趙 銘，王天樞

(1.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建 漳州 363105;2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

2 μm鎖模光纖激光器緊湊，穩(wěn)定性高并且成本低，在激光雷達(dá)[1-2]、生物醫(yī)療[3-4]、中紅外光源[5-7]、材料加工[8]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但這些應(yīng)用需要脈沖能量達(dá)mJ以上的摻銩光纖激光器。由于光纖在2 μm波段表現(xiàn)出負(fù)色散，大多數(shù)關(guān)于2 μm光纖激光器的報(bào)道局限于傳統(tǒng)孤子[9-10]。傳統(tǒng)孤子是由光纖激光器內(nèi)的色散與非線性效應(yīng)的平衡而產(chǎn)生。根據(jù)孤子面積理論[11]，諧振腔直接輸出的傳統(tǒng)孤子的脈沖能量一般小于0.1 nJ，很難達(dá)到mJ以上。為此，研究人員采用主振蕩功率放大以及啁啾脈沖放大結(jié)構(gòu)對(duì)諧振腔直接輸出脈沖的脈沖能量進(jìn)行放大。然而，在保持高質(zhì)量脈沖輸出條件下實(shí)現(xiàn)脈沖能量放大到mJ量級(jí)，會(huì)對(duì)主振蕩功率放大以及啁啾脈沖放大結(jié)構(gòu)提出更高的要求，造成脈沖能量放大部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂的問題。因此，需要對(duì)光纖激光器諧振腔進(jìn)行設(shè)計(jì)以提高其直接輸出脈沖的脈沖能量。

為了能夠進(jìn)一步提高諧振腔直接輸出脈沖的能量，研究者通過(guò)向諧振腔內(nèi)加入正色散成分使脈沖在諧振腔內(nèi)經(jīng)歷周期性展寬和壓縮，而避免了過(guò)多非線性相移的積累，使得脈沖能量突破0.1 nJ的限制[12]。這種基于色散管理的光纖激光器產(chǎn)生的展寬脈沖由于具有相對(duì)高的脈沖能量以及窄的脈沖寬度，在2 μm波段得到了廣泛研究。2008年，Haxsen等人補(bǔ)償腔內(nèi)色散至-0.002 ps2時(shí)，實(shí)現(xiàn)了展寬脈沖的輸出，其輸出的脈沖能量為4 nJ[13]。2010年，Wang Qingqing等人對(duì)諧振腔進(jìn)行色散管理，在腔內(nèi)色散為-0.01 ps2時(shí)，實(shí)現(xiàn)了具有4.8 nJ的展寬脈沖輸出[14]。在色散管理?yè)戒A光纖激光器中除了能夠?qū)崿F(xiàn)具有高脈沖能量的展寬脈沖外，還可以產(chǎn)生由孤子崩塌效應(yīng)引起的類噪聲脈沖[15]。由于類噪聲脈沖具有高能量、低相干性、寬光譜的特點(diǎn)，因此引起了眾多研究人員的興趣。2016年，Grzegorz Sobon等采用正色散補(bǔ)償光纖將腔內(nèi)色散補(bǔ)償至凈零色散區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了0.16 nJ的類噪聲脈沖輸出[16]；又采用集成器件和自制的正色散補(bǔ)償光纖補(bǔ)償色散獲得了具有更高能量的類噪聲鎖模脈沖輸出，其脈沖能量為1.3 nJ[17]。

在1.5 μm波段，由于色散補(bǔ)償光纖(DCF)以及具有正色散的摻鉺增益光纖制作工藝的成熟，近零色散區(qū)域的展寬脈沖和類噪聲脈沖得到了充分的研究。在2 μm波段，由于光纖材料的限制，使得補(bǔ)償諧振腔腔內(nèi)色散變得困難。雖然可以通過(guò)由光柵以及凸透鏡組成的具有正色散的Martinez結(jié)構(gòu)[13]以及自制正色散光纖[14]來(lái)補(bǔ)償諧振腔腔內(nèi)色散，但Martinez結(jié)構(gòu)會(huì)破壞鎖模光纖激光器全光纖化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，降低了光纖激光器的穩(wěn)定性，且自制正色散光纖會(huì)提高了結(jié)構(gòu)的成本，降低了實(shí)用價(jià)值。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)增大光纖的數(shù)值孔徑以及減小纖芯直徑使得光纖零色散波長(zhǎng)移到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處，進(jìn)而使光纖在2 μm波段表現(xiàn)出正色散。因此，易于集成以及成本低廉的高數(shù)值孔徑光纖可以用于2 μm波段處諧振腔的色散管理[18-20]。

本文提出了一種基于色散管理的摻銩光纖激光器。在泵浦功率為610 mW時(shí)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)偏振控制器(PCs)，首先實(shí)現(xiàn)了脈寬為482 fs的展寬脈沖的輸出，直接輸出功率最大為15 mW，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為0.52 nJ。在泵浦功率為645 mW時(shí)候，實(shí)現(xiàn)了尖峰脈寬為285 fs的類噪聲脈沖輸出，最大輸出功率為20.4 mW，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為0.7 nJ。相比于傳統(tǒng)孤子0.1 nJ的脈沖能量，展寬脈沖以及類噪聲脈沖的脈沖能量提高了5倍和7倍。并且由于采用商業(yè)化的超高數(shù)值孔徑進(jìn)行色散補(bǔ)償使得所設(shè)計(jì)的色散管理?yè)戒A光纖激光器具有全光纖化、低成本的特點(diǎn)，降低了脈沖能量放大部分的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，有助于提高2 μm鎖模光纖激光器的潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為色散管理?yè)戒A光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)。工作在1 560 nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器(LD)經(jīng)1 W的摻鉺放大器(EDFA1)放大后通過(guò)波分復(fù)用器(WDM)泵浦一段長(zhǎng)0.16 m高摻雜摻銩光纖(TDF)。在環(huán)形腔中，普通單模光纖(SMF)和超高數(shù)值孔徑光纖(UHNA4)用于管理腔內(nèi)的色散。兩個(gè)偏振控制器(PC1、PC2)以及一個(gè)偏振相關(guān)隔離器(PD-ISO)構(gòu)成了非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模結(jié)構(gòu)。其中，PD-ISO的另一個(gè)作用是確保激光在環(huán)形腔中單向傳輸。一個(gè)10∶90的耦合器(OC1)的10%輸出端用于輸出激光，90%輸出端用于腔內(nèi)反饋。在OC1后接一個(gè)10∶90的OC2，10%輸出端用于監(jiān)測(cè)從諧振腔輸出的脈沖的光譜以及波形。為探測(cè)脈沖的自相關(guān)跡，OC2的90%端的輸出脈沖需經(jīng)過(guò)摻銩放大器提升功率，摻銩放大器包括LD、5 W的EDFA2、3.5 m長(zhǎng)摻銩光纖以及隔離器(ISO)。通過(guò)控制SMF以及UHNA4的長(zhǎng)度、控制諧振腔內(nèi)色散近零。諧振腔內(nèi)所有無(wú)源器件尾纖均為SMF-28。腔內(nèi)凈色散可由下式得到。

βNET=βSMF×LSMF+βTDF×LTDF-

βUHNA4×LUHNA4

(1)

式中:βNET為諧振腔腔內(nèi)的凈色散;βSMF，βTDF和βkUHNA4分別為SMF，TDF和UHNA4在2 μm波段的色散，其色散值分別為-0.05 ps2/m， -0.085 ps2/m，+0.091 ps2/m;LSMF，LTDF和LUHNA4分別為SMF，TDF和UHNA4光纖長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度分別為3.74 m，0.16 m和3 m。本實(shí)驗(yàn)中，腔內(nèi)凈色散為-0.05 ps2，接近于0 ps2，相對(duì)應(yīng)的總腔長(zhǎng)為6.9 m。

圖1 色散管理?yè)戒A光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

輸出鎖模脈沖的光譜通過(guò)光譜分析儀(OSA, YOKOGAWA AQ6375)觀測(cè)，其在2 μm波段最高分辨率為0.05 nm。脈沖通過(guò)2 μm高速光電探測(cè)器探測(cè)，其帶寬可達(dá)10 GHz以上，上升沿時(shí)間為28 ps。脈沖信號(hào)在時(shí)域上通過(guò)示波器(OSC, Agilent DSO9254A)觀測(cè)，其帶寬為2.5 GHz，最高采樣率為40 GSa/s。脈沖信號(hào)在頻域通過(guò)頻譜分析儀(FSA, Agilent N1996A)觀測(cè)，其頻率探測(cè)范圍為100 kHz～3 GHz。鎖模脈沖的自相關(guān)跡通過(guò)自相關(guān)儀(Femtochrome, FR-103XL)觀測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)泵浦功率至270 mW時(shí)，產(chǎn)生連續(xù)光。當(dāng)繼續(xù)增加泵浦功率至610 mW時(shí)，達(dá)到鎖模閾值。通過(guò)調(diào)節(jié)PC1和PC2，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單脈沖輸出。由于放大器的功率限制，在最大泵浦功率1 W下，仍能保持單脈沖運(yùn)行。在鎖模閾值610 mW時(shí)，輸出脈沖的光譜如圖2(a)所示，從其光譜可以看出光譜光滑，沒有典型的Kelly邊帶產(chǎn)生，表明該激光器工作在典型的展寬脈沖鎖模區(qū)域[21]。中心波長(zhǎng)和3 dB譜寬分別為1 939.4 nm和21.3 nm。圖2(b)是其脈沖序列圖，可以看出脈沖序列穩(wěn)定均勻地分布在整個(gè)空間，每個(gè)脈沖幅度基本一致，脈沖間隔為34.5 ns，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為28.9 MHz，與腔長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。圖2(c)為對(duì)應(yīng)的自相關(guān)跡圖，當(dāng)未使用UHNA4光纖壓縮時(shí)，輸出脈沖自相關(guān)跡的半高全寬為1.72 ps。假設(shè)高斯擬合時(shí)，其對(duì)應(yīng)的脈寬為1.22 ps。通過(guò)計(jì)算可得輸出展寬脈沖的時(shí)間帶寬積(TBP)為2.05，表明該輸出脈沖具有較大的啁啾。在腔外采用一段6 m長(zhǎng)的UHNA4光纖進(jìn)行壓縮，如圖2(c)中的虛線所示，經(jīng)過(guò)壓縮后其脈沖寬度為482fs。圖2(d)為其頻譜圖，信噪比大于53 dB，從其大范圍的頻譜圖可以看出該激光器能夠輸出穩(wěn)定的鎖模脈沖序列。

增加泵浦功率至645 mW時(shí)，調(diào)節(jié)PCs可以獲得不同于展寬脈沖鎖模的鎖模脈沖輸出。在泵浦功率為645 mW時(shí)，光譜如圖3(a)所示，相比于展寬脈沖，其3 dB譜寬從21.3 nm增加到23 nm。中心波長(zhǎng)紅移至1 940.1 nm。圖3(b)是其脈沖序列圖，相鄰脈沖的脈沖間隔為34.3 ns，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為29.1 MHz。圖3(c)為壓縮前的自相關(guān)跡圖，采用高斯函數(shù)擬合時(shí)，其具有一個(gè)寬度為10.12 ps的基底以及一個(gè)寬度為826 fs的尖峰，表明該激光器工作在典型的類噪聲脈沖鎖模區(qū)域。同樣使用6 m長(zhǎng)的UHNA4光纖進(jìn)行壓縮，壓縮后的自相關(guān)跡如圖3(d)所示。壓縮后的基底寬為7.15 ps，尖峰寬為285 fs。圖4為類噪聲脈沖的頻譜圖，信噪比大于41 dB，從其大范圍的頻譜圖可以看出該激光器能輸出穩(wěn)定的鎖模脈沖序列。從圖4可以看出，類噪聲脈沖的信噪比低于展寬脈沖的信噪比，這是由于類噪聲脈沖包絡(luò)里是由大量的超短飛秒脈沖組成，降低了類噪聲脈沖的相干性，因此信噪比相比于展寬脈沖要低。

圖5為展寬脈沖和類噪聲脈沖的輸出功率與泵浦功率關(guān)系圖，從圖中可以看出輸出功率與泵浦功率之間呈線性關(guān)系。對(duì)于展寬脈沖，當(dāng)泵浦功率從610 mW增加至1 W時(shí)，輸出功率可以從3.8 mW增加至15 mW。對(duì)于類噪聲脈沖，當(dāng)泵浦功率從645 mW增加至1 W時(shí)，輸出功率可以從4 mW增加至20.4 mW。對(duì)應(yīng)的展寬脈沖和類噪聲脈沖的脈沖能量分別為0.52 nJ和0.7 nJ，其脈沖能量都明顯高于傳統(tǒng)孤子的極限脈沖能量。

圖2 展寬脈沖鎖模

圖3 類噪聲脈沖鎖模

圖4 類噪聲脈沖鎖模頻譜圖

圖5 展寬脈沖和類噪聲脈沖的輸出功率與泵浦功率關(guān)系圖

在色散管理腔中，當(dāng)腔內(nèi)凈色散趨近于0時(shí)，由于脈沖在腔內(nèi)經(jīng)歷更明顯的脈沖呼吸過(guò)程(即脈沖在負(fù)色散光纖和正色散光纖中經(jīng)歷壓縮和展寬的過(guò)程)，使得脈沖的脈沖能量隨著腔內(nèi)凈色散趨近于0而增大。然而，當(dāng)我們繼續(xù)增加腔內(nèi)UHNA4光纖長(zhǎng)度使腔內(nèi)色散趨近于0時(shí)，展寬脈沖和類噪聲脈沖的脈沖能量逐漸降低。這是由于UHNA4光纖的傳輸損耗以及與單模光纖的拼接損耗造成的。當(dāng)脈沖在腔內(nèi)經(jīng)歷多次循環(huán)后，雖然脈沖的脈沖能量能夠得到提高，但所提高的脈沖能量低于由于過(guò)長(zhǎng)的UHNA4光纖引入的傳輸損耗以及與單模光纖的拼接損耗。因此，展寬脈沖和類噪聲脈沖的脈沖能量反而降低。為此，下一步可以采用具有更高正色散的光纖如微納光纖以及新的拼接工藝降低腔內(nèi)損耗，從而能夠?qū)崿F(xiàn)具有更高脈沖能量的脈沖輸出。

3 結(jié)論

研究了一種色散管理?yè)戒A光纖激光器，利用SMF以及UHNA4光纖管理諧振腔色散，使腔內(nèi)色散處于凈零色散區(qū)域。通過(guò)增加泵浦功率以及適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)PCs，實(shí)現(xiàn)了具有高脈沖能量的展寬脈沖和類噪聲脈沖輸出。經(jīng)過(guò)UHNA4光纖壓縮后，展寬脈沖的脈沖寬度為482 fs，類噪聲脈沖的尖峰寬為285 fs以及基底寬為7.12 ps。展寬脈沖和類噪聲脈沖的最大輸出功率分別為15 mW和20.4 mW，對(duì)應(yīng)的最大單脈沖能量分別為0.52 nJ和0.7 nJ。此外，可以采用具有大正色散的微納光纖以及新的拼接工藝的方法降低諧振腔的腔內(nèi)損耗，進(jìn)一步提高展寬脈沖和類噪聲脈沖的脈沖能量。相比于傳統(tǒng)孤子，本文所實(shí)現(xiàn)的具有高脈沖能量的展寬脈沖和類噪聲脈沖可作為理想的主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)以及啁啾脈沖放大結(jié)構(gòu)的種子源，提高2 μm光纖激光器在中紅外光源、材料加工等應(yīng)用中的潛在價(jià)值。