中年|高脉冲能量掺铒光纤激光器——一种理想的人眼安全激光雷达光源( 二 ) |激光雷达|激光|

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图 1. (左) 基于硅酸盐玻璃的双包层保偏铒/ 镱共掺杂的大模场光纤，用于产生脉冲能量大于1mJ的全光纤激光器 (右) 独特的增益光纤设计使高能量脉冲激光的光束质量仍然保持在近衍射受限。
与常用的市售石英玻璃掺铒光纤相比，多组分硅酸盐玻璃掺铒光纤因为拥有不同的玻璃微结构，完全改变了掺杂离子与玻璃主体。离子和离子之间的相互作用，能大大提高稀土离子的掺杂浓度，进而在很短的增益光纤中实现高抽运吸收和高光学增益。而且意想不到的是，不同的玻璃结构还能改变掺杂离子的光谱行为。
图2 示出的是用两种不同铒镱共掺杂的双包层抽运的增益光纤放大器的激光输出光谱，这两种光纤放大器注入相同强度的1572 nm 小信号种子激光。显然，在整个C波段输出光谱中，高掺杂的硅酸盐玻璃增益光纤拥有明显不同于市售石英玻璃掺铒光纤增益光谱，增益光谱轮廓朝长波长方向偏移。尤其是在1572 nm处，高掺杂的硅酸盐玻璃光纤的增益比市售石英玻璃增益光纤高约6 dB ，信噪比则高10 dB，这对于在1572 nm这个波长附近的激光应用来说（大气中的CO2遥感测量）极为有利。

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图 2.两种不同铒镱共掺的双包层泵浦的增益光纤放大器的激光输出光谱，这两种光纤放大器注入相同强度的1572 nm 小信号种子激光。(左) 高掺杂的硅酸盐玻璃增益光纤； (右) 市售的石英玻璃增益光纤。
与CO2的其他吸收波段相比， 1572 nm这个吸收波段有其独特优势，其吸收截面对温度的变化不敏感，也没有其他大气化学分子的吸收干扰，并且具有适当的吸收跃迁强度，适合于星载激光雷达的吸收光谱测量，无需担心吸收信号的饱和。对于太空应用的激光雷达来说，其理想的激光光源必须是紧凑型的，对环境温度、机械振动和冲击有高度耐受性。因为这些严苛的环境要求，高脉冲能量的全光纤激光系统就成为了首选的星载激光雷达光源，受到极大的期待。但是，对于这个波长的高能量脉冲光纤激光器来说，具有比其它波长更大的挑战性，因为它远离普通掺铒光纤激光器的增益峰值。

美国AdValue Photonics公司利用其高掺杂的硅酸盐玻璃光纤的独特的光谱优势，演示了一台运行在1572 nm波长的高能量全光纤脉冲激光器。图3示出的是用商用能量计（Gentec， Mach 5）测量到的激光脉冲能量的屏幕截图，显示了在2.5 kHz脉冲重复频率下，得到高达1.8 mJ的脉冲能量。详细的实验结果发表在文献[4]中。

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图 3. 用商用能量计（Gentec， Mach 5）测量到的激光脉冲能量的屏幕截图，显示了在2.5 kHz脉冲重复频率下，得到高达1.8 mJ的脉冲能量。
虽然硅酸盐玻璃增益光纤与标准的无源石英玻璃光纤拥有不同的玻璃微结构，但这两种玻璃的主体都是二氧化硅，它们共享相似的玻璃网络结构，具有高度的材料兼容性，而无源石英玻璃光纤被广泛用于所有的商用光学无源器件的尾纤。这两种玻璃材料的高度兼容性，允许我们很容易地在两者之间进行光纤熔接，得到产生单脉冲激光能量大于1 mJ的全光纤激光器，并且能够非常紧凑地集成起来，如图4 所示。

中年|高脉冲能量掺铒光纤激光器——一种理想的人眼安全激光雷达光源( 二 )

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