利用非線性脈沖預整形實現(xiàn)脈沖快速自相似放大*

王思佳 顧澄琳 劉博文 宋有建 錢程 胡明列 柴路 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)

(2013年1月15日收到;2013年3月27日收到修改稿)

1 引言

光纖飛秒激光系統(tǒng)具有結構簡單、集成度高、穩(wěn)定性好、成本低和易操作等優(yōu)點,能夠滿足眾多應用領域需求,如非線性光學、精密測量等.除此秒之激外光,技光術纖成帶為來高的速近高衍精射度極材限料分加辨工率、,使生光物纖醫(yī)飛學成像、組織處理以及納米診斷等研究中的重要工具寬、[1].熱摻效Y應b3小+[光2],纖在抽輸運出效高率平高均、功增率益上大具、有發(fā)得射天譜獨厚的優(yōu)勢,但在獲得高能量和窄脈沖方面仍然落后于傳統(tǒng)固體飛秒激光技術.為提高光纖飛秒激光器輸出指標,目前主要有啁啾脈沖放大和非線性放大兩種技術手段[3].為提高輸出脈沖能量,大多采用啁啾脈沖放大結構,但是受限于放大器有限的增益帶寬,啁啾脈沖放大通常不能獲得小于100 fs的脈沖寬度,因而存在一定的局限性.為減小輸出脈沖寬度,通常采用非線性放大結構,利用放大過程中的自相位調制作用,得到光譜寬度近50 nm,脈寬約50 fs的飛秒激光脈沖輸出,但是一般都帶有不可避免的非線性啁啾積累[4].為克服這個缺點,在非線性放大中引入了立方子(cubicon)[5]和自相似子(similariton)[6]的概念.在立方子放大器中,利用光纖展寬器和光柵對壓縮器之間不匹配的三階色散補償放大過程中積累的非線性啁啾.但是這種方法很難得到變換極限脈沖輸出,并且需要三階色散和非線性啁啾之間的精確匹配[7].

與立方子放大不同,自相似放大只會積累線性啁啾,保證放大脈沖的有效壓縮,得到脈寬100 fs左右的變換極限脈沖.根據(jù)自相似理論[8],脈沖的自相似演化行為只由初始脈沖能量和放大器增益水平決定,但是在增益水平一定的情況下,其演化速度卻受到脈沖時域寬度和形狀的影響[9].在早期的研究中,為完成拋物線脈沖演化,總是采用較長的增益光纖.但是當增益光纖過長時,脈沖會受到受激拉曼散射效應的影響,自相似演化進程遭到破壞,限制輸出脈沖能量,降低壓縮后脈沖質量[10].除脈沖時域參數(shù)之外,脈沖自相似演化也與入射脈沖的光譜寬度和形狀有關,為此,在早期的研究中通常采用輸出脈沖光譜平滑、譜寬2—3 nm的固體飛秒激光器作為自相似放大的振蕩級,降低了光纖系統(tǒng)的緊湊性.由于放大器的增益水平和譜寬由反轉粒子數(shù)分布決定[11],對于確定的種子脈沖和增益光纖長度,只存在一個最佳的抽運功率,過高或過低都會使脈沖偏離自相似演化,降低輸出脈沖質量[4].因此,研究如何優(yōu)化脈沖參數(shù)以降低脈沖演化對抽運功率的敏感程度,在短增益光纖中盡快實現(xiàn)自相似放大是十分必要的[12,13].

本文提出一種被動的非線性脈沖整形方法,在放大前對振蕩級輸出脈沖進行時域和頻域優(yōu)化調整,加速脈沖在放大過程中的自相似演化進程.非線性脈沖整形裝置由一對透射光柵和一段普通單模光纖組成.由光柵對為振蕩級直接輸出脈沖提供負啁啾,在單模光纖中的自相位調制效應和群速度色散的共同作用下,負啁啾脈沖在時域和頻域同時得到壓縮和整形[14].通過調節(jié)光柵對提供的預啁啾量,不斷優(yōu)化單模光纖輸出的脈沖時域寬度、光譜寬度和脈沖形狀,在只有約2 m長的摻Yb3+光纖中,在一定抽運功率范圍內實現(xiàn)了自相似放大,去啁啾后輸出脈寬約60 fs的變換極限脈沖.同時,通過這種方法降低了自相似放大對振蕩級輸出脈沖質量的要求[12],即使是輸出具有光譜不對稱、調制深及邊沿陡峭等缺點的全正色散鎖模光纖激光器,也可以作為自相似放大的種子源,大大提高了當前自相似放大系統(tǒng)的結構緊湊性.

2 實驗裝置和數(shù)值模擬

圖1為實驗裝置示意圖,振蕩級采用全正色散鎖模摻Yb3+光纖激光器,直接輸出脈沖寬度1 ps,光譜寬度15 nm,中心波長1040 nm,重復頻率48 MHz的種子脈沖.該脈沖可以被壓縮至140 fs(壓縮后的脈沖自相關曲線和光譜如圖2(a)和(b)中實線所示).非線性脈沖整形裝置由一對1200 line/mm的透射光柵和一段1 m長的普通單模光纖組成,放大級前脈沖平均功率為60 mW.放大級增益光纖為2.2 m長的單模偏振型雙包層摻Yb3+光纖(SM-PM-DC-Yb-fi ber),纖芯直徑11μm,光纖內包層的蝴蝶結形應力元保證了光纖具有大于17 dB的偏振消光比.增益光纖一端與單模光纖熔接(熔接損耗約1%),另一端塌陷并打磨成8°角,以防止端面反饋形成自激振蕩.放大器由最高功率8 W的976 nm波長半導體激光二極管后向抽運.實驗中兩次通過600 line/mm的閃耀光柵對壓縮放大后的脈沖,透過效率約64%.

圖1 實驗裝置圖

在非線性脈沖整形階段,負啁啾脈沖在普通單模光纖中傳輸時,不僅在正群速度色散的作用下得到時域上的壓縮,在自相位調制的作用下,脈沖的光譜寬度和形狀也得到了壓縮和調整.通過預整形,對自相似演化速率影響最大的初始脈沖時域寬度得到了精確優(yōu)化,保證在最短的增益光纖中實現(xiàn)自相似演化.同時,由于脈沖光譜被壓窄,有效地避免演化過程中脈沖光譜過早地超過增益帶寬而影響輸出脈沖質量[10];此外,影響壓縮脈沖質量的初始脈沖光譜調制也得到了有效抑制.這兩種頻域的優(yōu)化處理,保證了自相似演化的完成,在放大過程中只引入線性啁啾,去啁啾后得到高質量的近變換極限脈沖輸出.在實驗中,最佳的預整形狀態(tài)是通過監(jiān)測壓縮脈沖自相關曲線判定的,以得到最短的脈沖寬度和最小的脈沖基底為最佳.

首先,采用實驗中測得的全正色散鎖模激光器輸出光譜(圖2(b)中的實線)作為輸入信號,模擬了脈沖在非線性脈沖整形階段和放大器中的演化.在數(shù)值計算中,首先給脈沖施加了與實驗一致的預啁啾,將脈沖展寬至1 ps,并帶有負啁啾.利用分步傅里葉算法求解非線性薛定諤方程,模擬脈沖在整形光纖和增益光纖中的自相位調制和群速度色散作用.整形后的脈沖自相關曲線和光譜如圖2(a)和(b)中的虛線所示,從圖中可以看出,在整形光纖中脈沖的頻譜寬度和形狀都得到明顯地窄化和調整.在放大器的模擬中,采用均勻加寬的二能級系統(tǒng)速率方程和傳輸方程來描述放大器的增益,模型中的吸收截面σ12(ν)和發(fā)射截面σ21(ν)取參考文獻[13]中的數(shù)值.最后采用光柵對壓縮程序模擬對放大脈沖的去啁啾過程,圖2(c)和(d)分別為模擬所得去啁啾后的脈沖自相關曲線和光譜.為確定非線性脈沖預整形對實現(xiàn)脈沖自相似放大的積極作用,在脈沖寬度、脈沖能量和放大器參數(shù)相同的條件下,模擬了直接輸入未經過非線性預整形的脈沖的放大結果.給振蕩級輸出脈沖施加正啁啾,展寬至圖2(a)虛線所示的脈沖寬度,將此正啁啾脈沖直接放大,在相同的抽運功率下,放大脈沖去啁啾后的自相關曲線和光譜分別如圖2(c)和(d)中實線所示.對比可知,經過非線性預整形優(yōu)化的脈沖,不僅可以得到更寬的放大光譜,更窄的去啁啾脈沖寬度,而且還可以得到更小的脈沖基底.從上述數(shù)值模擬結果,可以證明非線性脈沖預整形方法確實可以加速脈沖在下一級光纖放大器中的自相似演化.

圖2 (a)實驗測量的振蕩級輸出脈沖去啁啾后的自相關曲線(實線),數(shù)值模擬的預啁啾脈沖經單模光纖傳輸后的自相關曲線(虛線);(b)實驗測量的振蕩級輸出脈沖光譜(實線),數(shù)值模擬的預啁啾脈沖經單模光纖傳輸后的光譜(虛線);(c)數(shù)值模擬的經過非線性脈沖預整形優(yōu)化的放大脈沖去啁啾自相關曲線(虛線),數(shù)值模擬的未經過脈沖預整形優(yōu)化的放大脈沖去啁啾自相關曲線(實線);(d)數(shù)值模擬的經過非線性脈沖預整形優(yōu)化的放大脈沖光譜(虛線),數(shù)值模擬的未經過脈沖預整形優(yōu)化的放大脈沖光譜(實線)

3 實驗結果

根據(jù)模擬分析結果設計了實驗,通過優(yōu)化預整形輸出脈沖參數(shù),在一定的抽運功率范圍內均實現(xiàn)了快速自相似脈沖演化.

從放大脈沖光譜隨抽運功率的演化圖3(a)中可以看出,由于自相位調制效應的光譜展寬作用,當抽運功率從1 W增加到5 W時,輸出脈沖光譜寬度單調增加,對應的去啁啾脈沖寬度(圖3(b))單調遞減.而當抽運功率高于5 W時,由于增益窄化效應加強,限制了輸出光譜的展寬速度,脈沖光譜和壓縮后脈沖寬度隨著抽運功率的增加沒有明顯變化.除此之外,高抽運功率會帶來偏向短波的增益中心[13],造成圖3(a)中的脈沖放大光譜中心隨抽運功率的增加而偏向短波.當增益譜線中心與初始脈沖中心波長偏離較大時,不可避免的增益整形作用劣化了輸出脈沖質量,使壓縮后脈沖帶有一定的基底.

在實驗中,根據(jù)抽運功率調整單模光纖前的光柵對提供的負啁啾量,確保獲得最佳的放大壓縮脈沖質量.盡管放大器的抽運功率是變化的,但是經過單模光纖對放大前脈沖的時域和頻域的優(yōu)化,依然保證了脈沖可以快速地進入拋物線脈沖放大.圖4(a)—(c)為三種典型抽運功率下得到的去啁啾脈沖,圖中黑色實線為利用PICASO算法還原所得的脈沖時域形狀,為實驗測得光譜施加零相位,經傅里葉變換后得到相應的變換極限脈沖時域形狀如圖中紅色虛線所示.從圖4可以看出,當抽運功率從3 W增加到7.6 W時,經PICASO算法還原的去啁啾脈沖與相應傅里葉變換極限脈沖有著幾乎完全相同的時域形狀,說明脈沖放大過程中只引入了線性啁啾,這是拋物線形脈沖放大的典型特點.在實驗中,當抽運功率為5 W時,脈沖得到了最有效的壓縮,獲得了約60 fs無基底變換極限脈沖輸出.當抽運功率偏離5 W時,與傅里葉變換極限脈沖相比,壓縮后脈沖具有少量基底.

圖3 實驗結果 (a)放大脈沖光譜;(b)去啁啾自相關曲線隨抽運功率的演化

在非線性放大研究中,常采用“Strehl ratio”[15]來評價壓縮后的時域脈沖質量,當Strehl ratio值為1時,表示輸出傅里葉變換極限脈沖.根據(jù)圖4中的還原結果,分別計算去啁啾脈沖的Strehl ratio值.當抽運功率為3 W(圖4(a))時,算得脈沖的Strehl ratio值為0.956,當抽運功率增長到5 W時(圖4(b)),該值增長到0.985,這個增長反映了脈沖在增益光纖中的演化已經趨近于拋物線放大.當抽運功率高達7.6 W(圖4(c))時,Strehl ratio值降低到0.931,此時放大器增益已經大于20 dB,此處Strehl ratio值的下降是因為由粒子數(shù)反轉水平決定的增益譜形狀對脈沖形狀的破壞.盡管如此,在整個抽運功率范圍內,Strehl ratio都保持了大于0.9的數(shù)值,表明了脈沖的拋物線放大過程,說明了非線性脈沖預整形對于完成自相似放大演化,獲得變換極限去啁啾脈沖的重要作用.

圖4 不同抽運功率下的去啁啾脈沖PICASO還原脈沖形狀(黑色實線)和相應的變換極限脈沖形狀(紅色虛線) (a)3 W;(b)5 W;(c)7.6 W

4 結論

本文報道了一種優(yōu)化初始脈沖參數(shù)獲得自相似脈沖放大的非線性脈沖預整形方法.利用正色散光纖中的自相位調制效應和群速度色散對負啁啾脈沖的整形作用,通過調整光柵對間距,種子脈沖時域寬度、光譜寬度和形狀都得到了優(yōu)化.在約2 m長摻Yb3+光纖中,在3—7.6 W的抽運功率下都實現(xiàn)了放大過程中色散、非線性和增益之間的平衡,保證了線性啁啾自相似脈沖輸出,壓縮后得到近60 fs的無基底變換極限脈沖.利用這種非線性預整形方法,只需提高增益光纖的模場面積[16],采用更高功率的抽運源,就可以輸出具有更高單脈沖能量和峰值功率的無基底變換極限飛秒激光脈沖.

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