利用高速光强度调制器对线宽为70kHz的单频连续(CW)光纤激光器发出的激光进行调制，获得了100MHz高重频、1ns窄脉宽激光输出，调制后脉冲激光的线宽小于0.8GHz。利用光纤激光放大器和 Nd∶YVO4固体激光放大器的混合放大装置进行放大，在一级固体激光放大后输出平均功率为13W，在二级固体激光放大后获得了32.9W 的脉冲激光输出。实验中对调制后单频窄脉宽的小信号激光采用光纤激光放大器进行预放大，预放大输出激光功率达到2W 后采用固体激光放大器放大，从而避免了单频窄脉宽激光在光纤放大器中极易产生的受激散射和放大自发辐射(ASE)所导致的放大器损坏。放大后的激光仍保持了0.8GHz线宽和1ns脉宽、100MHz重频。这样的输出激光在一些特殊要求中可以获得应用。

　　1　引言

　　窄线宽高重频固体激光器以其线宽窄、噪声低等优点在光纤通信、光纤传感、材料技术等领域有着重要的应用。近些年来，随着天文光学的发展，高重频、窄线宽光纤激光器在地基天文观测领域又有了新的应用前景。目前国内外研究中，实现高重复频率的方法主要有调犙、锁模、调制三大类[1-14]。调犙方法以声光调犙 为主，到目前为止，国内外以激光二极管(LD)抽运声光调犙方式工作的激光，可达到的最高脉冲重复频率为兆赫兹量级[2-3]，调犙脉冲的宽度在几纳秒到几十纳秒的范围。锁模方法可实现几兆赫兹到百兆赫兹的重复频率，脉冲宽度在皮秒到百皮秒量级，由于大部分研究没有采取任何选纵模措施，其谱线宽度非常大，波长稳定性也受到限制。对连续激光进行调制获得高重频窄脉宽的方法,在光通信领域有较多的研究和应用，目前最高调制频率甚至可高达40GHz，调制器件波长也均在通信波段。对光纤激光器1064nm 输出激光进行外调制实现高重频窄脉宽的方法，目前见到报道的有美国 Aculight公司的Loftus等[1]在进行光纤激光器的光谱光束合成的研究中，以单纵模外腔二极管激光器作为主振荡器种子，对其输出的窄线宽连续激光进行调制。并通过多级光纤激光器作预放，再经过光纤二级放大，获得了重复频率为10MHz、脉宽为5ns、线宽小于1GHz的脉冲激光，输出平均功率超过100W。

　　本文报道了一种获得高功率、高重复频率、窄线宽、窄脉冲激光的方法，利用高速光强度调制器对单频连续激光光源进行调制，获得了100MHz高重频、1ns窄脉宽的激光输出，调制后脉冲激光的线宽小于0.8GHz。利用光纤激光放大器和固体激光放大器的混合放大装置进行功率放大，最终获得了32.9W的脉冲激光输出。这种混合式放大的方法，既可以在小信号的情况下利用光纤放大器单模和偏振态保持的优势，又可以利用固体放大器功率抽取效率高的优势，从而避免了使用光纤放大器作高功率放大时在窄线宽窄脉冲和高重复频率条件下极易产生的受激散射效应和放大自发辐射(ASE)效应，进而避免高功率下的光纤放大器的损坏。

　　2　实验装置和步骤

　　高重频窄脉宽激光混合放大实验装置如图1所示。由单频连续光纤激光器通过单模光纤进入高速光强度调制器，利用超高频任意波发生器产生100MHz重复频率、1ns脉冲宽度的电信号作为调制信号对连续激光进行调制，调制后的激光信号通过光纤隔离器进入光纤放大器。单频连续光纤激光器采用丹麦 NKT公司型号为KoherasBASIKModuleY10的单频连续光纤激光器，输出的单频连续激光中心波长为1064.2nm，　　并且可以在±0.35nm 范围内连续可调，输出激光为线偏振光，线宽为 70kHz，最大平均功率为10mW，光束质量因子 犕2<1.05。高速光强度调制器采用法国Photline公司产品，调制中心波长为1064nm，输出线偏振光，调制脉冲宽度典型值为1ns，脉 冲 重 复 频 率 可 达 500 MHz，典 型 值 为100MHz。超 高 频 任 意 波 发 生 器 采 用 美 国Tektronix公司 AWG7122B任意波发生器，采样率为12GS/s。由该任意波发生器所产生的高重频脉冲电信号控制高速光强度调制器，获得所需的调制信号，以此来控制被调制的激光重复频率和脉冲宽度。实验中调制频率可以从10MHz连续变化到100MHz，调制脉冲宽度从1ns连续变化到10ns。

　　图1 外调制100MHz，1ns单频混合式激光放大装置示意图

　　实验中的调制典型值为重复频率100MHz，脉冲宽度1ns。这一调制信号对连续激光进行调制，得到调制后的脉冲激光输出的平均功率小于1mW。经过单模保偏光纤的耦合，调制激光通过光纤隔离器进入光纤预放大器。光纤预放大器由两级组成，其中一级预放使用了 Nufern公司型号为PMYSFHI的单模光纤，长度为7.5m，芯径为6μm，包层为125μm，数值孔径(NA)为0.110，抽运光源为波长为980nm的LD。一级预放后的脉冲激光经过隔离器和合束器后进入光纤二级预放，二级预放使用的是型号为PLMAYDF10/125VIII的双包层光纤，长度为6.5m，芯径为10μm，包层为125μm，NA为0.075，采用975nm的LD模块抽运。经过一级预放大器后的输出平均功率在几十毫瓦，经过光纤二级预放大器后的输出平均功率可以达到2W。由光纤放大器输出的脉冲激光经过偏振隔离器、准直器、耦合透镜，再由双色耦合镜 M1 反射到LD双端面抽运的 Nd∶YVO4固体激光放大器进行放大。耦 合 透 镜 coupler1 的 焦 距 犳 在 100～500mm间可调，透镜到固体激光放大器的右端面之间的距离为2犳。固体激光放大器中的抽运光源为德国DILAS公司生产的高功率光纤耦合输出的半导体激光器，光纤端面直径为400μm，NA为0.22，LD输出50W 中心波长为808nm的激光，从介质Nd∶YVO4复合晶体两个端面入射到晶体内进行抽运。双色耦合镜 M1 和双色输出镜 M2 对808nm抽运光具有高透射率，使得抽运光在放大过程中损耗很小;对1064nm激光具有高反射率。耦合透镜coupler2和耦合透镜coupler3的表面以及固体激光介质Nd∶YVO4复合晶体两个端面都镀了对808nm抽运光和1064nm激光具有高透射率的介质膜，以减少抽运光和放大激光在放大过程中的损耗，耦合透镜coupler2和耦合透镜coupler3到Nd∶YVO4复合晶体的二个端面之间的距离对称。基于 Nd∶YVO4的偏振吸收特性和偏振输出特性，应使得单纵模光纤激光器输出激光的偏振方向与 Nd∶YVO4的偏振吸收方向一致。经过晶体放大后输出的1064nm激光平均功率达到13 W，从双色输出镜M2 反射出第一放大器。在第一级固体放大器后安置第二级固体放大器，第二级放大器与第一级的结构完全相同，在此不再累述。经过第二级放大后，激光输出的平均功率达到32.9 W，偏振消光比大于50∶1。

　　3　实验结果

　　3.1　脉冲波形

　　从第二级固体放大后输出的调制激光经衰减后用光电接收器接收，检测其重复频率和脉冲宽度，并在示波器上显示。光电接收器为Thorlabs公司型号为FDS02的PIN光电二极管，上升沿为47ps，下降沿为 246ps。示 波 器 为 美 国 Tektronix 公 司 的TDS5032B示波器，带宽为1GHz，实时取样速率为5GS/s。图2(a)为任意波发生器产生的100MHz高重频、1ns窄脉宽的调制电信号右上角附图为重复率脉冲，电信号直接输到示波器的输入端，图中纵坐标为50mV/div。

　　图2(b)为经过二级固体激光放大后输出32.9W时的激光脉冲波形，右上角附图为相应重复率脉冲，图中纵坐标为2.0mV/div，脉冲信号波形稳定，与调制信号波形几乎保持一致。

　　图2 (a)任意波发生器产生的重复频率100MHz，脉宽1ns电信号;(b)经过固体激光放大后输出的激光脉冲波形

　　3.2　输出功率

　　实验中将单频种子光源输出功率调节在8mW固定不变，一级光纤预放大级的抽运电流也固定不变，调节并逐渐增大二级光纤预放大器的抽运电流，从1A一直增加到最大值8A，光纤预放大器中相应的抽运功率从0.6W 增大到6.5W，这时光纤放大器输出的光功率从10mW 增加到2.1W。一级Nd∶YVO4固体放大器的抽运功率固定为66W，二级Nd∶YVO4固体放大器的抽运功率固定为70W，当二级光纤预放大器的抽运功率(横坐标)逐渐增加到最大值6.5W 时，一级固体放大器输出的平均功率达到13W，二级固体放大器输出的平均功率达到32.9W。输出功率的实验结果如图3所示。

　　图3 经光纤放大器和一级及二级 Nd∶YVO4固体激光

　　放大器后输出激光的平均功率实验中保持两级固体放大器的抽运功率固定不变，通过改变光纤预放大器的抽运功率来调节最终输出功率，是因为光纤预放大器是通过单模保偏光纤耦合输出的，在调节光纤预放大器的抽运功率时，从光纤输出光束的特性(光束质量和发散角等)基本保持不变，对后续的激光放大性能影响不大。当然也可以通过改变两级固体放大器的抽运功率来调节最终输出功率，但是由于固体放大器中的抽运功率在很大程度上影响了增益介质中的热效应，同时会对输出光束特性产生改变，这样在多级固体放大器中需要不断调节级间光束匹配才可以获得最佳输出效果，这对于实际应用会带来很大的复杂性，而且最终输出光束的特性也会产生相应的变化，不利于后续的应用。所以实验中采用了固定固体放大器的抽运功率而仅仅改变光纤二级预放大器抽运功率的方式，此时固体放大器中增益介质的热透镜效应是固定的，通过调整一级和二级固体放大器之间的耦合和补偿，来优化并获得最佳的光束质量和最大的输出功率。

　　3.3　谱线宽度

　　连续激光经振幅调制成为脉冲激光后，谱线宽度会被展宽，这是由信号的傅里叶变换特性决定的。对于光强分布为I(t)的光脉冲，通过傅里叶变换可以得到其频谱的强度分布S(ν)，即能量谱、脉冲宽度Δt和频谱宽度Δν满足ΔtΔν≥K，其中，Δt和Δν分别是I(t)和S(ν)的半峰全宽(HWFM)值，K为系数[15-17]。对于理想的矩形脉冲，K = 1，即有ΔtΔν≥1。而当光脉冲波形是高斯型分布时，得到K =0.441。事实上，相比矩形脉冲，高斯脉冲没有了尖锐的拐角，故减少了高频分量，使其谱线宽度更窄。本实验中脉冲如图2所示接近高斯型，计算其谱线宽度如下：

　　取高斯函数作为脉冲光的振幅分布，表达式为

　　实验中将输出激光倍频后，使用自由光谱范围为40GHz的固定间隙石英法布里 珀罗(FP)标准具检测其谱线分布，图4是用F-P标准具测量得到的干涉环。图中可以看出激光为良好的单纵模输出，从环的间隔和环线宽度可以初步估算输出激光线宽在1GHz以下。实验搭建了扫描F-P干涉仪精确测量谱线宽度，测得的扫描谱线如图5所示。

　　扫描FP干涉仪的自由光谱范围为4.88GHz，根据测得的曲线可以计算出输出激光的谱线宽度为

　　图4 光束倍频后的F-P标准具干涉环

　　0.8GHz。实验中的调制光信号脉冲接近高斯型脉冲，对线宽为70kHz连续激光调制后，脉宽为1ns脉冲信号的线宽为0.8GHz。

　　图5 扫描FP干涉仪测量的1064nm激光谱线

　　实验中由于采用了对调制后单频窄脉宽的小信号激光采用光纤激光放大器放大，而对放大后的2W输出功率时用固体激光放大器放大，从而避免了单频窄脉宽激光在光纤放大器中极易产生的受激散射和 ASE所导致的放大器损坏。实验表明，对于100MHz、1ns调制状态下，在光纤激光放大中没有观察到受激散射(例如受激布里渊散射)和 ASE现象，同时观察到经过固体激光放大后的脉冲宽度没有展宽。

　　3.4　光束质量

　　对一级和二级固体激光放大器进行了仔细调整，综合考虑抽运光束半径和光束的填充因子等因素[18-20]，在激光功率获得放大的同时可以获得很好的光束质量。实验中对经过各级放大后的光束质量进行了测量，使用 Spiricon公司型号为 BGUSBSP620的CCD测量光束直径，并对束腰位置附近处的光束直径进行双曲线拟合，得到光束质量因子M2r和M2y 值，光纤放大后为1.22和1.29，经过一级固体放大后为1.26和1.17，经过二级放大后为1.47和1.46。图7给出的是对种子激光进行调制，并经过光纤放大和固体激光放大后用CCD测量的输出激光光斑图和光束质量因子犕2 测量的实验结果。图6 (a)输出激光平均功率32.9W 时的激光光斑记录;(b)M2 测量的实验结果

　　4　结论

　　利用高速调制器调制单频连续激光，可以获得百兆赫兹的高重复频率，由于调制器的重复频率和脉宽可以连续变化，采用这种方法可以获得所需要的各种调制频率和脉宽。本文对线宽70kHz的单频激光进行了100MHz，1ns的调制，并通过光纤放大器和两级 Nd∶YVO4固体激光放大器放大，最终的激光输出平均功率达到32.9W，光束质量因子犕2 小于1.5。实验表明，对于100MHz，1ns调制状态下，在光纤激光放大中没有观察到受激散射和ASE现象。实验也观察到，经过固体激光放大后的脉冲宽度没有增大。使用扫描FP干涉仪测量，输出激光的线宽在0.8GHz。这样的输出激光在一些特殊要求中可以获得应用。