雙重復(fù)頻率鎖模Yb:YAG陶瓷激光器?

楊超 顧澄琳 劉洋 王超 李江 李文雪

1)(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)

2)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所,中國科學(xué)院透明光功能無機(jī)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201899)

1 引 言

雙光梳精密測量技術(shù)在實(shí)時雙光梳光譜[1?4]、雙光梳測距[5,6]、異步光學(xué)采樣光譜探測[7]和光纖布拉格光柵傳感[8]等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用.與傳統(tǒng)的依賴高精度機(jī)械動鏡掃描技術(shù)的傅里葉光譜儀相比,雙光梳光譜技術(shù)具有靜態(tài)光外差探測、超高光譜分辨率、高靈敏度、超高采樣速率等一系列突出優(yōu)勢,近年來取得了飛速發(fā)展.原理上,雙光梳光譜技術(shù)是采用兩個重復(fù)頻率稍有差異的光學(xué)頻率梳拍頻產(chǎn)生一個穩(wěn)定的微波梳,實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率一對一地下轉(zhuǎn)換到電學(xué)元件可探測的微波頻段,再通過光電探測器采集拍頻后的時域干涉圖,將該圖樣進(jìn)行傅里葉變換等數(shù)據(jù)處理后,重建光學(xué)頻率梳的頻域光譜信息.應(yīng)用上,目前多數(shù)雙光梳系統(tǒng)是基于兩臺獨(dú)立運(yùn)行的鎖模激光器種子源搭建,且需要配套的穩(wěn)定控制電路模塊、功率放大模塊和超連續(xù)譜產(chǎn)生模塊,因而,整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高昂、維護(hù)困難,這些缺陷極大地制約了雙光梳系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室之外環(huán)境的實(shí)用性.

為了簡化系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的開放環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)計緊湊型、環(huán)境免疫型的雙光梳系統(tǒng)是其走向?qū)嵱没陌l(fā)展方向.一個簡單實(shí)現(xiàn)方法就是基于新型雙重復(fù)頻率鎖模激光器[9]進(jìn)行雙光梳光譜探測,即用同一個諧振腔產(chǎn)生重復(fù)頻率稍有差異的兩套鎖模脈沖序列取代兩個獨(dú)立的鎖模激光器作為雙光梳系統(tǒng)的種子源.雙重復(fù)頻率鎖模脈沖共享同一個腔而具有內(nèi)在相干性、相對穩(wěn)定的重復(fù)頻率差、近似的激光參數(shù)、廉價的成本、易集成化等一系列優(yōu)勢,其下轉(zhuǎn)換得到的微波頻率梳可以實(shí)現(xiàn)梳齒分辨精度,具有良好的快漂特征,是理想的實(shí)時雙光梳光源.基于雙重復(fù)頻率鎖模激光器的單腔雙光梳光譜已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[10?13],對推動雙光梳系統(tǒng)小型化和集成化具有重要的意義.迄今為止,已報道的雙重復(fù)頻率脈沖激光器類型涵蓋有光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和固體激光器.對于基于光纖的雙重復(fù)頻率鎖模激光器,2013年,中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所[14]基于摻鉺光纖雙向環(huán)形腔獲得了重復(fù)頻率為11 MHz的穩(wěn)定雙重復(fù)頻率鎖模脈沖輸出.2014年,Gong等[15]首次在摻鉺光纖環(huán)形腔激光器中加入一段全保偏光纖引入雙折射,通過平衡快、慢軸模式的增益和損耗實(shí)現(xiàn)了雙重復(fù)頻率鎖模.2016年,Kolano等[16]首次實(shí)現(xiàn)了基于全保偏光纖的雙重復(fù)頻率鎖模脈沖輸出.2017年,Liao等[17]實(shí)現(xiàn)了基于非線性放大環(huán)形鏡鎖模機(jī)制的2μm波段的雙重復(fù)頻率飛秒摻銩光纖激光器.上述雙重復(fù)頻率鎖模光纖激光器的重復(fù)頻率都較低,而重復(fù)頻率決定了雙光梳光譜的采樣速率和光譜測量范圍,高重復(fù)頻率在高速、寬譜雙光梳光譜等前沿領(lǐng)域具有獨(dú)特的實(shí)用性.固體激光器和半導(dǎo)體激光器是獲得單脈沖能量大、穩(wěn)定性好的高重復(fù)頻率鎖模脈沖的極佳選擇.2015年,Link等[9]首次將半導(dǎo)體增益介質(zhì)和半導(dǎo)體可飽和吸收體集成為芯片,在直線型腔內(nèi)插入方解石晶體實(shí)現(xiàn)了1.8 GHz的雙重復(fù)頻率偏振正交的鎖模集成外腔面發(fā)射激光器.同年,Chang等[18]充分利用Yb:KYW晶體材料的雙折射效應(yīng)和高非線性折射率特征,實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率高達(dá)25 GHz的光學(xué)主軸Np和Nm偏振正交的雙重復(fù)頻率自鎖模脈沖輸出.2016年,Ideguchi等[12]在雙向環(huán)形腔鈦寶石激光器中實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為932 MHz的雙重復(fù)頻率自鎖模飛秒脈沖輸出,并驗(yàn)證了雙重復(fù)頻率脈沖間的相對穩(wěn)定性、良好的時間相干性以及應(yīng)用于雙光梳光譜探測的可行性.

本文報道的雙重復(fù)頻率鎖模Yb:YAG激光器采用新型非水基流延成型制備的Yb:YAG透明陶瓷作為增益介質(zhì),該介質(zhì)具有生長周期短、造價低、結(jié)構(gòu)致密、允許復(fù)合結(jié)構(gòu)生長、抗損傷閾值高、離子可摻雜濃度高、導(dǎo)熱性能優(yōu)異和量子效率高等一系列優(yōu)勢,適合產(chǎn)生高效的高重復(fù)頻率超短脈沖[19?22].同時,采用雙通道抽運(yùn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了雙脈沖光束在腔內(nèi)空間光路徑分離,產(chǎn)生了雙重復(fù)頻率脈沖輸出,同時避免了雙重復(fù)頻率脈沖序列間的互相干擾,通過半導(dǎo)體可飽和吸收體鎖模機(jī)制實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的自啟動雙重復(fù)頻率鎖模皮秒脈沖輸出.空間完全分離的雙重復(fù)頻率脈沖的重復(fù)頻率分別為448.918和448.923 MHz,重復(fù)頻率差為5 kHz,相應(yīng)的雙重復(fù)頻率脈沖寬度分別為2.8和2.6 ps,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙通道抽運(yùn)技術(shù)在雙重復(fù)頻率鎖模激光器應(yīng)用中的可行性,且此新型的雙重復(fù)頻率振蕩器是一種可供選擇的緊湊型單腔基雙光梳光譜測量系統(tǒng)的種子源.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

雙重復(fù)頻率鎖模Yb:YAG陶瓷激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.為實(shí)現(xiàn)雙重復(fù)頻率鎖模脈沖運(yùn)行,利用兩塊相同的偏振分束器(AR@940 mm,即鍍940 nm增透膜)和兩片半波片設(shè)計了雙通道抽運(yùn)結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)中,使用中心波長和尾纖芯徑分別為940 nm和105μm的激光二極管作為抽運(yùn)源,其最大輸出功率為30 W,兩片消色差膠合透鏡對抽運(yùn)光進(jìn)行準(zhǔn)直,準(zhǔn)直后的抽運(yùn)光功率在雙通道抽運(yùn)結(jié)構(gòu)中先被第一塊偏振分束器平分成Pump1和Pump2兩路,抽運(yùn)光路在圖1中用紫色顯示,然后兩支路抽運(yùn)光再經(jīng)過另一塊偏振分束器進(jìn)行合束,合束的雙通道抽運(yùn)光通過一塊焦距為50 mm的消色差膠合透鏡分別聚焦在Yb:YAG陶瓷內(nèi)兩處,在兩塊偏振分束器間插入的半波片作為抽運(yùn)衰減器用來單獨(dú)控制入射陶瓷的分路抽運(yùn)光的強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)采用的五鏡腔結(jié)構(gòu)由一塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)和四片腔鏡構(gòu)成,其中M1是平面雙色鏡(AR@976 nm,在976 nm處透過率T>95%;HR@1020—1130 nm,即鍍1020—1130 nm波段高反膜,反射率R=99.99%),M2和M3(AR@976 nm,T>95%;HR@1020—1130 nm,R=99.99%)均為球凹面鏡,曲率半徑分別為200和100 mm,輸出鏡OC(HR@1020—1120 nm)的透射率是2%,SESAM的飽和能量密度和飽和吸收系數(shù)分別為70μJ/cm2和2%.Yb:YAG陶瓷樣品被銦箔均勻緊裹裝置在14?C的水冷純銅熱沉上以消除熱負(fù)荷,從而保證穩(wěn)定高效的激光輸出.通過計算ABCD矩陣,可得腔模在陶瓷內(nèi)部和SESAM表面的束腰直徑分別為113和59μm,通過優(yōu)化陶瓷內(nèi)和SESAM表面上的光斑束腰以及抽運(yùn)光與腔模的重疊度,微調(diào)M2平衡雙脈沖光束在同一腔內(nèi)的損耗,可使振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的雙重復(fù)頻率鎖模脈沖.

圖1 雙重復(fù)頻率鎖模Yb:YAG陶瓷激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖(Pump1和Pump2是抽運(yùn)光的兩個通道;M1,M2,M3均為雙色鏡;LD為半導(dǎo)體二極管;SESAM為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡;OC為輸出耦合鏡;λ/2為半波片)Fig.1.Schematic of the dual-comb mode-locked Yb:YAG ceramic laser.Where,Pump1 and Pump2,two path of pump lasers,respectively;M1,M2,M3,dichroic mirrors;LD,laser diode;SESAM,semiconductor saturable absorber mirror;OC,output coupler;λ/2,half wave plate.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中,首先,使Pump1單獨(dú)抽運(yùn),在足夠抽運(yùn)功率下,精細(xì)優(yōu)化諧振腔參數(shù),先實(shí)現(xiàn)Pulse1穩(wěn)定鎖模;其次,使Pump2單獨(dú)抽運(yùn),在足夠的抽運(yùn)功率下,精細(xì)調(diào)節(jié)Pump2相對于Pump1的方位,實(shí)現(xiàn)Pulse2穩(wěn)定鎖模;然后,對Pump1和Pump2合束進(jìn)行抽運(yùn),并調(diào)整雙束抽運(yùn)光的相對位置至聚焦光斑在陶瓷內(nèi)部分離,輔助微調(diào)M2偏角平衡雙脈沖在腔內(nèi)損耗,使得輸出雙脈沖激光光斑空間分離且亮度相當(dāng),反復(fù)優(yōu)化,最終得到穩(wěn)定的光束空間分離的雙重復(fù)頻率鎖模脈沖輸出.圖2所示為雙重復(fù)頻率鎖模脈沖平均輸出功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化曲線.由圖2可知,從連續(xù)激光起振到雙重復(fù)頻率脈沖鎖模的過程,先后共出現(xiàn)三種激光運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),當(dāng)吸收抽運(yùn)功率小于4.8 W時,激光器處于雙連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),兩激光在實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出時的閾值抽運(yùn)功率分別為2.5和3.3 W,說明兩束光在諧振腔內(nèi)運(yùn)行時的損耗不同.Pulse1和Pulse2雙連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)時的最大功率分別為45和34 mW;當(dāng)吸收抽運(yùn)功率在4.8—5.6 W時,激光器處于Pulse1鎖模狀態(tài),此時Pulse2由于損耗較大仍舊處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài);當(dāng)吸收功率高于5.6 W時,激光器進(jìn)入雙重復(fù)頻率鎖模狀態(tài),Pulse1和Pulse2同時穩(wěn)定鎖模,雙重復(fù)頻率同時鎖模,總輸出功率閾值為122 mW,且當(dāng)吸收功率高于6.5 W時,激光器輸出功率逐漸趨于飽和,在吸收功率達(dá)到7 W時,雙脈沖輸出平均功率之和達(dá)到最大值170 mW,其中,Pulse1和Pulse2的平均功率分別為89和81 mW.相同的抽運(yùn)功率下,Pulse1平均功率始終高于Pulse2,說明它們在腔內(nèi)往復(fù)振蕩的損耗不同.雙重復(fù)頻率脈沖的輸出功率以相近的斜效率隨吸收抽運(yùn)功率線性變化,且雙重復(fù)頻率鎖模脈沖的總功率等于兩列脈沖單獨(dú)鎖模時的功率之和,說明空間分離的雙重復(fù)頻率鎖模脈沖序列之間沒有發(fā)生增益競爭,彼此穩(wěn)定運(yùn)行互不串?dāng)_.在實(shí)驗(yàn)中,還發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩束脈沖在Yb:YAG陶瓷內(nèi)部部分相交時,雙脈沖之間發(fā)生增益競爭,造成雙重復(fù)頻率鎖模不穩(wěn)定.此時,雙重復(fù)頻率同時鎖模時輸出總功率小于雙重復(fù)頻率脈沖在單獨(dú)鎖模時的功率之和.

圖2 雙重復(fù)頻率脈沖輸出平均功率隨吸收抽運(yùn)功率的變化(Pulse1和Pulse2分別指代兩套重復(fù)頻率脈沖;DCW為雙連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài);PML為Pulse1單鎖模狀態(tài);DML為雙重復(fù)頻率鎖模狀態(tài))Fig.2.Average output power of dual frequency-rate pulses versus absorbed pump power.Where,Pulse1 and Pulse2,two mode-locked pulses with different repetition-rates;DCW,dual-continuous wave state;PML,Pulse1 single-mode-locked state;DML:dual repetition-rate mode-locked state.

將空間完全分離的雙重復(fù)頻率脈沖在腔外合束進(jìn)行拍頻,利用數(shù)字示波器(RIGOL,DS6102)和頻譜分析儀(Agilent,N9010A)分別記錄下雙重復(fù)頻率鎖模脈沖序列和射頻頻譜.如圖3(a)所示,雙重復(fù)頻率鎖模脈沖的干涉信號時間周期約為0.2 ms,在5 h觀測時間內(nèi),鎖模狀態(tài)維持了良好的穩(wěn)定性.圖4(b)所示為雙重復(fù)頻率脈沖的重復(fù)頻率及重復(fù)頻率差.Pulse1和Pulse2的重復(fù)頻率分別約為448.918和448.923 MHz,信噪比達(dá)60 dB,重復(fù)頻率差為5 kHz,重復(fù)頻率差主要來自于雙重復(fù)頻率脈沖在腔內(nèi)光路之間微小的夾角;增益介質(zhì)的非線性折射率隨抽運(yùn)功率強(qiáng)度變化也會影響重復(fù)頻率差.在這里,定義雙脈沖之間夾角為θ,假設(shè)腔長為L,那么它的重復(fù)頻率f可以表達(dá)為f=c/(2L).考慮到球面全反鏡并不會使平行入射的兩束光產(chǎn)生光程差以及在腔內(nèi)嚴(yán)格平行運(yùn)轉(zhuǎn)的兩束光的光程相等,根據(jù)幾何關(guān)系,可以得到夾角為θ的雙光束在腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生的光程差?L近似為

其中則(1)式進(jìn)一步簡化為

從(2)式可知,當(dāng)雙脈沖之間夾角θ不為零時,光程差?L也不為零,從而導(dǎo)致同一個腔內(nèi)運(yùn)行的兩列脈沖具有一定的重復(fù)頻率差,于是,雙重復(fù)頻率脈沖的重復(fù)頻率差?f可表達(dá)為

由(3)式可以看出,重復(fù)頻率差?f是雙光束夾角θ的二次函數(shù),當(dāng)θ=0,即雙光束在腔內(nèi)平行時,最小重復(fù)頻率差值為0,在實(shí)驗(yàn)中可通過調(diào)節(jié)Pump2通道的抽運(yùn)光入射角度來改變雙脈沖之間的夾角θ,實(shí)現(xiàn)對重復(fù)頻率差連續(xù)調(diào)諧.此外,通過半波片衰減器調(diào)節(jié)抽運(yùn)光功率,也可以對重復(fù)頻率差進(jìn)行精細(xì)調(diào)諧.

實(shí)驗(yàn)中,分別采用光譜儀(YOKOGAWA,AQ6370C)和自相關(guān)儀(APE,Pulse Check)測量了雙重復(fù)頻率鎖模脈沖的光譜和脈寬.圖4(a)所示為相同抽運(yùn)功率下雙重復(fù)頻率鎖模脈沖Pulse1和Pulse2的光譜,光譜儀的分辨率為0.2 nm,兩束脈沖光譜形狀相似,中心波長略微不一致,分別為1029.6和1029.8 nm,且相對應(yīng)的光譜半高全寬分別為1和1.16 nm.這是由于雙重復(fù)頻率脈沖列在腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)損耗不同造成的.如圖4(b)所示,雙重復(fù)頻率鎖模脈沖的強(qiáng)度自相關(guān)信號與高斯線型良好擬合,得到Pulse1和Pulse2的脈沖寬度分別為2.8和2.6 ps,脈沖的時間帶寬積分別為0.79和0.85,借助色散補(bǔ)償技術(shù)可進(jìn)一步同時壓縮雙重復(fù)頻率脈沖寬度.

圖3 雙重復(fù)頻率脈沖Pulse1和Pulse2的(a)鎖模脈沖序列和(b)重復(fù)頻率頻譜Fig.3.(a)Mode-locking pulse trains and(b)ratio spectra for Pulse1 and Pulse2 as dual frequency-rate pulses.

圖4 雙重復(fù)頻率鎖模脈沖Pulse1和Pulse2的(a)光譜和(b)自相關(guān)軌跡Fig.4.(a)Optical spectra and(b)autocorrelation traces of both dual repetition-rate Pulse1 and Pulse2.

4 結(jié) 論

本文報道了基于新型非水基流延成型制備的Yb:YAG透明陶瓷,采用雙通道抽運(yùn)結(jié)構(gòu)和SESAM鎖模技術(shù),通過精細(xì)地優(yōu)化腔型參數(shù),在單一五鏡腔中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高重復(fù)頻率雙鎖模脈沖運(yùn)行.脈沖序列Pulse1和Pusle2的重復(fù)頻率分別為448.918和448.923 MHz,重復(fù)頻率差約為5 kHz,雙重復(fù)頻率脈沖序列Pulse1和Pulse2的脈沖寬度分別為2.8和2.6 ps,各自對應(yīng)的光譜寬度分別為1和1.16 nm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了雙通道抽運(yùn)技術(shù)在雙重復(fù)頻率鎖模激光器應(yīng)用的可行性,與已有研究相比,我們的實(shí)驗(yàn)方案兼具自啟動、高重復(fù)頻率和雙重復(fù)頻率脈沖空間分離輸出等特點(diǎn),是一種可供選擇的單腔基雙光梳光譜系統(tǒng)的光源設(shè)計方案,將大大降低雙光梳系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,提升雙光梳光譜系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性.今后,通過縮短腔長、利用高增益的介質(zhì)結(jié)合啁啾鏡色散補(bǔ)償技術(shù),有望獲得重復(fù)頻率更高、脈寬更窄和性能更加優(yōu)異的雙重復(fù)頻率鎖模飛秒脈沖[23,24].

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