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随着全球气候不断恶化，准确测量三维风场信息对于机场气流检测、飞机航线规划等领域具有重要的研究意义。近年来，相干探测激光雷达以其探测精度高、效率高、非接触测量、对光源能量需求较低等优点被广泛应用于大气风场探测，在精准天气预报、民航轮船航线选择、航天飞机起降、导弹火箭发射等领域发挥着重要作用[1-5]。近年来，波长1.6 μm附近的人眼安全波段固体激光测风雷达光源成为了研究热点[6-8]，其探测器件成熟，具有较高的大气透过率且具有人眼安全特性，可以更好地满足应用需求。
1.6 μm固体激光器大都以掺Er3+的激光晶体作为增益介质[9-12]。Er:YAG晶体具有磁致旋光特性，是1.6 μm激光的理想增益介质。Er:YAG晶体吸收谱的吸收峰值位于1532 nm附近，目前用来泵浦Er:YAG晶体的泵浦源以1532 nm半导体激光器[13]和空间耦合光纤激光器[14-15]为主。半导体激光器运转稳定可靠性较强，但光束质量较差(M2>100)且线宽较宽(FWHM>1 nm)，严重影响泵浦效率。空间耦合光纤激光器有效改善了光束质量，进一步压窄线宽(FWHM~0.2 nm)，但是其光路复杂，稳定性较差，限制了实际应用。相比于这两种泵浦源，全光纤化的1532 nm光纤激光器具有输出线宽窄、结构紧凑、可靠性高、使用寿命长等诸多优点，同时全光纤化结构避免了空间耦合导致的器件不稳定性，大大简化实验装置，是Er:YAG晶体的理想泵浦源。2017年，中国科学技术研究院采用1532 nm半导体激光器[16]泵浦Er:YAG陶瓷非平面环形腔(NPRO)，获得1.56 W单频激光输出，在x和y方向光束质量分别为1.21和1.42；2018年，北京理工大学采用1532 nm光纤激光器泵浦Er:YAG陶瓷非平面环形腔(NPRO)，获得16.1 W单频激光输出[17]，在x和y方向光束质量分别为1.20和1.27，有效提高输出效率并改善了输出激光光束质量。
文中将采用976 nm半导体激光器（LD）泵浦Er/Yb共掺杂光纤，实现全光纤化的1532 nm激光输出。并以此激光器泵浦Er:YAG非平面环形腔（NPRO）实现单频窄线宽激光输出。
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Er:YAG晶体在1.5 μm波段的吸收峰分别位于1470 nm附近和1532 nm附近[18-20]，相比于1470 nm波段，Er:YAG晶体对1532 nm波段光有更强的吸收，同时量子效率更高，所以1532 nm波段激光是Er:YAG固体激光器的理想泵浦源。图1 所示为Er:YAG晶体在1532 nm波段的吸收谱，其吸收峰位于1532.13 nm，在1531.54~1532.99 nm之间有较高的吸收率，但宽度较窄，仅不到1.5 nm——这就要求1532 nm泵浦光有较窄的半波宽和稳定的输出波长。
图 1 Er:YAG增益介质吸收谱
Figure 1. Absorption spectrum of Er:YAG gain medium
根据已有报道，以体光栅为反射元件，泵浦光空间耦合的Er/Yb光纤激光器，输出1532 nm激光谱宽为0.4 nm[21]；以光纤光栅为反射元件的全光纤激光器，具有更窄的输出谱宽和更加稳定的波长，是Er:YAG晶体的理想泵浦源。
目前，1.5 μm波段的光纤激光器，均采用Er3+掺杂或Yb3+/Er3+共掺杂光纤作为增益介质，泵浦源采用976 nm半导体激光器。Er3+能级结构比较复杂，单掺杂Er3+的介质对976 nm泵浦光的吸收效率低，并伴有大量热产生，所以在实际应用中一般用Yb3+/Er3+共掺杂的增益介质。Yb3+具有简单二能级结构，对976 nm泵浦光的吸收为共振吸收，吸收截面大、量子效率高，作为敏化离子吸收976 nm泵浦光，并通过能量传递方式高效地将能量传递给Er3+。该实验采用Yb3+/Er3+共掺杂光纤作为增益介质。图2所示为Yb3+/Er3+的能量吸收与传递过程：处于基态能级2F7/2上的Yb3+吸收976 nm泵浦光跃迁到2F5/2能级上，并通过能量传递将能量转移到Er3+的4F11/2能级上；4F11/2能级上的Er3+无辐射弛豫跃迁至4F13/2能级，最终跃迁到基态能级4F15/2上，辐射出1532 nm的光子。
图 2 Er/Yb共掺光纤的掺杂离子能级跃迁结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of dopant ion energy leap structure of Er/Yb co-doped fiber
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1532 nm光纤激光器采用全光纤结构，反射腔镜为高功率光纤光栅，掺杂光纤为Er/Yb共掺杂光纤，其结构图如图3所示。
图 3 Er/Yb共掺杂1532 nm光纤激光器结构图
Figure 3. Schematic diagram of 1532 nm Er/Yb fiber laser
泵浦源为两台976 nm LD，每台最大输出功率100 W；通过(2+1)×1型合束器（Combiner）合束，976 nm泵浦光被注入到Er/Yb共掺杂光纤的内包层中，最高注入功率为178 W；Er/Yb共掺杂光纤为双包层光纤，掺杂区域为纤芯，内包层为泵浦光通光区域，直径300 μm，数值孔径0.46，纤芯直径为25 μm，数值孔径0.1。实验用掺杂光纤长度2.80 m，对泵浦光吸收系数约为8.8 dB/m；腔镜为一对高功率啁啾型布拉格光纤光栅（CFBG），光栅被刻在非掺杂的25/300 μm双包层光纤纤芯内，高反光栅（HR）反射率 > 99%，室温反射波长标定值1531.31 nm，低反光栅（OC）反射率约为10.1%，反射波长标定为1531.25 nm，为了防止泵浦光对高反光栅造成损坏，将高反光栅接在(2+1)×1型合束器合束的“+1端”。由于OC端输出光中含有包层光，这将影响1532 nm激光的光束质量和进一步耦合，所以利用包层光剥离器（CPS）对其进行泄漏。泄漏盒利用氢氟酸对内包层进行腐蚀，总长度为7.2 cm。激光器最终获得的1532 nm激光通过SMA905型标准化输出头输出，输出头光纤纤芯直径25 μm，SMA905头的前端被磨制成8°斜角，以避免反馈光影响激光器运行。
光纤激光器各个器件通过美国Vytran公司生产的LFS-400型光纤熔接机进行熔接。激光器运行过程中，需要对Er/Yb掺杂光纤进行冷却，其目的是对光纤各器件之间的熔点降温，避免熔点过烫而烧毁激光器；另外冷却Er/Yb掺杂光纤还可以提高激光器的输出功率。因此，光纤激光器的所有器件均放于特殊设计的光纤水冷盘上，冷却温度为10 ℃。光栅反射波长在1531.3 nm附近，不在Er:YAG晶体高吸收率区域（1531.54~1532.99 nm）。为了将输出波长矫正到晶体的高吸收区域，根据光栅的温漂效应，用半导体制冷器（TEC）对光栅进行加热，可以在小范围内将光栅反射波长校正到1532.1 nm与晶体吸收峰精确匹配。
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图4 为1532 nm 光纤激光器的输出功率。由于纤芯的模场直径大于其直径，所以在纤芯里传输的1532 nm激光会全部泄漏到包层里，经过包层光剥离器（CPS）被全部泄漏掉。根据图中数据计算，不加包层光剥离器（图中黑色曲线所示），1532 nm激光最大输出功率为73.44 W，激光器光光效率为41.14%，斜率效率45.0%；滤除包层中1532 nm激光（图中红色曲线），激光器最大输出功率为64.35 W，光光效率36.05%，斜率效率为38.3%。
图 4 1532 nm 光纤激光器输出功率
Figure 4. Output power of 1532 nm fiber laser
光纤光栅处于室温22 ℃时，激光器的输出波长为1531.35 nm，不在Er:YAG晶体的高吸收率区域（1531.54~1532.99 nm）。实验中用高温TEC对高反光栅和低反光栅同时加热，使其输出波长向长波长漂移，TEC温度加热范围为50~70 ℃。图5（a）给出了光纤光栅分别在22、50、55、60、65、70 ℃温度下的激光输出波长，虚线为Er:YAG晶体在1532 nm波段的吸收谱。从图5（a）可以看出，随着光栅温度升高，输出波长逐渐向长波长方向漂移：22 ℃时，输出波长1531.35 nm，位于Er:YAG晶体的高吸收率区域之外；50~70 ℃范围内，输出波长均在高吸收率区域之内，当光栅温度为70 ℃时，激光输出波长为1532.14 nm，恰好位于晶体对1.5 μm波段光的吸收峰。所以50~70 ℃的光栅温度调节范围，可以满足Er:YAG 晶体对1532 nm光纤激光器输出激光波长的需求。对激光输出波长与光纤光栅温度数据进行线性拟合如图5（b）所示，输出波长随光栅温度变化的斜率为0.016 nm/ ℃。根据此数据，可以预估出其他光栅温度下的激光输出波长。
图 5 不同光纤光栅温度下的输出激光波长
Figure 5. Output wavelength at different FBG temperature
图6 给出了光纤光栅温度为70 ℃时，不同输出功率下的激光波长。从图中可以看出，光栅温度70 ℃，不同输出功率，激光输出波长均稳定于1532.12 nm附近，波长变换范围1532.09 ~1532.14 nm，即输出波长稳定性为1532.12±0.03 nm。在此条件下，输出激光波长的半高宽（FWHM）为0.06 nm，如图7（a）所示，相比于体光栅形式Yb/Er光纤激光器的0.4 nm谱宽，该实验将1532 nm激光波长半高宽精度提高了一个数量级，充分满足了Er:YAG晶体对1532 nm泵浦光窄谱宽的要求，同时，文中测量了30 min内输出激光线宽的稳定度如图7（b）所示。
图 6 光纤光栅温度为70 ℃时的激光器输出波长
Figure 6. Laser wavelength at FBG temperature of 70 ℃
图 7 1532 nm 光纤激光器谱宽及稳定度测量
Figure 7. FWHM of 1532 nm fiber laser
如图8所示，实验用刀口法测量了输出激光的光束质量，数据经拟合后得到在光纤激光器稳定工作情况下的x和y方向光束质量分别为1.38和1.26。该光束质量可以满足厚度 < 1.5 mm，长度 > 50 mm板条晶体对泵浦光光束质量的需求。
图 8 1532 nm 光纤激光器光束质量
Figure 8. M2 of 1532 nm fiber laser
最后，文中采用此光纤激光器泵浦Er:YAG非平面环形腔(NPRO)实现单频激光输出。NPRO尺寸为13 mm × 8 mm × 4 mm，Er3+掺杂浓度0.5% （见图9），泵浦源经透镜组聚焦到NPRO晶体中心，获得最高1.3 W单频激光输出，斜率效率为31.76% （见图10），输出激光中心波长为1645.16 nm （见图11）。利用扫描法布里-珀罗（F-P）干涉仪测试NPRO输出激光频谱，F-P干涉仪的自由光谱区为1.5 GHz，图12所示为单频激光频谱图。
图 9 Er:YAG 非平面环形腔结构图
Figure 9. Schematic of the Er:YAG NPRO
图 10 Er:YAG 非平面环形腔输出功率
Figure 10. Output power of the Er:YAG NPRO
图 11 Er:YAG 非平面环形腔输出波长
Figure 11. Output wavelength of the Er:YAG NPRO
图 12 Er:YAG 非平面环形腔单频激光频谱图
Figure 12. Spectrum of the Er:YAG NPRO
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文中采用高/低反光纤光栅作为谐振腔，Er/Yb共掺杂光纤作为增益介质， 976 nm 半导体激光器作为泵浦源，组成了全光纤化的1532 nm光纤激光器，实现了1532 nm激光稳定输出。Er/Yb共掺杂光纤激光器最大激光输出功率为73.44 W，斜率效率45.0%，光光效率41.14%，输出波长通过改变光纤光栅温度进行调谐，调谐范围1531.35~1532.14 nm，波长谱宽 0.06 nm，x和y方向的光束质量分别为1.38和1.26，激光器运行稳定，是Er:YAG激光器晶体的理想泵浦源，为1.6 μm测风雷达光源研究提供了有力的支撑，并利用此激光器泵浦Er:YAG非平面环形腔获得最高1.3 W单频激光输出。
致谢 感谢哈尔滨工业大学张振国博士对本论文中光纤激光器实验部分以及与之对应的数据分析部分的贡献。
1 532 nm all-fiber Er/Yb co-doped laser
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摘要: 近年来，相干探测激光雷达是测量远距离低空风切变的有效手段，1.6 μm波段固体激光器以其人眼安全、探测器件成熟等优势成为相干雷达主要光源。其增益介质Er:YAG晶体在1532 nm波段有较强的吸收峰，但吸收谱较窄，因此通过使用1 532 nm光纤激光器进行谐振泵浦可以有效提高晶体输出效率。为此，文中以Er/Yb双包层光纤为增益介质，1532 nm光纤光栅为反射腔镜，976 nm半导体激光器为泵浦源，实现了全光纤化1532 nm激光输出。输出激光最大功率73.44 W，波长可调谐范围为1531.35~1532.14 nm，波长谱宽为0.06 nm，x
和y方向的光束质量M2分别为1.38和1.26，是1.6 μm固体激光器的理想泵浦源。并采用此激光器泵浦Er:YAG非平面环形腔获得1.3 W单频激光输出，斜率效率为31.76%。 -
关键词:
- 1 532 nm光纤激光器 /
- Er/Yb共掺杂 /
- 双包层光纤 /
- 波长可调谐
Abstract: In recent years, coherent detection lidar is an effective means to measure long-range low-altitude wind shear. 1.6 μm solid-state lasers have become the main light source for coherent radar with the advantages of human eye safety and mature detector devices. Its gain medium Er:YAG crystal had a strong absorption peak in the 1532 nm band, but the absorption spectrum was narrow, so the crystal output efficiency can be effectively improved by resonant pumping using a 1532 nm fiber laser. To this end, an all-fiber 1532 nm laser output was achieved with an Er/Yb double-clad fiber as the gain medium, a 1532 nm fiber grating as the reflective cavity mirror and a 976 nm semiconductor laser as the pumping source. The output laser had a maximum power of 73.44 W, a tunable wavelength range of 1531.35-1532.14 nm, a wavelength spectral width of 0.06 nm, and the beam quality M2 of 1.38 and 1.26 in x and y direction, which was an ideal pumping source for 1.6 μm solid-state lasers. The laser was used to pump Er: YAG nonplanar ring cavity to obtain 1.3 W single frequency laser output, and the slope efficiency was 31.76%.-
Key words:
- 1 532 nm fiber laser /
- Er/Yb co-doped /
- double-clad fiber /
- tunable wavelength
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图 2 Er/Yb共掺光纤的掺杂离子能级跃迁结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of dopant ion energy leap structure of Er/Yb co-doped fiber
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