第２６卷第９期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９ ２０１４年９月ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｓｅｐ．，２０１４ ２μｍ波段全光纤保偏被动锁模掺铥光纤激光器＊曹丁象１，２，３， 张宝夫４， 王兴龙１（１．光库通讯（珠海）有限公司，广东珠海５１９０８０； ２．天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２；３．解放军７５７３１部队，广东深圳５１８１１２； ４．中山大学物理科学与工程技术学院，广州５１０２７５） 摘 要： 报道了２μｍ波段的全光纤保偏锁模掺铥光纤激光器，通过在法布里－珀罗（Ｆ－Ｐ）腔内加入半导体可饱和吸收镜做为被动锁模器件，采用主振－放大构型，获得了最高输出平均功率为１．０８Ｗ，重复频率为１０．２４ＭＨｚ，脉冲宽度为１５．２４ｐｓ，中心波长为２０５４．６８ｎｍ，光谱宽度约为０．３ｎｍ的２μｍ线偏振激光脉冲输出，激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ。
关键词： 光纤激光器； 被动锁模； 半导体可饱和吸收镜； 掺铥光纤 中图分类号： ＴＮ２４８．１ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０９１０１４ ２μｍ波段光纤激光器在军事对抗、医疗、先进制造业及光伏太阳能等产业中均有着广泛的应用需求［１－３］。
在医疗方面，２μｍ波长高功率掺铥光纤激光器成为高精度外科手术的优良候选光源。
在材料处理方面，２μｍ激光器在材料处理特别是塑料处理方面非常具有吸引力。
激光传感和自由空间光通信方面，２μｍ激光波长是人眼安全的波长，该波长会被晶状体吸收而不会达到视网膜，对眼睛的损伤阈值比短波长更高，因此人眼安全的２μｍ波长激光器具有非常大的潜在市场。
杨末强等研究了增益开关锁模２μｍ铥钬共掺光纤激光器［４］，该激光器腔内不需要锁模器件，结构简单、紧凑，但是输出功率受限于泵浦功率。
王雄等研究了全光纤主动锁模２μｍ掺铥脉冲激光器［５］。
基于半导体可饱和吸收体（ＳＥＳＡＭ）的锁模光纤激光器具有环境稳定性高、易于自启动等优点，其已经成为被动锁模的研究热点之一［６－８］。
刘江等研究了全光纤结构ＳＥＳＡＭ被动锁模２．０μｍ掺铥光纤激光器［７］，得到了８ｎＪ的高能量ｐｓ脉冲，但是该激光脉冲为非偏振光。
本文采用ＳＥＳＡＭ作为激光锁模器件，双包层单模掺铥光纤（ＴＤＦ）作为激光增益介质，通过“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计，实现了２μｍ波段ｐｓ激光脉冲偏振光输出。
１ 实验装置掺铥双包层大模场光纤锁模激光器的实验装置如图１和图２所示。
考虑到锁模激光脉冲的稳定性及ＳＥＳＡＭ的损伤问题，激光器采取了“种子源振荡器＋功率放大器”（ＭＯＰＡ）结构，首先通过主振荡器（ＭＯ）获得数十ｍＷ量级的锁模脉冲输出，然后经功率放大器（ＰＡ）将激光功率提升至目标功率水平。
锁模掺铥光纤激光振荡器采用输出波长为７９３ｎｍ的半导体激光器作为泵浦源，其最大功率为５Ｗ。
泵浦光通过泵浦合束器耦合进长度为２．１ｍ的１０／１３０μｍ（“／”符号前后分别代表芯径直径和内包层直径）的高掺杂浓度、双包层大模场掺铥光纤中。
在增益光纤之后通过熔接３ｍ长的ＳＭＦ－２８光纤来增加激光器腔长，以调节锁模激光的重复频率，同时该光纤也起到了剥离残余泵浦光的作用。
ＳＥＳＡＭ作为激光器系统的锁模元件，与另Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ图１ 保偏锁模掺铥光纤激光器种子源示意图＊收稿日期：２０１３－１２－１６； 修订日期：２０１４－０５－０７基金项目：广东省中国科学院全面战略合作项目（２０１０Ｂ０９０３０００６３）外一个输出耦合镜（对１９００～２１００ｎｍ的激光具有９０％的反射率及１０％的透射率）构成激光器的两个腔镜；激光通过准直器来实现其在光纤中及自由空间中的稳定传输。
掺铥光纤功率放大器主要包括隔离器、输出功率２０Ｗ的多模半导体激光器、泵浦合束器、６ｍ长的双包层大模场掺铥光纤和泵浦剥离器等。
掺铥增益光纤的纤芯直径为２５μｍ，内包层直径为４００μｍ，该增益光纤在７９３ｎｍ处包层吸收率大约为２．４ｄＢ／ｍ。
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ图２ 锁模掺铥光纤激光放大器示意图由于ＳＥＳＡＭ对激光的偏振具有一定的选择性，因此我们的激光器中所采用的光纤均为保偏光纤，而且在准直器与腔镜之间加入了偏振分光片对激光的偏振进行选择，实现了“快轴截止，慢轴传输”的线偏振激光输出。
通过“全光纤嵌入式结构”封装，保证了系统的稳定性，减少了外界环境对激光器光路的影响。
２ 实验结果与讨论锁模掺铥光纤激光器ＭＯ的平均功率随泵浦功率变化的曲线如图３所示。
ＭＯ的激光振荡阈值为０．６４Ｗ，其产生稳定连续锁模脉冲序列的阈值为１．５Ｗ；当泵浦功率升高到２．２３Ｗ，种子激光输出依然保持连续锁模状态，最大平均功率为５６ｍＷ，激光器的斜效率为３．３７％，从７９３ｎｍ泵浦光到２μｍ激光的转换效率为２．５１％。
种子激光的脉冲序列如图４所示，锁模激光脉冲的周期为９７．４ｎｓ，重复频率为１０．２４ＭＨｚ，与ＭＯ ９．７５ｍ的腔长相吻合，可由此判断输出的激光脉冲序列为锁模脉冲序列；但由于探头的响应时间较长（上升沿及下降沿均为１０ｎｓ），图４所示的脉冲宽度有失真。
Ｆｉｇ．３ Ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ＭＯ ｖｅｒｓｕｓ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图３ 锁模掺铥光纤激光器种子源激光输出功率随泵浦功率变化曲线Ｆｉｇ．４ Ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图４ 种子源输出的锁模激光脉冲序列利用分辨率为０．０５ｎｍ的光谱分析仪（ＹＯＫＯＧＡＷＡ）对２μｍ锁模激光脉冲的光谱进行测量，得到了如图５所示的光谱图。
可以看出，锁模激光的中心波长为２ ０５４．６８ｎｍ，３ｄＢ光谱半高全宽为０．３ｎｍ。
锁模掺铥光纤激光器ＰＡ部分的输出平均功率随泵浦功率变化的曲线如图６所示。
由于光纤熔接的损耗及光纤器件带来的插入损耗，当放大器没有泵浦时，放大器输出的锁模激光功率为３．８ｍＷ。
当泵浦功率为１５．９Ｗ时，２μｍ锁模激光的最大平均输出功率为１．０８Ｗ，激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ，即９９．６２％的激光输出为线偏振光。
由于当泵浦功率较小时，激光器中的再吸收效应严重，因此当泵浦功率较大时，激光器的输强激光与粒子束出功率才呈线性增长，线性增长区内激光器的斜效率为１０．６％，从７９３ｎｍ泵浦光到２μｍ激光的转换效率为６．４２％。
Ｆｉｇ．５ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图５ 种子源输出的锁模激光脉冲光谱Ｆｉｇ．６ Ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｖｅｒｓｕｓ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ图６ 锁模掺铥光纤激光器放大器输出功率随泵浦功率变化曲线Ｆｉｇ．７ Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｒａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图７ ２μｍ锁模激光脉冲强度自相关曲线为了准确获得锁模激光的脉冲宽度，利用强度自相关的方法对激光器锁模脉冲进行测量，得到的锁模脉冲强度自相关曲线如图７所示。
由于强度自相关曲线的３ｄＢ脉宽Δτ１为２３．６２ｐｓ，假设脉冲形状为双曲正割曲线，ＴＦＷＨＭ＝Δτ１１．５５＝１５．２４ｐｓ（１）因此可以计算得到实际的锁模脉冲宽度应为１５．２４ｐｓ。
我们对整个掺铥光纤激光器的输出功率和光谱进行了长达２４ｈ的监测，没有发现较明显的波动，从而充分证明“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计更利于激光器的长期稳定工作。
３ 结 论实现了“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计，整个光纤激光器采用了ＭＯＰＡ结构设计，种子源采用７９０ｎｍ的多模半导体激光器作为抽运源、双包层掺铥光纤作为激光增益介质以及ＳＥＳＡＭｓ作为锁模器件，实现了重复频率１０．２４ＭＨｚ，脉冲宽度１５．２４ｐｓ，中心波长２ ０５４．６８ｎｍ，光谱宽度约０．３ｎｍ的激光脉冲输出，最大输出功率为５６ｍＷ。
种子源经过一级掺铥光纤放大器后，获得了１．０８Ｗ的高平均功率线偏振ｐｓ脉冲输出，激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ。
参考文献：［１］ Ｆｒｉｔｈ Ｇ，ＭｃＣｏｍｂ Ｔ，Ｓａｍｓｏｎ Ｂ，ｅｔ ａｌ．Ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ ７９０ｎｍ－ｐｕｍｐｅｄ Ｔｍ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ＤＩＲＣＭ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ．２００８：７１１５０７．［２］ Ｋｏｃｈ Ｇ Ｊ，Ｂｅｙｏｎ Ｊ Ｙ，Ｂａｒｎｅｓ Ｂ Ｗ，ｅｔ ａｌ．Ｈｉｇｈ－ｅｎｅｒｇｙ ２μｍ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｌｉｄａｒ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｏｐｔ Ｅｎｇ，２００７，４６：１１６２０１．［３］ Ｓｃｏｔｔ Ｎ Ｊ，Ｔｈｕｌｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｒｉｎａｒｙ ｓｔｏｎｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｍａｌｌ－ｃｏｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊ Ｓｅｌ Ｔｏｐ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２００９，１５（２）：４３５－４４０．［４］ 杨未强，张斌，侯静，等．增益开关锁模２μｍ铥／钬共掺光纤激光器［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１２，２４（１１）：２５２１－２５２２．（Ｙａｎｇ Ｗｅｉｑｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎ，Ｈｏｕ Ｊｉｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｇａｉｎ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ａｎｄ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ２μｍ Ｔｍ／Ｈｏ－ｃｏｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ．Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ，２０１２，２４（１１）：２５２１－２５２２）［５］ 王雄，周朴，王小林，等．全光纤主动锁模２μｍ掺铥脉冲激光器［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１３，２５（１０）：２４７７－２４７８．（Ｗａｎｇ Ｘｉｏｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｐｕ，Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｌｉｎ，ｅｔ ａｌ．Ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ａｃｔｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ Ｔｍ－ｄｏｐｅｄ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ａｔ ２μｍ．Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ，２０１３，２５（１０）：２４７７－２４７８）［６］ 刘江，王璞．瓦级输出全光纤结构２．０μｍ掺铥皮秒脉冲光纤激光器［Ｊ］．中国激光，２０１２，３９：０８０２００４．（Ｌｉｕ Ｊｉａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｐｕ．２．０μｍ ｔｈｕｌｉ－ｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｗａｔｔｓ－ｌｅｖｅｌ ａｖｅｒａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｓｅｒｓ，２０１２，３９：０８０２００４）曹丁象等：２μｍ波段全光纤保偏被动锁模掺铥光纤激光器强激光与粒子束［７］ 刘江，徐佳，王潜，等．高能量全光纤结构被动锁模２．０μｍ掺铥超短脉冲光纤激光器［Ｊ］．中国激光，２０１２，３９：０６０２００９．（Ｌｉｕ Ｊｉａｎｇ，Ｘｕ Ｊｉａ，Ｗａｎｇ Ｑｉａｎ，ｅｔ ａｌ．Ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｅｄ ２．０μｍ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ａｌｌ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｓｅｒｓ，２０１２，３９：０６０２００９）［８］ Ｗａｎｇ Ｑ，Ｇｅｎｇ Ｊ，Ｌｕｏ Ｔ，ｅｔ ａｌ．Ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ２μｍ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｌｙ ｔｈｕｌｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｆｉｂｅｒ［Ｊ］．Ｏｐｔ Ｌｅｔｔ，２００９，３４（２３）：３６１６－３６１８．Ａｎ ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ，ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ２μｍ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒＣａｏ Ｄｉｎｇｘｉａｎｇ１，２，３， Ｚｈａｎｇ Ｂａｏｆｕ４， Ｗａｎｇ Ｘｉｎｇｌｏｎｇ１（１．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ（Ｚｈｕｈａｉ），Ｌｔｄ．Ｚｈｕｈａｉ ５１９０８０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＆Ｏｐｔｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；３．Ｕｎｉｔ ７５７３１，ＰＬＡ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８１１２，Ｃｈｉｎａ；４．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｎ Ｙａｔ－ｓｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０２７５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｌｌ－ｆｉｂｅｒ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ－ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ２μｍ ｒｅｇｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｍｉｒｒｏｒ（ＳＥＳＡＭ）ｉｎ ａ Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ（Ｆ－Ｐ）ｃａｖｉｔｙ，ｕｓｉｎｇ ｍａｓｔｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｐｏｗｅｒ ａｍ－ｐｌｉｆｉｅｒ（ＭＯＰＡ）ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ １５．２４ｐｓ ｐｕｌｓｅｓ ａｔ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ １０．２４ＭＨｚ，ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ１．０８Ｗ．Ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ２μｍ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｓ ０．３ｎｍ，ａｎｄ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｐｕｌｓｅｓ ｗａｓ ２４．１７ｄＢ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ； ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ； ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｍｉｒｒｏｒ； ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ＰＡＣＳ： ４２．５５．Ｗｄ； ４２．６０．Ｒｎ； ４２．６５．Ｒｅ。