張義冬 武向農(nóng)

摘 要： 研究了用于測(cè)距的被動(dòng)調(diào)Q摻鐿光纖脈沖激光器的輸出特性，仿真對(duì)比了可飽和吸收體長(zhǎng)度以及增益光纖長(zhǎng)度對(duì)輸出功率的影響.結(jié)果表明：在抽運(yùn)源功率為5 W的條件下，輸出脈沖寬度為0.8 μs，脈沖峰值功率為26 W，平均功率為2 W，脈沖能量為20 μJ.在物體反射率為10%，探測(cè)距離為200 m，以及大氣透過(guò)率為100%的條件下，返回最小功率為3.9×10-7 W.

關(guān)鍵詞： 光纖脈沖激光器; 測(cè)距; 被動(dòng)調(diào)Q

中圖分類(lèi)號(hào)： TN 248文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1000-5137（2019）01-0091-05

Abstract： In this paper，the output characteristics of passive Q-switched ytterbium doped pulse fiber lasers for distance measurement was studied.Besides，the effects of saturable absorber length and gain fiber length on output power were studied by simulation.Under the condition that the pump source power was 5 W，the simulation results showed that the output pulse width was 0.8 μs，the pulse peak power was 26 W，the average power was 2 W and the pulse energy was 20 μJ.When the object reflectivity was 10%，and when the detection distance was 200 m，and when the atmospheric transmittance was 100%，the minimum power returned was 3.9×10-7 W.

Key words： pulse fiber laser; distance measurement; passive Q-switched

0 引 言

相比于普通的光纖激光器，脈沖光纖激光器通過(guò)調(diào)整其整個(gè)腔內(nèi)的損耗（Q值），輸出連續(xù)的激光能量，即具有時(shí)間間隔的巨脈沖.Q值為腔內(nèi)存儲(chǔ)總能量與腔內(nèi)單位時(shí)間損失能量的比值，當(dāng)Q值較大時(shí)，腔內(nèi)的單位時(shí)間損失能量較小，整個(gè)諧振腔內(nèi)積累大量能量;當(dāng)Q值較小時(shí)，腔內(nèi)的能量被釋放，整個(gè)諧振腔內(nèi)的能量很小.

使用新材料的材料特性作為脈沖光纖激光器可飽和吸收體已成為研究的一大熱點(diǎn).2012年，YIN等[1]分別以Cr4+∶YAG、單壁碳納米管新材料作為可飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)激光抽運(yùn)源抽運(yùn)Nd∶YVO4鍵合晶體，以被動(dòng)調(diào)Q鎖模方式輸出激光.2016年，林健[2]研制了基于二硫化鎢（WS2）的被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器和基于WS2被動(dòng)調(diào)Q摻鉺激光器，其單脈沖能量為89.23 nJ，脈沖寬度在917～1.240 μs之間，重復(fù)頻率在88.67～157.29 kHz之間.

1 理論分析

采用行波模型[12] 進(jìn)行理論模型研究，該模型適用于長(zhǎng)諧振腔，能合理預(yù)測(cè)沿光纖的激光發(fā)射光譜、功率，以及摻雜反轉(zhuǎn)粒子密度等，并在此基礎(chǔ)上，研究基于可飽和吸收體的摻鐿光纖激光器的結(jié)構(gòu).與其他摻雜稀土光纖相比，摻鐿光纖采用的結(jié)構(gòu)為線性腔結(jié)構(gòu)，其能級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單（二能級(jí)），并且能級(jí)相隔較大，對(duì)于一些如交叉弛豫現(xiàn)象有很好的抑制作用.

如圖1所示，光子攜帶能量在激光腔中來(lái)回移動(dòng)，產(chǎn)生諧振.諧振腔由可飽和吸收體與增益光纖組成.箭頭所示為光纖中的光功率分布，功率在增益光纖中沿其路徑增強(qiáng)，并在可飽和吸收體光纖中衰減.輸出功率從低反射率光纖布拉格光柵處輸出.圖1中，P為抽運(yùn)光功率，X為光傳播距離長(zhǎng)度，P+k為正向信號(hào)光功率，P-k為反向信號(hào)光功率，Pout為輸出脈沖，Lsa為可飽和吸收體長(zhǎng)度.

在活性纖維的核心半徑范圍內(nèi)沿X軸均勻地?fù)诫s活性離子，光通量在纖維芯中沿徑向均勻分布.

2 光纖脈沖激光器數(shù)值仿真與數(shù)據(jù)分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)式（4），（5），在Matlab環(huán)境中求解線性偏微分方程.在數(shù)值仿真中，使用摻鐿的雙包層光纖（美國(guó)Nufern公司的LMA-YDF-15/130-VIII）作為增益光纖.包層吸收系數(shù)為5.4 dB·m-1，中心波長(zhǎng)為975 nm，增益光纖的摻雜密度為2.14×1025 m-3，可飽和吸收體采用光纖型號(hào)為Appendix A.CorActive Sm119，中芯直徑為6 μm，包層直徑為125 μm.衰減系數(shù)在波長(zhǎng)1064 nm處為8 dB·m-1，可飽和吸收體的摻雜密度為1.45×1025 m-3，自發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)為1030～1100 nm.

高反光柵中心波長(zhǎng)為1064 nm，反射率大于99.9%，低反光柵中心波長(zhǎng)為1064 nm，反射率為10%.浦源為帶有尾纖的975 nm波長(zhǎng)單模半導(dǎo)體激光器，增益光纖為雙包層摻鐿光纖，可飽和吸收體為單模摻釤光纖.

2.2 被動(dòng)調(diào)Q介入的光纖激光器的數(shù)值仿真

對(duì)激光器的輸出功率峰值進(jìn)行研究，假設(shè)增益光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，可飽和吸收體長(zhǎng)度為L(zhǎng)sa.分別設(shè)置L為3，4，5，6，7 m進(jìn)行仿真，如圖3所示.圖3中，當(dāng)L=3 m時(shí)，第一個(gè)功率輸出的時(shí)間大約在97 μs時(shí)，并且輸出峰值功率明顯較小;當(dāng)L≥5 m時(shí)，增益光纖長(zhǎng)度對(duì)輸出功率大小幾乎沒(méi)有影響.在此基礎(chǔ)上，再取L為4.5，4.6，4.7，4.8，4.9 m進(jìn)行仿真，如圖4所示.分析對(duì)比圖4可知，當(dāng)L=4.7 m時(shí)，輸出功率峰值最大.如圖5所示，在不同增益光纖長(zhǎng)度下，當(dāng)Lsa<0.1 m時(shí)，輸出功率幾乎無(wú)變化.所以設(shè)置Lsa初始值為0.1 m，并以0.1 m為步進(jìn)，進(jìn)行仿真.由圖5可知，當(dāng)Lsa=0.1 m時(shí)，激光器輸出峰值最高.隨著Lsa的增加，輸出功率峰值逐漸降低.

根據(jù)以上結(jié)論，在L=4.7 m，Lsa=0.1 m的條件下，得到輸出功率特性，如圖6所示.圖6中，輸出功率間隔平穩(wěn)，為30 μs.首個(gè)脈沖出現(xiàn)在90 μs，之后的每個(gè)脈沖間隔都恒定.

2.3 仿真結(jié)果分析

運(yùn)用有限差分方法求解線性偏微分方程，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q摻鐿光纖激光器的理論仿真，可以獲得理想的脈沖序列和單個(gè)脈沖的輸出.在輸出的脈沖序列中，第一個(gè)脈沖出現(xiàn)在90 μs附近，原因是仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，上能級(jí)粒子數(shù)從0開(kāi)始進(jìn)行累加，隨著上能級(jí)粒子數(shù)的上升，累積時(shí)間縮短，輸出功率趨于穩(wěn)定.根據(jù)以上的數(shù)據(jù)分析，在實(shí)際應(yīng)用中，增益光纖長(zhǎng)度可以控制在4.7 m左右，可飽和吸收體長(zhǎng)度控制在0.1 m左右.相對(duì)其他被動(dòng)調(diào)Q光纖激光器，本研究的激光器單脈沖能量相對(duì)較高，但是脈沖頻率相對(duì)較低，脈沖頻率還有待進(jìn)一步提升.

本研究的最大測(cè)量距離為200 m，在1 km以?xún)?nèi)的大氣透過(guò)率近似為100%.根據(jù)脈沖光纖激光器仿真結(jié)果，峰值功率為26 W，假設(shè)ADP有效接收面積為40 cm2，目標(biāo)物體的反射率取10%，最小可探測(cè)功率為3.9×10-7 W.

3 結(jié) 論

利用行波模型對(duì)被動(dòng)調(diào)Q摻鐿脈沖光纖激光器進(jìn)行了理論分析.仿真結(jié)果表明：隨著增益光纖的長(zhǎng)度的增加，輸出功率達(dá)到最大值之后，再加長(zhǎng)增益光纖的長(zhǎng)度，并不會(huì)對(duì)光纖的輸出功率產(chǎn)生較大影響.同時(shí)對(duì)比分析了可飽和吸收體的長(zhǎng)度對(duì)輸出功率的影響，增益光纖長(zhǎng)度與脈沖長(zhǎng)度成反比.通過(guò)優(yōu)化增益光纖以及可飽和吸收體長(zhǎng)度，得到脈沖寬度為30 μs，輸出峰值功率為26 W的光脈沖.針對(duì)實(shí)際場(chǎng)景，通過(guò)計(jì)算物體反射率，得到最小可探測(cè)功率為3.9×10-7 W.

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（責(zé)任編輯：包震宇）