程麗君 楊蘇輝2)? 趙長明 張海洋

1)(北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京 100081)

2)(精密光電測試儀器及技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

1 引 言

載波調(diào)制激光雷達(dá)采用射頻強(qiáng)度調(diào)制的光源作為載波進(jìn)行探測,兼具激光雷達(dá)和微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn),近年來得到廣泛關(guān)注,尤其是其抗大氣干擾及散射的能力使得載波調(diào)制激光雷達(dá)在相干探測、成像、大氣污染監(jiān)測等方面有重要應(yīng)用[1?5].要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)作用距離的高精度測距,則需要寬帶可調(diào)諧高功率載波調(diào)制光源,雙頻激光器是實(shí)現(xiàn)寬帶高功率載波調(diào)制光源的有效手段,近年來得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

2005年,法國雷恩大學(xué)Brunel等[6]利用鉭酸鋰晶體搭建了雙頻固體激光器,同時(shí)結(jié)合電光調(diào)制和溫度調(diào)制實(shí)現(xiàn)了0—60 GHz的大頻差可調(diào)諧雙頻激光輸出,功率為4 mW;2011年,Maxin等[7]利用單頻分步反饋光纖激光器的光柵的各向異性實(shí)現(xiàn)了雙頻激光輸出,其拍頻的調(diào)節(jié)范圍約600 MHz,功率為300 mW;2015年,西安理工大學(xué)邢俊紅和焦明星[8]在單頻激光器內(nèi)加入分光器件形成雙腔結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)激光的雙頻輸出,其中雙頻激光的頻差為0.3—3 GHz,功率為53 mW.在大功率雙頻激光的實(shí)現(xiàn)方面,2014年,胡淼等[9]將一個(gè)雙縱模輸出的激光進(jìn)行行波放大,放大器用兩個(gè)半導(dǎo)體808 nm激光器同時(shí)抽運(yùn),得到2.38 W的雙頻激光,頻差為47 GHz;2015年,He等[10]通過一級(jí)光纖放大裝置將雙頻激光功率放大至10 W,頻差調(diào)諧范圍為125—175 MHz;國防科技大學(xué)對(duì)雙波長光纖放大器的特點(diǎn)進(jìn)行了深入研究[11],為了抑制光纖放大器中的非線性效應(yīng),利用三級(jí)光纖放大系統(tǒng)將頻差為150 MHz的雙頻激光放大至434 W[12].上述研究中側(cè)重各自的應(yīng)用方向,分別實(shí)現(xiàn)了大頻差或高功率,但是沒有同時(shí)達(dá)到寬調(diào)諧范圍和高功率的研究結(jié)果,而高功率寬帶射頻強(qiáng)度調(diào)制光源是遠(yuǎn)距離測距和成像所必不可少的.

本文將大頻差連續(xù)可調(diào)諧雙頻激光和光纖放大結(jié)合,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了雙頻激光的大頻差調(diào)諧范圍和高功率輸出,對(duì)光纖放大前后雙頻激光源的功率穩(wěn)定性、雙頻頻差可調(diào)諧性以及雙頻頻差的頻率穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果顯示光纖放大器可以很好地保持雙頻種子源的指標(biāo),該寬帶可調(diào)諧雙頻激光源將用于遠(yuǎn)距離高分辨率激光掃描成像系統(tǒng)中.

2 雙頻激光種子源

如圖1所示,激光器為激光二極管(LD)端面抽運(yùn)Nd:YAG直腔結(jié)構(gòu),腔長L=50 mm.LD抽運(yùn)光經(jīng)過耦合系統(tǒng)聚焦在Nd:YAG晶體端面,聚焦光斑直徑為50μm.晶體的尺寸為?8 mm×1 mm,采用熱電致冷器進(jìn)行冷卻,溫度為20°C±0.1°C,在其端面M1鍍808 nm高透、1064 nm高反膜作為抽運(yùn)光的輸入端腔鏡,另一面M2不鍍膜,自然反射率約8%,輸出耦合鏡M3為曲率半徑R=100 mm的凹面鏡,其對(duì)1064 nm激光的功率透過率為5%,鏡面M1,M2和M3一起形成耦合腔,使低增益激光器形成單縱模振蕩[13,14],耦合腔的選頻原理與復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)具組的選頻原理類似,即只有同時(shí)滿足兩個(gè)腔的諧振條件的縱模才能形成穩(wěn)定振蕩.腔內(nèi)插入通光孔徑為0.5 mm的小孔光闌用以限制高階橫模的振蕩,測量得到輸出激光的M2等于1.13.

兩個(gè)四分之一波片(P1和P2)使單縱模振蕩的激光分裂成兩個(gè)正交偏振模式,并且產(chǎn)生頻率分裂,已知兩個(gè)四分之一波片的瓊斯矩陣分別為

式中α,β分別是入射光的偏振方向與P1快軸和P2快軸之間的夾角,則激光腔內(nèi)兩個(gè)本征模的向量互相垂直,本征頻率差為Δυ=Δθc/(πL),其中Δθ=|α?β|為兩波片快軸之間的夾角,c是真空中光速,旋轉(zhuǎn)P2改變?chǔ)う?即可得到頻差可調(diào)諧的雙頻激光輸出[15].當(dāng)Δθ=π/4時(shí),可得到最大頻差為縱模間隔一半的雙頻激光輸出,即最大頻差為c/(4L).

激光器輸出功率為9.5 mW時(shí),旋轉(zhuǎn)P2改變兩波片之間角度,令Δθ在0—45°之間變化,實(shí)驗(yàn)測得Δθ與Δυ之間的關(guān)系如圖2所示.

實(shí)際操作中隨著雙頻頻差從0增加到c/(4L),會(huì)發(fā)生跳?，F(xiàn)象.如圖3(a)所示,是縱模υq的兩個(gè)偏振態(tài)成分,是縱模υq?1的兩個(gè)偏振態(tài)成分,當(dāng)雙頻頻差較小時(shí),的增益超過閾值,形成穩(wěn)定雙頻振蕩,隨著兩者的頻差增大為c/(4L),如圖3(b)所示,的頻率差也變成c/(4L),此時(shí)的增益超過的增益,輸出光變?yōu)?發(fā)生跳?，F(xiàn)象.

圖1 雙頻激光器示意圖(AP,光闌;OC,輸出耦合鏡)Fig.1.Dual-frequency laser setup.AP,aperture;OC,output coupler.

圖2 雙頻頻差Δυ隨兩個(gè)四分之一波片快軸夾角Δθ的變化Fig.2.Frequency difference Δυ versus the angle between the two fast axes Δθ.

圖3(a)雙頻激光振蕩模式示意圖;(b)雙頻頻差等于c/(4L)時(shí)發(fā)生跳模Fig.3.(a)Dual frequency laser modes;(b)longitudinal modes hopping when frequency difference approaches c/(4L).

輸出雙頻光經(jīng)Fabry-Perot(F-P)干涉儀掃描后在示波器上波形如圖4所示,其中第一個(gè)圖中的紅線表示F-P干涉儀的掃描電壓,Δt是掃描時(shí)間間隔,不同掃描時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)不同頻差Δυ.

由于雙頻激光的兩個(gè)分量的偏振方向相互垂直,因此利用格蘭棱鏡,令雙頻光的兩個(gè)偏振方向與格蘭棱鏡的偏振方向成45°放置,雙頻激光通過后可以形成拍頻信號(hào),用頻譜儀測量得到的拍頻信號(hào)如圖5所示,可以看出隨著四分之一波片的轉(zhuǎn)動(dòng),拍頻信號(hào)從100 MHz到1.5 GHz連續(xù)可調(diào)諧,信噪比大于25 dB.

圖4 不同頻差的雙頻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.

圖5 不同頻差的雙頻激光拍頻信號(hào)在頻譜儀上的顯示Fig.5.Different beat-notes shown in frequency spectrograph.

實(shí)驗(yàn)測量了雙頻激光的功率在30 min內(nèi)的穩(wěn)定性,如圖6所示.雙頻激光功率的變化范圍小于0.8 mW,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式

其中Si為樣本值,ˉS為樣本均值,n是樣本個(gè)數(shù),將測得的激光功率作為樣本得到功率的標(biāo)準(zhǔn)差為0.145 mW,相對(duì)穩(wěn)定性為1.52%.雙頻激光功率的抖動(dòng)主要是同相噪聲和反相噪聲引起,其中同相噪聲由弛豫振蕩引起[16,17],反相噪聲由兩個(gè)偏振模式對(duì)上能級(jí)粒子數(shù)的競爭引起[18,19].

使用高精度頻率計(jì)測量了拍頻信號(hào)的穩(wěn)定性,如圖7所示.20 min內(nèi)拍頻的頻率上下浮動(dòng)范圍小于8 MHz,代入標(biāo)準(zhǔn)差公式得出拍頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差為1.6144 MHz,相對(duì)穩(wěn)定性為0.64%,其中拍頻信號(hào)的抖動(dòng)是由晶體溫度的浮動(dòng)引起的.

圖6 雙頻激光在30 min內(nèi)的功率穩(wěn)定性Fig.6.Power stability during 30 min.

圖7 雙頻頻差在20 min內(nèi)的頻率穩(wěn)定性Fig.7.Beat-note frequency stability during 20 min.

3 雙頻光纖功率放大系統(tǒng)

3.1 三級(jí)光纖放大裝置

采用半導(dǎo)體抽運(yùn)光纖功率放大器對(duì)雙頻種子光進(jìn)行放大,光纖放大器實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示.把自聚焦光纖準(zhǔn)直器反向應(yīng)用,將雙頻種子光耦合進(jìn)入單模光纖,耦合效率為33.7%,當(dāng)種子光功率為9.5 mW時(shí),耦合入光纖的功率為3.2 mW,由于種子源功率較低,為了抑制光纖中的自發(fā)輻射放大噪聲,采用三級(jí)放大系統(tǒng)[20],抽運(yùn)源均采用波長為976 nm的半導(dǎo)體激光器.第一級(jí)放大階段抽運(yùn)功率為600 mW,增益光纖為單模摻Y(jié)b3+光纖(5 m,6/125μm,NA=0.13),抽運(yùn)光和種子激光分別經(jīng)過光隔離器通過波分復(fù)用耦合器同向耦合進(jìn)入增益光纖,經(jīng)過第一級(jí)放大,雙頻激光的功率被放大為百毫瓦量級(jí);第二級(jí)放大階段抽運(yùn)功率為10 W,功率被放大至瓦量級(jí),其中增益光纖為雙包層摻Y(jié)b3+光纖(5 m,10/125μm,NA=0.075/0.46),模場適配器(MFA)用來匹配傳輸光纖和增益光纖的不同芯徑,進(jìn)而減小損耗,光功率剝離器(CPS)在光纖輸出端,用于去除內(nèi)包層中殘留抽運(yùn)光和從纖芯泄漏到內(nèi)包層中傳輸?shù)姆糯笞园l(fā)輻射,使纖芯內(nèi)的信號(hào)光保持良好的光束質(zhì)量;第三級(jí)放大階段抽運(yùn)功率為70 W,由兩個(gè)35 W半導(dǎo)體激光源經(jīng)過(2+1)×1光纖合束器提供,雙頻激光的功率被放大至50 W,其中增益光纖為雙包層摻Y(jié)b3+光纖(5 m,25/250μm,NA=0.065/0.46).

圖8 雙頻激光三級(jí)光纖放大示意圖Fig.8.Dual-frequency laser three-stage fiber ampli fier.

信號(hào)光在增益光纖內(nèi)放大過程中的傳輸方程為

式中,PP(z),PS(z)分別是抽運(yùn)光功率和信號(hào)光功率隨傳輸距離z變化的函數(shù);分別是抽運(yùn)光的發(fā)射和吸收橫截面積;分別是信號(hào)光的發(fā)射和吸收橫截面積;αP=0.04,αS=0.005分別是抽運(yùn)光和信號(hào)光的吸收系數(shù);ΓP=0.01,ΓS=0.9964分別是抽運(yùn)光和信號(hào)光的重疊因子;N(r,θ,z)=5×1025/m3是Yb3+的摻雜濃度,且有

是上能級(jí)粒子濃度,其中υP和υS分別是抽運(yùn)光和信號(hào)光的光頻率,h是普朗克常數(shù),τ21=840μm為上能級(jí)粒子壽命,Acore是光纖纖芯橫截面.

圖9 不同抽運(yùn)功率下第三級(jí)光纖放大的數(shù)值模擬Fig.9.Numerical simulation of pump power and seed power versus the gain fiber length with different initial pump power.

由于光纖放大器每級(jí)之間是熔接在一起的,所以無法測量中間兩級(jí)的輸出功率,本文只對(duì)第三級(jí)的抽運(yùn)光功率和輸出光功率的關(guān)系進(jìn)行了理論計(jì)算.由于第三級(jí)抽運(yùn)光源打開之前,輸出光功率為1 W,因此設(shè)信號(hào)光經(jīng)過前兩級(jí)放大后功率為1 W,即PS(0)=1 W,分別令PP(0)=70,50,30 W,數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖9所示.可以看出,增益光纖長度大于5 m后對(duì)信號(hào)放大不再有貢獻(xiàn),所以該系統(tǒng)的最佳光纖長度為5 m,當(dāng)抽運(yùn)光為70 W時(shí),輸出光功率超過50 W,與實(shí)驗(yàn)的輸出功率50.2 W結(jié)果相符.

3.2 雙頻激光放大結(jié)果

當(dāng)?shù)谌?jí)放大的抽運(yùn)光功率為70 W時(shí),輸出雙頻激光功率為50.2 W.將該雙頻激光經(jīng)過一系列準(zhǔn)直和衰減進(jìn)入F-P干涉儀,得到雙頻波形如圖10所示.圖中雙頻峰值功率的比值在不同頻差情況下發(fā)生變化,是由于種子的雙頻成分之間存在增益競爭產(chǎn)生的此起彼伏.事實(shí)上由于雙頻的兩個(gè)頻率非常接近,它們在光纖中的增益幾乎一致,不存在增益競爭而引起的功率起伏,實(shí)驗(yàn)中觀察到放大后兩個(gè)頻率成分的功率比值與放大前相比沒有變化.

50 W的雙頻激光拍頻信號(hào)如圖11所示,可以看出放大后的雙頻激光信噪比超過40 dB.

圖10 50 W雙頻激光在不同頻差下的示波器波形圖Fig.10.Ampli fied dual-frequency laser modes at different Δυ shown on an oscilloscope.

圖11 50 W雙頻激光拍頻信號(hào)的測量結(jié)果Fig.11.Beat-note frequency of 50 W dual-frequency laser shown on spectrometer.

功率穩(wěn)定性測量結(jié)果如圖12所示,在前20 min內(nèi)輸出光功率隨著時(shí)間的增加從50.2 W逐漸下降到49.3 W,最后穩(wěn)定在49.3 W和49.4 W之間,測量功率的波動(dòng)幅度在擬合值附近0.1 W范圍內(nèi).在功率測量的初始階段,由于增益光纖的溫度逐漸升高引起放大效率下降,導(dǎo)致輸出光功率減小,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后,測量結(jié)果趨于穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)增益光纖采取了風(fēng)冷方式進(jìn)行控溫,由于風(fēng)冷裝置的功率限制導(dǎo)致增益光纖與周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長.

同樣,實(shí)驗(yàn)測量了50 W雙頻激光在連續(xù)工作20 min內(nèi)的頻率穩(wěn)定性,如圖13所示,可以看出拍頻信號(hào)的頻率波動(dòng)范圍約為8 MHz,代入方差計(jì)算公式計(jì)算可得σ=1.777 MHz,相對(duì)頻率穩(wěn)定性為0.71%.

圖12 50 W雙頻激光的功率穩(wěn)定性測量Fig.12.Power stability at 50 W during 30 min.

圖13 50 W雙頻激光拍頻信號(hào)的頻率穩(wěn)定性Fig.13.Beat-note frequency stability of 50 W DF laser during 20 min.

4 結(jié) 論

本文采用雙頻固體振蕩器結(jié)合光纖功率放大器的方案,實(shí)現(xiàn)了高功率寬調(diào)諧范圍的射頻強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)激光輸出,其中射頻調(diào)制范圍為30 MHz—1.5 GHz,最高輸出功率50 W,雙頻信號(hào)的信噪比高于40 dB.若在雙頻激光源中加入自動(dòng)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行線性調(diào)頻,則該光源可用于線性調(diào)頻激光雷達(dá)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)同時(shí)測速測距的功能;若將高功率雙頻信號(hào)進(jìn)行倍頻,則可實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)諧的532 nm強(qiáng)度調(diào)制激光輸出,用于水下探測及成像.

[1]He Y,Wu J 1998Laser Optoelectr.Prog.35 29(in Chinese)[何毅,吳健1998激光與光電子學(xué)進(jìn)展35 29]

[2]Li Z G,Sun Z Z,Zhao Z L,Zhu X P 2016 Laser&Infrared 46 1467(in Chinese)[李志剛,孫澤中,趙增亮,竹孝鵬2016激光與紅外46 1467]

[3]Zheng Z,Zhao C,Zhang H,Yang S,Zhang D,Yang H,Liu J 2016 Opt.Laser Tech.80 169

[4]Wang S,Yang S H,Wu X,Zhu Q H 2010 Chin.Phys.Lett.27 084202

[5]Pellen F,Jezequel V,Zion G,Jeune B L 2012 Appl.Opt.51 7690

[6]Brunel M,Amon A,Vallet M 2005 Opt.Lett.30 2418

[7]Maxin J,Molin S,Pillet G,Morvan L 2011 IEEE Photon.Conference 58 479

[8]Xing J H,Jiao M X 2015 Acta Photon.Sin.44 0214003(in Chinese)[邢俊紅,焦明星 2015光子學(xué)報(bào) 44 0214003]

[9]Hu M,Zhang F,Zhang X,Zheng Y Y,Sun X,Xu Y X,Xu W Z,Ge J H,Xiang Z 2014 Acta Opt.Sin.34 1114003(in Chinese)[胡淼,張飛,張翔,鄭堯元,孫驍,徐亞希,許偉忠,葛劍虹,項(xiàng)震2014光學(xué)學(xué)報(bào)34 1114003]

[10]He T,Yang S,Zhao C,Zhang H,Liang Y,Kang Y 2015 Laser Phys.Lett.12 035101

[11]Du W B,Leng J Y,Zhu J J,Zhou P,Xu X J,Shu B H 2012 Acta Phys.Sin.61 114203(in Chinese)[杜文博,冷進(jìn)勇,朱家健,周樸,許曉軍,舒柏宏 2012物理學(xué)報(bào) 61 114203]

[12]Huang L,Li L,Ma P,Wang X,Zhou P 2016 Opt.Express 24 26722

[13]Li J,Yang S,Zhao C,Zhang H,Xie W 2011 Appl.Opt.50 1329

[14]Keller U,Knox W H,Roskos H 1990 Opt.Lett.15 1377

[15]Draegert D 1971 IEEE J.Quantum Elect.7 300

[16]Tang C L,Statz H,Demars G 1963 J.Appl.Phys.34 2289

[17]Cheng L J,Yang S H,Zhao C M,Zhang H Y 2017 Acta Opt.Sin.37 0714002(in Chinese)[程麗君,楊蘇輝,趙長明,張海洋2017光學(xué)學(xué)報(bào)37 0714002]

[18]Wiesenfeld K,Bracikowski C,James G,Roy R 1990 Phys.Rev.Lett.65 1749

[19]Park J D,Mckay A M,Dawes J M 2009 Opt.Express 17 6053

[20]Leng J Y,Wu W M,Chen S P,Hou J,Xu X J 2011 Acta Opt.Sin.31 0606007(in Chinese)[冷進(jìn)勇,吳武明,陳勝平,侯靜,許曉軍2011光學(xué)學(xué)報(bào)31 0606007]