曹 順，郝 強(qiáng)，曾和平

（1．上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2．華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

引 言

處于人眼安全波段以及通訊窗口的1.5 μm波段超短脈沖激光器在太赫茲產(chǎn)生、光通信、生物光子學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-4]。超短脈沖光纖激光器大多依賴于被動(dòng)鎖模技術(shù)來搭建[5]，諸如非線性放大環(huán)形鏡（nonlinear amplification loop mirror, NALM）鎖模[6]、半導(dǎo)體可保和吸收鏡（semiconductor saturable absorber mirror, SESAM）鎖模[7]和非線性偏振旋轉(zhuǎn)（nonlinear polarization rotation, NPR）鎖模[8]。NALM具有可靠性高、背景噪聲低優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)非線性相位累積需求較高，致使鎖模閾值較高[9]。2018年，高婉麗等利用NALM鎖模獲得重復(fù)頻率257 MHz、脈沖寬度44.6 fs、輸出功率104 mW的超短脈沖[10]。NPR具有裝置簡單、易于搭建、鎖模自啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但NPR采用非保偏結(jié)構(gòu)，工作狀態(tài)易受外界環(huán)境影響[11]。盡管已有基于保偏光纖NPR鎖模的報(bào)道，但溫度對(duì)光纖折射率的影響這一因素并未解決，仍然會(huì)影響鎖模[12-13]。2019年，馬挺等利用NPR鎖模獲得重復(fù)頻率100 MHz、脈沖寬度39 fs、輸出功率94.5 mW的超短脈沖[14]。SESAM鎖模技術(shù)具有閾值低、自啟動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[15]，在實(shí)際應(yīng)用中備受關(guān)注。2017年，陳炯等通過腔內(nèi)色散補(bǔ)償方法，采用透射式SESAM實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率82.84 MHz、輸出功率10 mW、脈沖寬度381 fs的脈沖[16]。2016年，Yu等利用飽和吸收體鎖模經(jīng)過雙級(jí)放大以及后續(xù)壓縮結(jié)構(gòu)得到了重復(fù)頻率200 MHz、輸出功率320 mW、脈沖寬度34 fs的超短脈沖[17-18]。

太赫茲（THz）作為21世紀(jì)最重要的新興學(xué)科之一，在人體安檢、無損檢測、醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[19]。在THz時(shí)域光譜技術(shù)研究和應(yīng)用上，超短脈沖激光激發(fā)光電導(dǎo)天線是較為常用的方案。光電導(dǎo)天線的激發(fā)功率通常為平均功率30 mW、脈沖寬度小于100 fs。因此，需要小型化、集成化、滿足THz時(shí)域光譜測試技術(shù)的摻鉺光纖激光器。本文搭建了基于全保偏光纖的摻鉺光纖鎖模振蕩器，并通過一級(jí)單模光纖放大器，獲得了重復(fù)頻率100 MHz、輸出功率30 mW、脈沖寬度80 fs的超短脈沖。放大器部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果相符。此外，將1 550 nm飛秒脈沖在PPLN晶體中進(jìn)行光學(xué)倍頻，進(jìn)一步獲得了輸出功率5 mW、中心波長780 nm的飛秒脈沖。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中SESAM為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡；WDM為波分復(fù)用器；CP/ISO為耦合器和隔離器的復(fù)合器件，Coupler 1的分光比為20∶80，Coupler 2的分光比為5∶95；ESF為負(fù)色散摻鉺單模光纖；LD1、LD2、LD3為激光二極管，中心波長為974 nm，最大輸出功率為400 mW；ISO為隔離器；Tap為監(jiān)測激光器鎖模端口；WDM/CP3為波分復(fù)用器和耦合器的復(fù)合器件，Coupler 3的分光比為50∶50；EDF為正色散摻鉺單模光纖；PM1550為保偏單模1 550 nm光纖；Output為激光器輸出端口；L1為鍍1 550 nm增透膜的聚焦透鏡，焦距為5 mm；PPLN為周期極化鈮酸鋰晶體，極化周期20.9 μm，厚度0.3 mm；L2為鍍780 nm增透膜的準(zhǔn)直透鏡，焦距為5 mm。

圖1 光路實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Schematic of the optical experimental setup

該全保偏SESAM被動(dòng)鎖模光纖振蕩器的工作原理為：當(dāng)脈沖經(jīng)過SESAM時(shí)，脈沖中心部分能量高，SESAM處于“漂白”狀態(tài)，透過率高，脈沖中心部分被反射回腔內(nèi)；相反，脈沖邊沿部分能量低，被SESAM吸收，實(shí)現(xiàn)脈沖窄化。經(jīng)過無數(shù)次循環(huán)后，最終形成穩(wěn)定鎖模脈沖。由976/1 560 nm WDM將974 nm的抽運(yùn)光耦合進(jìn)諧振腔的增益光纖ESF上，該ESF光纖的色散為-20.5 fs2/mm，纖芯直徑為7 μm、數(shù)值孔徑為0.15。通過分光比為20∶80的Coupler，將20%的能量作為種子脈沖輸出，種子脈沖經(jīng)過ISO后，進(jìn)入摻鉺單模光纖放大器（EDFA）。放大器采用雙向泵浦放大技術(shù)，選用EDF作為放大器的增益介質(zhì)，該EDF的色散為33 fs2/mm，纖芯直徑為5 μm、數(shù)值孔徑為0.27。之后，通過分光比為50∶50的Coupler將其分成兩路，分別經(jīng)過色散值為-22 fs2/mm的單模光纖（SMF）進(jìn)行色散補(bǔ)償。其中，一路為Output1，輸出1 560 nm超短脈沖；另外一路為Output2，通過PPLN晶體倍頻輸出780 nm波長的超短脈沖。

2 結(jié)果與討論

2.1 振蕩器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建重復(fù)頻率為100 MHz的鎖模光纖振蕩器，根據(jù)腔長計(jì)算公式f=c/nL，其中c為光速，n為光纖折射率，L為振蕩器腔長，計(jì)算出對(duì)應(yīng)總腔長為2.05 m。增益光纖的長度對(duì)激光器的狀態(tài)和參數(shù)有較大的影響。當(dāng)增益光纖過短時(shí)，造成振蕩器的增益不足，不容易達(dá)到振蕩器的鎖模閾值；當(dāng)增益光纖過長時(shí)，會(huì)產(chǎn)生增益介質(zhì)的自吸收，同樣難以實(shí)現(xiàn)鎖模。實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ESF長度為70 cm時(shí)，振蕩器較容易實(shí)現(xiàn)鎖模。考慮到ESF和SMF的色散值分別為-20.5 fs2/mm和-22.0 fs2/mm，可得出腔內(nèi)凈色散為-0.044 ps2。泵浦功率小于鎖模閾值時(shí)，增益小于腔內(nèi)損耗，腔內(nèi)形成不穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖；當(dāng)泵浦功率達(dá)到100 mW鎖模閾值時(shí)，振蕩器可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模，輸出功率為4 mW。圖2（a）是通過示波器顯示的鎖模脈沖序列圖，可以看出振蕩器重復(fù)頻率約為100 MHz。當(dāng)泵浦功率大于鎖模閾值時(shí)，增加泵浦功率將導(dǎo)致基頻脈沖分裂，形成多脈沖鎖模。新產(chǎn)生的脈沖在孤子引力作用下向中心移動(dòng)，當(dāng)腔內(nèi)孤子脈沖等間隔分布時(shí)，相互作用力停止，此時(shí)出現(xiàn)高次諧波鎖?，F(xiàn)象[20]。圖2（b）是由自相關(guān)儀測得振蕩器輸出脈沖的自相關(guān)曲線。當(dāng)采用雙曲正割擬合時(shí)，脈沖寬度τ為1.27 ps。圖2（c）是用光譜儀測得的輸出光譜，中心波長為1 563 nm，半高全寬為11 nm。由于振蕩器為全負(fù)色散振蕩器，光譜兩邊出現(xiàn)了較為明顯的一階克利邊帶，是典型的孤子鎖模脈沖。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，種子脈沖的時(shí)間帶寬積為1.72，約為變換極限的5.5倍。

圖2 鎖模振蕩器輸出的脈沖序列、脈沖寬度和光譜Fig. 2 Pulse characters of mode-locked oscillator, pulse duration and spectrum

2.2 放大器數(shù)值模擬

超短脈沖在光纖中傳輸演化過程遵循非線性薛定諤方程[21]。

式中：A為脈沖包絡(luò)變化振幅；α為光纖的增益或損耗系數(shù)；γ為非線性系數(shù)；β2為二階群速度色散（GVD）；ω0為入射超短脈沖的中心頻率。為了實(shí)現(xiàn)輸出功率30 mW、脈沖寬度80 fs的參數(shù)指標(biāo)，我們對(duì)脈沖在光纖中的傳輸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬超短脈沖在光纖中的傳輸過程時(shí)，需要設(shè)定傳輸光纖的主要參數(shù)，包括光纖的增益系數(shù)、非線性系數(shù)、光纖長度、二階色散值，以及入射超短脈沖的主要參數(shù)，包括脈沖寬度、單脈沖能量。本文主要模擬了脈沖放大和壓縮兩個(gè)過程，這兩個(gè)過程分別在兩段光纖中進(jìn)行。第一個(gè)為脈沖在增益光纖中放大過程，光纖參數(shù)：α=4 dB/m、γ=4 W-1·km-1、光纖長度為2.9 m的正色散摻鉺增益光纖，β2=33 fs2/mm。輸入脈沖的脈沖寬度為1.27 ps、單脈沖能量為0.04 nJ。通過調(diào)節(jié)初始脈沖的群色散延遲，圖3（a）是脈沖經(jīng)增益光纖放大后的脈沖寬度，脈沖寬度為3.52 ps。圖3（d）是相應(yīng)的輸出光譜，光譜的半高全寬為14.1 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時(shí)間帶寬積為6.11，約為變換極限的19.4倍，說明放大后的脈沖是可以被壓縮的。第二個(gè)為放大后的脈沖在單模光纖中的壓縮過程，光纖參數(shù)：α=-0.2 dB/km、γ=2 W-1km-1、長度為2.82 m的負(fù)色散單模光纖，β2=-22 fs2/mm。輸入脈沖的脈沖寬度為3.52 ps、單脈沖能量為0.6 nJ。圖3（b）是脈沖經(jīng)單模光纖壓縮后的輸出脈寬，脈沖寬度為83 fs。圖3（e）是相應(yīng)的輸出光譜，光譜的3 dB帶寬為42.7 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時(shí)間帶寬積為0.437，約為變換極限的1.39倍。我們采用控制變量方法深入研究脈沖寬度隨單脈沖能量和光纖長度的變化關(guān)系，如圖3（c）所示，保持壓縮光纖長度不變，改變?nèi)肷涿}沖的單脈沖能量。當(dāng)光纖長度不變時(shí)，壓縮系統(tǒng)中GVD總量不變，初始輸出脈沖經(jīng)增益放大后帶有正啁啾，隨著入射脈沖能量的增加，非線性效應(yīng)增強(qiáng)，自相位調(diào)制（SPM）積累的頻率正啁啾逐漸增強(qiáng)，當(dāng)其與系統(tǒng)的負(fù)GVD相抵消時(shí)，獲得最窄輸出脈沖。繼續(xù)增加入射脈沖的單脈沖能量，此時(shí)SPM積累的頻率正啁啾超過了壓縮系統(tǒng)的負(fù)GVD，導(dǎo)致輸出脈沖被展寬。僅改變單模光纖長度時(shí)，如圖3（f）所示，脈沖在SPM和GVD的共同作用下，呈現(xiàn)出先壓縮后展寬的狀態(tài)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過調(diào)節(jié)泵浦功率改變?nèi)肷涿}沖的單脈沖能量，進(jìn)而改變光纖非線性強(qiáng)度；通過調(diào)節(jié)單模光纖長度，改變GVD，當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，可以獲得最窄輸出脈沖。

2.3 放大器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，我們搭建了雙向泵浦的光纖放大器，如圖1所示。放大器選用2.9 m EDF作為增益光纖，通過調(diào)節(jié)泵浦功率的大小和改變SMF的長度，當(dāng)前向和后向泵浦功率各為130 mW、SMF長度為2.82 m時(shí)，放大器輸出功率為32 mW，如圖4（c）所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了14 h的功率穩(wěn)定性測試：1min內(nèi)功率抖動(dòng)為0.6%；10min內(nèi)功率抖動(dòng)為0.9%；14 h內(nèi)功率抖動(dòng)為1%。圖4（a）是用自相關(guān)儀測到相應(yīng)輸出脈沖的自相關(guān)曲線，當(dāng)采用雙曲正割擬合時(shí)，脈沖寬度為85 fs。從脈沖自相關(guān)曲線中計(jì)算出，擬合后脈沖主峰能量占實(shí)際脈沖主峰能量的85.35%。圖4（b）是用光譜儀測得的相應(yīng)輸出光譜，光譜的3 dB帶寬為38.3 nm、中心波長為1 560 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時(shí)間帶寬積為0.401，約為變換極限的1.27倍，已經(jīng)接近變換極限。數(shù)值模擬超短脈沖傳輸時(shí)，忽略了三階色散效應(yīng)對(duì)脈沖傳輸?shù)挠绊?。在?shí)際操作過程中，由于選用光纖的非線性系數(shù)和模擬參數(shù)不同，加上光纖熔接損耗等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬存在差異但大致吻合。

圖3 放大器數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 3 amplifier numerical simulation results

將1 560 nm超短脈沖激光在PPLN晶體中進(jìn)行光學(xué)倍頻，通過調(diào)節(jié)聚焦到PPLN晶體上的位置和PPLN晶體的倍頻通道，獲得最大倍頻功率為5 mW。圖5（a）是采用自相關(guān)儀測得的倍頻輸出脈沖的自相關(guān)曲線。當(dāng)采用雙曲正割擬合時(shí)，脈沖寬度為100 fs。圖5（b）是用光譜儀測到相應(yīng)的輸出光譜，可以看出中心波長為780 nm。

圖4 放大器輸出的脈沖寬度、光譜和功率穩(wěn)定性Fig. 4 Amplifier output pulse width, spectral and power stability

3 結(jié) 論

綜上，本文搭建了一種可應(yīng)用于太赫茲產(chǎn)生的摻鉺光纖激光器，輸出波長1 560 nm、重復(fù)頻率100 MHz、平均功率30 mW、脈沖寬度85 fs。通過PPLN倍頻晶體對(duì)1 560 nm激光進(jìn)行光學(xué)倍頻，獲得最大輸出功率5 mW、脈沖寬度100 fs、中心波長780 nm的飛秒脈沖輸出。

圖5 780 nm 輸出脈沖寬度圖和光譜Fig. 5 780 nm output pulse width and spectral