1 引言
超短脈沖激光由于具有高峰值功率、窄脈沖寬度、高重復頻率等特點，已經成為激光技術的一個重要研究方向。如今，在工業(yè)精細加工、精密測量、生物、醫(yī)療、光通信、軍事等各個領域，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的鎖模光纖激光器近年來發(fā)展迅猛，特別是進入20世紀80年代后期，隨著光纖技術的快速發(fā)展，以及大功率半導體激光器(LD)技術的不斷突破，鎖模光纖激光器，以其轉換效率高、散熱性能好、結構緊湊等優(yōu)點成為了激光技術研究和應用的熱點之一。
鎖模光纖激光器從技術層面主要分為主動鎖模和被動鎖模兩種。主動鎖模光纖激光器通常在腔內采用調制器件，這會產生腔體的附加損耗，由于調制器件多為非光纖元件，其引入難以實現(xiàn)全光纖化集成，制約了該技術的全光纖化發(fā)展；同時，主動鎖模容易受到外界環(huán)境，諸如溫度變化，機械振動，以及超模噪聲，諧振腔內偏振態(tài)起伏等因素的影響，需要很多復雜的技術來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結果是大大增加了系統(tǒng)的復雜性并提高了激光器的成本。反觀被動鎖模光纖激光器，由于結構簡單、性能穩(wěn)定、便于集成等優(yōu)點受到國內外很多科研機構的廣泛關注，并在通信、醫(yī)學、加工、傳感和探測等眾多領域得到了越來越廣泛的應用。
被動鎖模光纖激光器主要通過采用非線性光學環(huán)形鏡，非線性偏振旋轉和基于半導體可飽和吸收鏡等機制來實現(xiàn)。其中，基于半導體可飽和吸收鏡（SESAM）的被動鎖模技術由于具有設計靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定、自啟動等諸多優(yōu)點，同時，半導體可飽和吸收鏡在制備過程中可靈活控制調制深度、恢復時間、飽和通量等關鍵參數(shù)，并且根據需要可加工集成在光纖端頭上，便于全光纖化，因此，該類型被動鎖模光纖激光器在實際應用領域被廣泛關注。
本文采用主振蕩功率放大(MOPA)結構，利用基于半導體可飽和吸收鏡的鎖模光纖激光器作為種子源，通過三級放大實現(xiàn)了平均功率74.3W的被動鎖模光纖激光器。實驗中分析了種子源的不同狀態(tài)，以及這些狀態(tài)對放大級的影響，同時，通過重復頻率倍增系統(tǒng)，在增加重頻的同時，加之對放大級光纖長度的優(yōu)化，減小了非線性效應對輸出功率的影響。
2 實驗方案
圖1是實驗結構示意圖。整個激光器由五部分組成：被動鎖模光纖種子源、預放大器、重復頻率倍增系統(tǒng)、一級功率放大器、二級功率放大器。
該激光器的種子源是基于半導體可飽和吸收鏡(SESAM)線性腔結構的被動鎖模光纖激光器。種子源結構示意圖如圖2所示。泵浦源為帶尾纖的975nm半導體激光器，最大泵浦功率約550mW，其驅動源帶有溫控系統(tǒng)，可保證輸出波長的穩(wěn)定性為了防止泵浦源被回光損傷，在其末端熔接一個泵浦保護器。泵浦保護器的另一端與光纖布拉格光柵(FBG)熔接，泵浦光經光柵(FBG)注入諧振腔。該光柵(FBG)中心波長1063.4 nm，3dB帶寬0.15nm，反射率95%，作為腔內的一個反射鏡。光纖分束器OC一端連接光纖光柵，另一側70%分光端連接增益光纖，用于將泵浦光耦合進增益光纖，30%端用于激光輸出；增益光纖采用了2m長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，實現(xiàn)諧振腔的閉合。根據SESAM的特性，腔內的強激光脈沖經尾纖匯聚在SESAM上，由于其對強脈沖吸收率低，反射后沿原路返回進增益光纖，弱激光脈沖由于SESAM吸收而被抑制，如此多次循環(huán)，強脈沖不斷被放大并最終輸出高強度窄脈寬脈沖序列。實驗中采用的是BATOP公司生產的吸收層為多量子阱結構的SESAM，高反區(qū)1010 ～ 1120nm，反射率大于40%，調制深度30%，飽和通量30μJ/cm2，非飽和吸收損耗15%，恢復時間為9 ps。OC輸出端連接的偏振控制器是一個光纖型偏振控制器件，其作用是為了調節(jié)激光的偏振態(tài)；之后連接一段0.55m的摻鐿光纖用于對多余的泵浦光進行吸收，末端連接的光纖隔離器(ISO)是防止放大級的回光損傷種子源。
預放大器的增益介質采用與種子源相同的高濃度單模摻鐿光纖，長度2.5m。泵浦源同樣采用550mW帶尾纖的975nm半導體激光器。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器。泵浦光通過WDM耦合入增益光纖，對種子光進行放大。在預放大級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算脈沖間隔和延遲時間使得一個脈沖周期內的脈沖數(shù)量得以增加。
功率放大器分兩級結構，一級功率放大器采用的是Nufern公司生產10/130雙包層摻鐿光纖，泵浦源采用OCLARO公司生產的一只25W，中心波長975nm的半導體激光器；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。二級功率放大器采用的是Nufern公司生產25/250雙包層摻鐿光纖；為了提高功率，泵浦源采用了4只OCLARO公司生產的25W，中心波長975nm的半導體激光器，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。
