第二十二卷 第一期 - 2012年四月十三日 PDF
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使用1570-nm輔助雷射之1530-nm全光纖式自發Q-切換摻鉺雷射
蔡宗祐, 方彥程
國立成功大學電機資訊學院微電子工程研究所
 
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1.

光纖雷射的Q-切換操作可藉由傳統bulk Q-開關和光纖的組合加以實現。為了減少在bulk Q-開關和光纖核心之間的耦合損失,精確的光學校準技術是必要的。全光纖式Q-切換雷射擁有光學校準容易和低共振腔損耗的優點。光纖式Q-開關可以是主動元件,例如聲光調變器 [1-3] ,或者是被動元件,例如可飽和吸收光纖 [4-8] 。使用可飽和吸收光纖實現被動式Q-切換產生高功率雷射脈衝是最簡單也是最經濟的方法。此外固態可飽和吸收Q-切換(SAQS)光纖擁有相當高的損壞臨界值,並且,可以把持住巨大的雷射增益將其轉換成一個Q-切換雷射脈衝。儘管擁這些優點,SAQS光纖在文獻是較為稀少的。對於一個SAQS光纖雷射而言, SAQS的吸收截面積(σa)應大於增益材質的輻射截面積(σe)。再者,使用連續波(CW)激發光源實現連續Q-切換脈衝,SAQS的回復時間(τa2)應該短於增益材質的回復時間(τg2)。

摻鉺光纖雷射輻射在所謂的eyesafe波段中1.5-1.6 μm的範圍,常應用於LIDAR技術與其它需要Q-切換脈衝的操作。目前除了摻鉺光纖,沒有任何其它光纖可以成為摻鉺光纖雷射的SAQS材質。最近,我們分別在環形結構[9] 與駐波形結構 [10] 發表了全光纖式自發Q-切換摻鉺雷射,其中摻鉺光纖可做為三階雷射的增益材質與二階吸收的SAQS。因為鉺的σa和σe大約相等,所以我們發展了SAQS光纖光子密度增強技術,如:double-passing route和模態場面積不匹配(MFA)。由於在自發式Q-切換雷射中,τa和τe大約相等,我們引入一個可飽和放大激發開關(SAPS)用來產生連續Q-切換脈衝。SAPS的功能為在Q-切換脈衝過後,被動式切換激發光源強度和延遲增益數量增加速率。雖然全光纖被動式Q-切換雷射被驗證在低重覆率,但是隨著激發光源強度的增強,峰值脈衝功率快速地減少(即較少的脈衝能量和較大的脈衝寬度)。在最低的重覆速率250 Hz,峰值脈衝功率是100 W,而在1 kHz(即~10/τ2 )獲得的峰值脈衝功率是20 W。低重覆率Q-切換操作主要肇因於鉺的長回復時間(10 ms)。因此縮短摻鉺SAQS光纖的回復時間技術可以解決原來的缺點和拓展該元件的應用。在本文中,我們驗證使用1570 nm輔助摻鉺雷射之1530 nm全光纖式自發Q-切換摻鉺雷射。1530與1570 nm兩者屬於鉺之中相同的躍遷能帶。鉺離子(Er3+)在原子能階4I13/24I15/2之間有寬廣的能量躍遷能帶,其吸收與輻射波長範圍從1.48到1.6 μm。根據摻鉺光纖製造商nLight所提供的特性,該光纖在1530 nm的σe,1530與σa,1530是相同的, 約6×10-21 cm2。在1570 nm的σe,1570與σa,1570是2.6×10-21 cm2和1.3×10-21 cm2。有效的吸收居量被定義為Na,λ=[Na,1-(σe,λa,λ)Na2],而σa,λe,λ比值即是在吸收飽和的狀態(即Na,λ=0)時Na2Na1的數量比。當SAQS被一個1570 nm 雷射完全飽和時,Na,1570=0,Na2=NaT/3且Na1=2NaT/3,這表示Na,1530=NaT/3,其中NaT是SAQS光纖鉺離子總數量。因此Na,1530的初始值Nai可被作用於SAQS光纖的1570 nm雷射Ia,1570調變,且其Q-切換的幅度介於NaTNaT/3之間。更重要的是Ia,1570可以縮短Na,1530的回復時間。當SAQS光纖在1530nm產生Q-切換脈衝後,Na,1530等於0而且Na,1570等於-NaT/2 (即Ia,1570在SAQS中具有增益)。Ia,1570會立即修正這個暫態,讓Na,1530很快地回到初始條件Nai,為下一個Q-切換做準備。為了簡化分析Ia,1570對鉺生命週期的效果,我們假設Na2Na1Ia,1570的在SAQS的濃度為均勻分布並推導出Na,1530有效生命週期τ2如下:
(1)

Aa 是光纖核心的截面積,Γ是侷限因子,Is,1570 是SAQS光纖的飽和功率。已知σa,1570e,1570 ~0.5,則當Ia,1570/Is,1570的比值大於6時,有效生命週期τa2較實際生命週期τa2短一個數量級。

2.實驗:

圖1為全光纖式自發Q-切換雷射結構。Q-切換雷射可產生穩定脈衝,且脈衝重覆率可由1570 nm雷射調變,1570 nm雷射為由980 nm激發光源產生之摻鉺雷射。藉由使用光分功率器將980 nm激發光源以一定比例分開,分別做為Q-切換雷射與1570雷射的激發光源,可以將雷射系統加以簡化。增益材質是一條核心直徑14μm、長度 210 cm 的摻鉺光纖,在1530 nm有19 dB/m的吸收損失。SAQS光纖是一條長度為20 cm的摻鉺光纖,核心直徑為4 μm,在1530 nm有110 dB/m的吸收損失。介於增益光纖與SAQS光纖的模態場面積不匹配造成光子強度在SAQS光纖中升高並將其快速飽和,因此產生Q-切換動作。SAQS的數值孔徑與模態場直徑分別為0.2和6.5 μm,侷限因子Γ大約是0.53。因此由Eq.(1)可知飽和功率Is,1570為1.2mW。在共振腔內的980/1530 nm的WDM被用來保護SAQS光纖免於受到激發光源的影響。同樣地,1530/1570 nm WDM被用來避免增益光纖受到1570 nm雷射光源的影響。整個雷射系統共振腔的長度大約4公尺。
Fig. 1. Schematic diagram of a self-Q-switched, all-fiber erbium laser at 1530 nm with a tunable repetition rate using an auxiliary 1570 nm laser.

圖2(a)與2(b)分別為Ia,1570=0與Ia,1570=10 mW情況下,重覆率Rpr對輸出Q-切換性能的關係圖。當Rpr介於0.9-10 kHz,無論是否給予Ia,1570輸入,Q-切換脈衝皆為穩定。當Rpr低於0.9 kHz時,則為不穩定。在低Rpr產生的不穩定狀況,藉由置入可飽和放大激發開關(SAPS)可以獲得改善。而可調變激發光源Ia,1570在高Rpr時,藉由縮短回復時間來改善Q-切換的效率。當沒有Ia,1570輸入的情況下,在接近雷射臨界點的脈衝半高寬(FWHM)大約是0.9 μs,能量為1.1 μJ,重覆率Rpr=0.9 kHz。重覆率Rpr=0.9 kHz意指Na,1530在被Q-切換脈衝飽和過後只有1.1 ms的回復時間(即τa2/9)。假設SAQS完全被每一個脈衝飽和,透過計算可以得到Na,1530切換幅度介於0-0.1 NaT。更高的激發功率會縮短Na,1530的回復時間,導致高脈衝重覆率與低脈衝能量輸出的結果。在激發光源大於100 mW時,仍然可以觀察到脈衝輸出,但是脈衝寬度約為數微秒且能量非常低。如此低效率的Q-切換行為,吾人稱之為Q-擾動(Q-fluctuation),它只讓增益光纖儲存少部分的能量並且對增益數量抽取效率不佳。

當1570 nm雷射打開後,Q-切換脈衝輸出結果被大幅度改善。比較有加入與沒有否入Ia,1570兩種情況,如圖2(a)。在相同的重覆率Rpr,脈衝能量在加入Ia,1570的情況下確實獲得改善,驗證了Na,1530的回復更快速且幅度更大。由於Na,1530回復的數量增加,因此需要更高功率的激發光源。改善Na,1530回復速度代表在增益光纖中增益數量擁有更高的hold-off ratio,因此可以獲得更好的Q-切換輸出結果。如圖2(b)所示,Q-切換脈衝寬度更短且脈衝能量更高。
Fig. 2. The Q-switching performances with Ia,1570=0 and Ia,1570=10 mW. (a) Pulse energy and pump power related to pulse repetition rate, (b) pulse peak power and pulse FWHM related to pulse repetition rate.

藉由長度為原來兩倍的SAQS光纖,我們可以改善Q切換的效果。在1530 nm,SAQS有44 dB的能量損失,甚至大於增益光纖。所以,在沒有Ia,1570的提供下,只有用激發源是無法達到雷射臨界點的。使用具有10 mW的Ia,1570,則可以得到穩定且連續的Q切換脈衝,結果顯示於圖3。可以得知,在激發源範圍在75 mW到200 mW,該脈衝是一個呈現穩定的形狀,其半功率寬度為40 ns,而且峰值功率大小超過100 W。在最低值的Rpr=0.1 kHz 時,脈衝能量最高可以達到6 μJ,峰值功率=165 W。Rpr的值正比於激發源的功率大小,而且受限於980 nm激發的雷射二極體的最大輸出功率。高Q切換的效率是由於高濃度Nai的增益數量,產生hold-off ratio,反覆這樣的過程,造成激發源增益的高抽取效率的結果。藉由在示波器的紀錄值,分析重覆速率的變化結果可以得知,ΔRpr/Rpr 大約為7%到8%,峰值功率大約等於8%。由圖形的分析可以得知,雖然當Rpr提高時,穩定度更佳(較小的ΔRpr/Rpr) ,可是卻沒有與Rpr有強烈的關係。這裡說明了使用一個可飽和放大激發開關,可以得到更好且更穩定的結果。
Fig. 3. (a) Q-switching performance using a 10-mW Ia,1570 and a SAQS erbium fiber with an absorption loss of 44 dB at 1530nm. (b) Sequential Q-switched pulses at 1.5 kHz captured on an oscilloscope, and (c) the corresponding pulse with a peak power of 105 W.


3.結論

我們已經證明了,可以使用1570 nm輔助雷射 (Ia,1570),調變且優質化一1530 nm全光纖式自發Q切換摻鉺雷射。Ia,1570可施加於SAQS摻鉺光纖並藉以縮短其回復時間。掺鉺光纖的輻射波長1530 nm和 1570 nm 屬於相同的躍遷能帶 (4I13/24I15/2,)。我們使用ㄧ個具有22 dB吸收損失的SAQS光纖來說明縮短生命時間的效果,以及在重覆速率從0.9 kHz-10 kHz 的Q切換改善。藉由加倍SAQS光纖的長度,而且使用一個具有10 mW的Ia,1570、在反覆速率0.1 kHz-1.5 kHz下,可以得到6-4 μJ的連續脈衝、38-40 ns的穩定脈衝寬度和165 W-105 W的峰值功率。

文獻參考

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  3. M. Delgado-Pinar , D. Zalvidea, A. Díez, P. Pérez-Millán and M. V. Andrés, “Q-switching of an all-fiber laser by acousto-optic modulation of a fiber Bragg grating,” Opt. Express 14, 1106 (2006).
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