連續(xù)波泵浦的高功率全光纖化超連續(xù)譜光源

郭春雨，林懷欽，阮雙琛，伍一鳴，歐陽德欽，楊錦輝，韋會峰，胡學娟

1)深圳市激光工程重點實驗室，先進光學精密制造技術(shù)廣東普通高校重點實驗室，深圳大學電子科學與技術(shù)學院，深圳518060;2)光纖光纜制備技術(shù)國家重點實驗室，長飛光纖光纜有限公司研發(fā)中心，武漢430073

光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)具有高非線性系數(shù)和可控色散特性［1］，利用高功率光纖激光器作為泵浦源，使超連續(xù)譜(supercontinuum，SC)研究取得長足進步［2-8］.高功率連續(xù)波摻鐿(Yb)光纖激光器與長度較長的光子晶體光纖結(jié)合也可產(chǎn)生超連續(xù)譜.與脈沖激光泵浦方式相比，基于連續(xù)波泵浦的超連續(xù)譜光源具有光譜功率密度高、光譜光滑以及強度噪聲和相干長度低等優(yōu)勢［2］;高功率連續(xù)波超連續(xù)譜光源在高分辨光學相干層析成像、環(huán)境檢測及激光雷達等領域具有重要的應用前景，因而得到廣泛關(guān)注.

2003年，Avdokhin等［9］利用1 065 nm摻Y(jié)b光纖激光器泵浦100 m光子晶體光纖，實現(xiàn)輸出功率為3.8 W超連續(xù)譜，光譜從泵浦波長擴展到1 380 nm的水峰吸收波長.由于在此波長處受強水峰的影響，光纖的吸收損耗非常大，限制了1 μm光纖激光器泵浦下，超連續(xù)譜光譜向長波的進一步擴展，以及輸出功率的提高.隨著光子晶體光纖拉制技術(shù)的提高，光纖的水峰吸收系數(shù)降低了1個量級.2005年，Travers等［10］在連續(xù)波泵浦下的低水峰光子晶體光纖中，實現(xiàn)光譜擴展到1 550 nm的超連續(xù)譜輸出.利用短長度的光子晶體光纖在高功率連續(xù)波激光泵浦下，輸出超連續(xù)譜也可突破1 380 nm處水峰的限制.Cumberland等［11］在50 W連續(xù)波泵浦條件下，通過一段短長度雙零色散光子晶體光纖(零色散點分別為810 nm和1 730 nm)，得到平均功率為29 W的超連續(xù)譜輸出，光譜從泵浦波長處擴展到1 670 nm，在長波零色散點的長波方向產(chǎn)生了色散波，但并未在短波零色散點的短波方向產(chǎn)生色散波.要想在零色散點短波方向產(chǎn)生新的光譜成分，要求泵浦波長位于光纖的反常色散區(qū)，且盡量接近光纖的零色散點，以利從泵浦演化產(chǎn)生的超短脈沖孤子擴展到正常色散區(qū).

Travers等［3］利用400 W工業(yè)級摻Y(jié)b光纖激光器作為泵浦源，獲得的超連續(xù)譜輸出功率首次突破50 W，是通過零色散波長位于泵浦短波方向的PCF，得到超連續(xù)譜光譜范圍為1 050～2 200 nm;同時，也利用零色散波長與泵浦波長匹配的PCF，實現(xiàn)了光譜范圍覆蓋600～1900 nm的28 W寬帶超連續(xù)譜輸出［3］.Labat等［12］利用 100 W 的1 075 nm光纖激光器，泵浦180 m色散匹配的摻磷PCF，實現(xiàn)光譜達到可見光波段的36 W超連續(xù)譜輸出.

盡管在連續(xù)波泵浦下已實現(xiàn)如此高功率的超連續(xù)譜輸出，但實驗中泵浦源和光子晶體光纖非線性介質(zhì)之間通過透鏡進行空間耦合，并未實現(xiàn)全光纖化結(jié)構(gòu)，因而限制了超連續(xù)譜光源的進一步應用.本文研究主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)結(jié)構(gòu)的摻Y(jié)b高功率單模連續(xù)波光纖激光器，采用梯度折射率光纖(gradient-index fiber，GRIN fiber)熔接技術(shù)實現(xiàn)泵浦激光器與光子晶體光纖的全光纖耦合，最終研制出基于連續(xù)波泵浦的高功率全光纖化超連續(xù)譜光源.

1 實驗裝置

高功率超連續(xù)譜光源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1.采用高非線性光子晶體光纖作為超連續(xù)譜產(chǎn)生的非線性介質(zhì)，搭建MOPA結(jié)構(gòu)的連續(xù)波單模摻Y(jié)b光纖激光器作為泵浦源.摻Y(jié)b光纖激光器尾纖與高非線性光子晶體光纖之間采用GRIN光纖熔接技術(shù)實現(xiàn)全光纖化高強度耦合.

圖1 基于連續(xù)波泵浦的全光纖化超連續(xù)譜光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Experimental setup of the all-fiber CW-pumped supercontinuum source

所用光纖為長飛光纖光纜公司的高非線性光子晶體光纖(high nonlinear PCF，HNL-PCF)，其采用堆積拉伸法拉制，纖芯與石英外層之間有5層周期結(jié)構(gòu).纖芯直徑為4.7 μm，空氣孔周期 Λ 為 3.3 μm，空氣孔直徑d為 1.9 μm.由于一般光纖在1 380 nm處存在高水峰吸收，在光纖拉制過程中采用特殊方法來減弱OH離子的影響，以減小水峰處的吸收損耗.利用光纖截斷法對光子晶體光纖進行損耗測量，得到光纖水峰處的吸收系數(shù)為80 dB/km［13］.根據(jù)光纖端面圖，利用有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)對其色散和非線性系數(shù)進行理論計算，同時采用光纖色散測量儀(PE，CD 400)對其色散值進行驗證，理論計算值與實際測量值非常吻合.光纖的零色散點位于1 030 nm處［14］，小于泵浦源的波長，在1 071.5 nm泵浦波長處的模場直徑和非線性系數(shù)分別為3.9 μm和11 W-1·km-1.

圖2 所用PCF的端面圖及色散特性Fig.2 The cross-section and experimental measured dispersion of the PCF

MOPA結(jié)構(gòu)光纖激光器的種子源為1 071.5 nm的連續(xù)波單模光纖激光器，種子源的輸出功率為10 W.功率放大級是摻Y(jié)b雙包層光纖放大器:泵浦源為6個25 W的976 nm半導體激光器，對Yb波段激光進行防反保護后輸出;功率放大級增益光纖采用長度為15 m的大模場雙包層摻Y(jié)b光纖(Nufern，LMA-YDF-20/400)，纖芯與包層的直徑分別為 20和400 μm，數(shù)值孔徑分別為 0.06和0.46，包層在976 nm處的泵浦光吸收系數(shù)為 1.7 dB/m;采用一個(6+1)×1的光纖合束器連接6個半導體激光器尾纖和摻Y(jié)b雙包層增益光纖，進行全光纖化泵浦;在增益光纖之后熔接一個高功率包層光剝離器(cladding light stripper，CLS)，用來剝離剩余的976 nm泵浦光和激發(fā)到包層中的激光，避免對后續(xù)系統(tǒng)造成損壞.在CLS之后熔接一個光纖模場適配器(mode field adapter，MFA，輸入光纖為LMA-20/400，輸出光纖為HI-1060)，實現(xiàn)大模場雙包層粗光纖和小芯徑單模光纖之間的模場匹配耦合.HI-1060光纖的模場直徑為6.2 μm，與用來產(chǎn)生超連續(xù)譜的HNL-PCF模場直徑更為接近，易于實現(xiàn)兩者的高效率熔接耦合.

模場適配器輸出端的HI-1060光纖與高非線性光子晶體光纖之間采用GRIN光纖熔接技術(shù)實現(xiàn)全光纖化高效耦合，最小熔接損耗達到0.26 dB［15］.梯度折射率光纖熔接技術(shù)允許光子晶體光纖的空氣孔塌陷熔接，因而提高了常規(guī)光纖和光子晶體光纖之間的熔接強度.光子晶體光纖輸出端為一個8角光纖端帽，避免激光反饋對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，超連續(xù)譜的輸出光譜和功率分別采用光譜儀(Yokogawa，AQ6370 B)和功率計(LP-3C)進行監(jiān)測.

2 實驗結(jié)果

圖3為光纖放大器在不同的泵浦功率(摻Y(jié)b雙包層增益光纖入纖功率)下，整個系統(tǒng)輸出超連續(xù)譜的光譜演化過程.隨著泵浦功率的增大，輸出超連續(xù)譜從泵浦波長處持續(xù)向長波方向擴展.在泵浦功率分別為 0、31.9、59.4和86.5 W 時，輸出超連續(xù)譜長波限分別達到1 200、1 370、1 450和1 610 nm，對應的20 dB光譜帶寬分別為20、220、330和430 nm.基于連續(xù)波泵浦的超連續(xù)譜來源于調(diào)制不穩(wěn)定性(modulation instability，MI)產(chǎn)生的超短光脈沖.脈沖能量高于孤子形成閾值的部分超短脈沖演化形成基態(tài)孤子，基態(tài)孤子進一步經(jīng)歷孤子自頻移效應(soliton self-frequency shift，SSFS)，從而形成長波拉曼孤子超連續(xù)譜［3，16］.

圖4為最大的泵浦功率下超連續(xù)譜的輸出光譜，光譜的長波限已達到1 700 nm，20 dB光譜帶寬為620 nm.盡管在最大泵浦功率下，輸出超連續(xù)譜長波已經(jīng)擴展到1 700 nm，但在泵浦波長短波方向仍未出現(xiàn)顯著的光譜成分.這主要是因為泵浦波長為1 071.5 nm，位于光子晶體光纖的反常色散區(qū)且距離光纖1 030 nm處的零色散點較遠，調(diào)制不穩(wěn)定反斯托克斯邊帶或產(chǎn)生孤子的光譜沒有擴展到光纖的正常色散區(qū)，因此，導致產(chǎn)生短波光譜成分的“孤子捕獲”及“四波混頻” (four-wave mixing，F(xiàn)WM)非線性效應效率很低［17-18］，光譜展寬機制主要是產(chǎn)生長波光譜成分SSFS效應.

圖3 光纖放大器不同泵浦功率下所對應的超連續(xù)譜的輸出光譜Fig.3 Output spectra of the supercontinuum source at different pump power of the fiber amplifier

圖4 最大泵浦功率114.8 W下的超連續(xù)譜輸出光譜Fig.4 The output spectrum of the supercontinuum source at the maximum pump power of 114.8 W

圖5為輸出超連續(xù)譜長波限與放大器泵浦功率之間的關(guān)系曲線，可見，超連續(xù)譜長波限整體趨于線性增長，僅在達到1 380 nm附近的水峰吸收處時曲線增長略有減緩.主要原因是連續(xù)波泵浦下超連續(xù)譜的產(chǎn)生要求較長的PCF來增強相互作用非線性效應，而較長的光纖在水峰處引入較大損耗，因此需要更大的泵浦功率來突破其吸收損耗對光譜擴展的限制.

圖6為超連續(xù)譜輸出功率與光纖放大器泵浦功率之間的關(guān)系曲線，兩者具有較好的線性對應，在最大的114.8 W泵浦功率下，超連續(xù)譜輸出功率為36.5 W，其中，10 W的1 071.5 nm種子激光單獨注入時超連續(xù)譜輸出功率為3.26 W，因而，整個系統(tǒng)的光-光轉(zhuǎn)化效率達到30%.

圖5 系統(tǒng)不同泵浦功率下輸出超連續(xù)譜的長波限Fig.5 The longest wavelengths from the SC spectra with increasing pump power of the setup

圖6 超連續(xù)譜輸出功率特性Fig.6 Output power of the generated supercontinuum with pump power of the setup

結(jié) 語

本文對一個10 W連續(xù)波摻Y(jié)b光纖激光器進行主振蕩功率放大，實現(xiàn)了連續(xù)波激光的高功率輸出.在激光放大系統(tǒng)之后采用包層光剝離器和模場適配器，實現(xiàn)了放大系統(tǒng)中的大模場雙包層光纖到小芯徑單模光纖之間的模場匹配耦合和高功率激光的單模輸出.利用梯度折射率光纖熔接技術(shù)，該高功率單模光纖激光器對200 m高非線性光子晶體光纖進行全光纖化泵浦，最終實現(xiàn)了最大輸出功率為36.5 W的全光纖化超連續(xù)譜光源，光譜范圍覆蓋990～1700 nm，20 dB光譜范圍達到620 nm.超連續(xù)譜輸出功率和光譜擴展相對放大器泵浦功率具有較好線性關(guān)系，若采用更高功率的半導體激光器泵浦源，有望實現(xiàn)更高功率及更寬光譜范圍的超連續(xù)譜輸出.

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