压缩装置设计

根据公式(7)和(8),光纤激光器的线宽压缩系统可以设计为图2、图3的系统[10]。光纤激光器为MOPA结构,激光种子源一般为外调制的窄线宽脉冲激光器,经过相位调制器1将光谱展宽,使得光纤放大器的SBS阈值提高,经过功率放大之后再由相位调制器2进行线宽压缩。为达到线宽压缩条件,两个相位调制器的调制频率相同,调制相位相差π的奇数倍。为实现以上要求,两个相位调制器采用同一个频率源(假设其频率为F),配合不同功率的射频放大器进行驱动,以实现调制频率相同；同时光路中添加一个光纤移相器,用于调节两个相位调制器的相位差,使(n(L0+ΔL))/λ接近2π的整数倍。

图2 相位调制线宽压缩装置结构图

图3 线宽压缩检测

激光线宽压缩装置(如图4所示)的工作调节控制由种子源本振光和线宽压缩后的激光信号相干,检测拍频频率和强度,当光纤移相器连续改变2π相位过程中,检测到的拍频频率nF中n最小(n为整数)、拍频强度最小时,就是光纤移相器的最佳工作点,然后光纤移相器连续跟踪该点进行工作。然后调节相位调制器2的射频驱动功率,同样检测到拍频强度最弱时为相位调制器2的最佳工作点。

图4 线宽压缩控制部分

通常,窄线宽脉冲放大器为了尽量获得更大的峰值功率,末级放大器一般使用低数值孔径大模场光纤(LMA)的放大器,即会造成相位调制器2输入光纤为LMA光纤；同时,相位调制器为了提高端面损伤阈值,也需要扩大输入光斑直径,最终使相位调制器2做成空间光相位调制器,因此两个相位调制器的射频驱动功率是不一致的。

限于实验条件不足,本文仅对线宽压缩装置的理论模型进行了分析。

5 结 语

本文介绍了一种MOPA结构的单频脉冲光纤激光器的激光放大过程中提高SBS阈值的方法,通过相位调制器将单频激光脉冲进行光谱展宽,可以大大提高激光脉冲放大过程中光纤放大器的SBS阈值,再通过第二个相位调制器进行线宽压缩,使激光信号恢复窄线宽特性；本方法相对于温度应力场分布法,所能提高的SBS阈值范围更大。

然而,由于现有相位调制器的端面损伤阈值较低,设计出能够承受大功率激光脉冲的相位调制器,是相位调制展宽激光线宽压缩方法实用化的前提。