濾波位置相關的全正色散摻Yb3+鎖模光纖激光器的實驗研究*

歐陽春梅 柴路趙慧 胡明列 宋有建 王清月

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，光電信息技術科學教育部重點實驗室，天津300072)

(2009年4月30日收到;2009年9月11日收到修改稿)

濾波位置相關的全正色散摻Yb3+鎖模光纖激光器的實驗研究*

歐陽春梅 柴路?趙慧 胡明列 宋有建 王清月

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，光電信息技術科學教育部重點實驗室，天津300072)

(2009年4月30日收到;2009年9月11日收到修改稿)

采用非線性偏振旋轉鎖模，構建了一種全正色散摻Yb3+光纖環(huán)形激光器.在該激光腔內采用了10nm帶寬的光纖濾波器提供附加的自振幅調制.通過改變?yōu)V波器在腔內的位置，實驗證明了濾波器位置對高啁啾脈沖的整形過程起到重要的作用.在320 mW的抽運功率下，最終獲得平均功率為92.2 mW，脈沖重復頻率為26.6 MHz，脈沖寬度為6.2 ps的穩(wěn)定脈沖輸出，單脈沖能量達3.5 nJ的優(yōu)化結果.通過數(shù)值模擬與實驗結果的驗證表明，兩者相符很好.

鎖模光纖激光器，全正色散，濾波效應，高啁啾脈沖

PACC:4255N，4260D，4280W

1. 引言

近年來，超短脈沖鎖模光纖激光器［1—3］以其高效率、低閾值、可調諧、緊湊型、可用激光二極管(LD)抽運和高性價比等優(yōu)勢成為研究的一個熱點，并已經(jīng)走向市場，逐漸取代固體超短脈沖激光器.然而，隨著超短脈沖激光技術應用領域的擴展，對脈沖能量的要求也越來越高.為了實現(xiàn)高能量、高峰值功率的超短脈沖，激光器的結構和鎖模運轉機制得到了越來越多的關注.提高超短脈沖光纖激光器脈沖能量的傳統(tǒng)方法是使激光器運轉在正色散區(qū)域，通過展寬脈沖來降低峰值功率，從而控制激光器的非線性特性［4］.呼吸型的光纖激光器可以產(chǎn)生從幾十皮焦到幾納焦的脈沖能量［5—7］.自相似脈沖的提出為進一步提高脈沖能量開辟了新的途徑，這種運轉方式產(chǎn)生的單脈沖能量可高達10 nJ［8，9］.采用包層抽運的自相似鎖模激光器可產(chǎn)生20 nJ的脈沖能量［10］.近年來，在沒有采用任何色散補償元件的全正色散(ANDi)光纖激光器中得到了穩(wěn)定的鎖模運轉［11］.在這種激光器中需要采用頻譜濾波元件來穩(wěn)定鎖模運轉.因為在高啁啾脈沖激光器中脈沖能量受到非線性偏振旋轉(NPE)鎖模機制的限制，即當脈沖寬度較寬時，NPE引入的自相位調制效應較弱，很難使鎖模自啟動，而且脈沖能量較高時，NPE的過飽和效應限制了能量的進一步提高.但是，可以在腔內引入頻譜濾波機制來提供附加的自振幅調制，補償NPE因脈沖展寬而削弱的振幅調制特性，也可以在一定程度上弱化NPE的過飽和，這樣可以達到進一步提高脈沖能量的目的.頻譜濾波是通過切除高啁啾脈沖中低頻的脈沖前沿和高頻的脈沖后沿使脈沖窄化，在實驗中可以通過多種手段來實現(xiàn).Buckley等［12］采用刀口來控制高啁啾脈沖在摻Yb3+鎖模光纖激光器中的整形過程. Chong等［13］在腔內插入雙折射濾波片引入頻譜濾波效應，在沒有色散補償?shù)那闆r下，得到的脈沖能量高達20 nJ.今年，Kieu等［14］在ANDi光纖激光器中采用雙包層摻Yb3+光纖作為增益介質，得到了31 nJ的脈沖能量.在這些高啁啾脈沖激光器中，頻譜濾波的引入提高了脈沖能量，但是都沒有討論過濾波器在腔內的位置對激光輸出的影響.本文采用10nm帶寬的光纖濾波器提供自振幅調制，使高啁啾脈沖激光器穩(wěn)定運轉，并通過研究濾波器在腔內的位置與激光輸出特性的關系，找到了ANDi鎖模光纖激光器中的最佳濾波位置，從而實驗證明了在該類激光器中濾波器放置位置也是一個重要因素.

2. 實驗裝置

為了控制激光器的非線性特性，提高超短脈沖光纖激光器的脈沖能量，必須使激光器運轉在較高的正色散區(qū)域.實驗裝置如圖1所示.采用波長為980nm的單模光纖(SMF)耦合輸出的LD作為抽運源，最大抽運功率為320 mW;抽運光通過980/1064的波分復用器(WDM)耦合到增益光纖(GF)中，GF為高摻雜濃度的單模摻Yb3+光纖;腔內其余的光纖元件為HI 1060型SMF，其中GF前面的SMF長度總和約為6 m，為激光器提供較大的正常色散;為了避免累積過多的非線性相移，GF后面的SMF不宜過長，這里約為1.3 m;因為GF摻雜濃度較高，所以選擇0.42 m長;計算得到的腔內凈色散約為+0.2 ps2;腔內采用兩個四分之一波片(QWP)和一個半波片(HWP)控制光波的偏振態(tài)和偏振分束棱鏡(PBS)的輸出耦合比，實現(xiàn)NPE鎖模;并采用1064nm的光纖隔離器，使腔內光波實現(xiàn)單向傳輸.為了得到自啟動且穩(wěn)定的被動鎖模運轉，在高啁啾的ANDi光纖激光器中接入了一個波長為1064nm的光纖頻譜濾波器(SF)，3 dB帶寬為10nm.

圖1 ANDi光纖環(huán)形激光器實驗裝置示意圖

在本文研究的激光器腔內，由于沒有采用任何提供負色散的器件，所以該激光器的結構更簡單緊湊、成本較低.由于腔內脈沖具有較高的正啁啾，NPE的鎖模自啟動受到限制，而且它的過飽和效應也限制了脈沖能量的提高.所以在該激光器腔內引入了一個SF，通過其對高啁啾脈沖的頻譜整形，為該激光器提供了附加自振幅調制機制.濾波器的放置位置對激光器的最終輸出特性有重要影響，這是構建一臺光纖激光器應該普遍關注的問題.所以本文的研究重點放在該類激光器中SF的位置效應，目的在于找到SF在ANDi光纖激光器中最佳位置的一般規(guī)律.

3. 實驗結果

當濾波器在腔內的位置如圖1所示時，抽運功率增加到150 mW，開始出現(xiàn)調Q鎖模.繼續(xù)增加抽運功率到190 mW時，調整波片的偏振方向，實現(xiàn)了穩(wěn)定的連續(xù)鎖模.利用上升時間為200 ps的高速響應光電二極管和采樣頻率為4 GHz的示波器探測的鎖模脈沖序列如圖2所示.脈沖重復頻率為26.6 MHz.

圖2 激光器處于單脈沖運轉狀態(tài)下的鎖模脈沖序列

繼續(xù)增加抽運功率到最高值(320 mW)，調整波片得到的鎖模輸出平均功率達92.2 mW，單脈沖能量為3.5 nJ.激光器輸出脈沖的光譜如圖3所示.從圖3可以看到，光譜的中心波長在1065nm處，3 dB帶寬約4.2nm.另外還可以看到，光譜邊沿較陡，并且有尖峰結構，符合濾波作用下得到的典型的脈沖光譜特性［12—14］.

圖3 激光器輸出的脈沖光譜內插圖是對數(shù)坐標下的光譜

鎖模脈沖的自相關曲線如圖4所示.通過擬合發(fā)現(xiàn)，高斯型脈沖的寬度約為6.2 ps，時間帶寬乘積為6.9，是變換極限的15.6倍，所以該ANDi光纖激光器輸出的脈沖具有較高的正啁啾.

圖4 激光器輸出脈沖的自相關曲線

ANDi激光器中的自由光路僅有13cm，光脈沖絕大部分時間是在光纖中傳輸，所以受周圍環(huán)境的影響很小，如敲擊光學平臺也不會對鎖模造成影響.重新打開激光器，只需恢復抽運功率就可以得到穩(wěn)定的鎖模運轉.為了進一步測量該激光器的噪聲特性，采樣頻譜分析儀測量脈沖信號的射頻(RF)頻譜，所得結果如圖5所示.測量過程中，選取頻率范圍為200 kHz，分辨帶寬為300 Hz.很明顯，該激光器穩(wěn)定性較高，信噪比可達80 dB.此外，測量得到的振幅噪聲擾動只有0.06%，在6 Hz—30 kHz頻率范圍內的時間抖動約為200 fs.

圖5 激光器輸出脈沖的RF頻譜形狀

為討論SF在腔內的位置對激光輸出脈沖特性的影響，我們在實驗中有目的地改變SF在腔內的位置，同時保證GF前后的SMF長度保持不變.當SF位于GF后面時，調整波片的偏振角度，得到的最高鎖模輸出功率為71.2 mW，單脈沖能量為2.7 nJ.輸出脈沖光譜和自相關曲線如圖6所示.從自相關曲線可以看到，輸出脈沖寬度沒有變化，但是脈沖形狀變?yōu)殡p曲正割型，光譜形狀也發(fā)生了改變.這些變化不僅與SF的位置有關，還與波片的偏振角度相關.當改變SF在腔內位置到光纖隔離器前面并靠近光纖準直元件時，調整波片后得到最高鎖模輸出平均功率為84 mW，單脈沖能量為3.2 nJ.對應的輸出光譜和自相關曲線如圖7所示.此時，輸出脈沖形狀仍然是高斯型，但脈沖寬度變?yōu)?.9 ps，光譜中心部分強度增大.

圖6 當SF在GF后面時，激光器輸出脈沖特性(a)脈沖光譜，(b)脈沖自相關曲線

圖7 當SF在隔離器前面時，激光器輸出脈沖特性(a)脈沖光譜，(b)脈沖自相關曲線

比較SF在腔內三個不同位置時所得到的鎖模脈沖輸出特性可以發(fā)現(xiàn)，當SF在GF前面(圖1)時得到的輸出脈沖特性最佳，即獲得的脈沖功率最高，脈沖能量最大.

4. 數(shù)值模擬

圖8 數(shù)值模擬得到的脈沖能量和脈沖寬度在腔內的演變過程(a)SF在GF前，(b)SF在GF后，(c)SF在SA后

為了解釋SF位置優(yōu)化實驗結果，我們采用分步傅里葉方法數(shù)值研究了在實驗中考慮的SF三個不同位置條件下，該激光器中脈沖能量和脈沖寬度在腔內各個元件中的動力學演變過程，結果如圖8所示.數(shù)值模擬中NPE鎖模機制可等效于快速可飽和吸收體(SA);SF的頻譜濾波作用采用高斯型的濾波函數(shù)表示.從圖8(a)可以看到:當SF靠近GF前面時，在光脈沖在腔內傳輸過程中，脈沖經(jīng)過SF前面較長的SMF時積累了大量的正啁啾，脈沖寬度大幅度展寬;這時在SF的作用下，脈沖前沿的低頻率成分和后沿的高頻率成分被部分切掉，因此脈沖變窄;在隨后的短SMF中，脈沖又稍微被展寬;在GF段，由于光譜增益的作用使脈沖中部比兩翼(高、低頻部分)的增益大，故寬度變窄，但是由于增益帶寬(數(shù)值計算考慮了40nm增益帶寬)和光纖色散的展寬效應影響，使之逐漸抵消了脈沖的窄化;當脈沖經(jīng)過GF后面的SMF時，脈沖繼續(xù)被展寬;經(jīng)過SA時，可飽和吸收作用進一步壓縮了脈沖寬度.另外，在圖8(a)中也給出腔內脈沖能量的動力學過程.由于光纖較短，模擬時忽略了光纖的損耗，所以脈沖在普通光纖中傳輸時脈沖能量不變.當脈沖經(jīng)過SF時，頻譜濾波效應使脈沖能量有所降低.但在摻Yb3+的GF作用下，脈沖能量即刻被補償并逐漸放大.此后，SA的吸收作用使脈沖能量又下降到了5 nJ，其中3.5nJ的能量被輸出腔外.圖8 (b)表示當SF的位置位于GF后面時，腔內脈沖變化的動力學過程.結合脈沖能量的變化可以發(fā)現(xiàn)，當SF放在GF后面時引入的損耗更大，而且較寬的脈沖使得SA的吸收損耗也增大，因此在輸出耦合比不變的情況下輸出的脈沖能量也會減小.在圖8 (c)中，SF的位置是在SA的后面，輸出的脈沖能量也比SF放在GF前面低.比較上述SF在腔內三個不同位置的模擬結果，只有當SF處于GF前面時才能導致腔內脈沖寬度的劇烈變化，即脈沖的呼吸比最大，而處于其余兩個位置時腔內脈沖寬度的變化明顯減弱，即脈沖呼吸比下降，并且腔內脈沖的平均寬度也增大，不利于非線性效應的積累.以上數(shù)值結果既證明了SF的位置選取對腔內脈沖的動力學過程的影響非常明顯，也驗證了SF在ANDi光纖激光器中的最佳位置應在GF前面，這與實驗結果相符合.

5. 結論

構建了ANDi鎖模光纖激光器，并通過研究腔內濾波器的位置對激光輸出脈沖的影響，實驗證明了在ANDi鎖模光纖激光器中最佳濾波位置應位于GF的前面.在320 mW抽運功率下，獲得了平均功率為92.2 mW，脈沖寬度為6.2 ps，單脈沖能量達3.5 nJ鎖模脈沖序列;光-光轉換效率為71%.實驗中測量了激光器的噪聲特性，得到的振幅擾動噪聲為0.06%，在6 Hz—30 kHz頻率范圍內的時間抖動約為200 fs.此外，通過數(shù)值模擬討論了ANDi光纖激光器中的脈沖運轉特性，并驗證了在實驗中獲得的最佳濾波位置.

［1］Huang X J，Liu Y Z，Sui Z，Li M Z，Li X，Lin H H，Wang J J 2006 Acta Phys.Sin.55 1191(in Chinese)［黃繡江、劉永智、隋展、李明中、李忻、林宏奐、王建軍2006物理學報55 1191］

［2］Fu S G，F(xiàn)an W D，Zhang Q，Wang Z，Li L J，Zhang C S，Yuan S Z，Dong X Y 2004 Acta Phys.Sin.53 4262(inChinese)［付圣貴、范萬德、張強、王志、李麗君、張春書、袁樹忠、董孝義2004物理學報53 4262］

［3］Wang Y G，Ma X Y，F(xiàn)u S G，F(xiàn)an W D，Li Q，Yuan S Z，Dong X Y，Song Y R，Zhang Z G 2004 Acta Phys.Sin.53 1810(in Chinese)［王勇剛、馬驍宇、付圣貴、范萬德、李強、袁樹忠、董孝義、宋晏蓉、張志剛2004物理學報53 1810］

［4］Tamura K，Nelson L E，Haus H A，Ippen E P 1993 Appl. Phys.Lett.64 149

［5］Cautaerts V，Richardson D J，Paschotta R，Hanna D C 1997 Opt.Lett.22 316

［6］Ortac B，Hideur A，Chartier T，Brunel M，zkul C 2003 Opt. Lett.28 1305

［8］Buckley J R，Wise F W，Ilday F，Sosnowski T 2005 Opt. Lett.30 1888

［10］An J，Kim D，Dawson J W，Messerly M J，Barty C P J 2007 Opt.Lett.32 2010

［11］Chong A，Buckley J，Renninger W H，Wise F W 2006 Opt. Express 14 10095

［12］Buckley J，Chong A，Zhou S，Renninger W，Wise F W 2007 J. Opt.Soc.Am.B 24 1803

［13］Chong A，Renninger W H，Wise F W 2007 Opt.Lett.32 2408

［14］Kieu K，Renninger W H，Chong A，Wise F W 2009 Opt.Lett. 34 593

PACC:4255N，4260D，4280W

*Project supported by the State Key Developement Program for Basic Research of China(Grant Nos.2006CB806002，2010CB327604)，the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2007AA03Z447)，the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.60978022，60838004)，the Doctoral Program Foundation of Institution of Higher Education，China(Grant Nos. 20070056083，20070056073)，the Key Program of Science and Technology Research of Ministry of Education，China(Grant No.108032)and the Program for the New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education，China(Grant No.NCET-07-0597).

?Corresponding author.E-mail:lu_chai@tju.edu.cn

Experimental study on all-normal-dispersion mode-locked fiber laser with optimal spectral filtering position*

Ouyang Chun-Mei Chai Lu?Zhao Hui Hu Ming-Lie Song You-Jian Wang Qing-Yue
(Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Ministry of Education，College of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China)
(Received 30 April 2009;revised manuscript received 11 September 2009)

Employing nonlinear polarization rotation，an all-normal-dispersion mode-locked fiber ring laser was constructed，in which a fiber filter with 10nm bandwidth was used in the cavity to provide the additional self-amplitude modulation.The important role of the filter position plays in the high-chirped pulse shaping in the laser has been experimentally demonstrated by choosing different locations of the filter in the cavity.A mode-locked pulse series，with the averaged power of 92.2 mW，output pulse duration of 6.2 ps，and pulse repetition frequency of 26.6 MHz，corresponding to the pulse energy of 3.5 nJ，was obtained in the optimized filter position under a pump power of 320 mW.By the numerical simulation，the propagation dynamics of pulses in the three cases of spectral filter(SF)position in the cavity are obtained and analyzed.The optimal location of the SF is found，which is in agreement with our experimental result.

mode-locked fiber laser，all normal dispersion，filtering effect，highly chirped pulse

book=237,ebook=237

*國家重點基礎研究發(fā)展計劃(批準號:2006CB806002，2010CB327604)、國家高技術研究發(fā)展計劃(批準號:2007AA03Z447)、國家自然科學基金(批準號:60978022，60838004)、高等學校博士學科點專項科研基金(批準號:20070056083，20070056073)、教育部科學技術研究計劃重點項目(批準號:108032)和教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(批準號:NCET-07-0597)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:lu_chai@tju.edu.cn