基于混合鎖模的摻鉺光纖飛秒激光器研究

王璐丁，張顏艷，饒冰潔，姜海峰，張首剛

(1.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，由于對(duì)光纖研究的成熟和光纖制造技術(shù)的進(jìn)步，飛秒光纖激光器逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)，并得到了迅速發(fā)展[1-2]。與鈦寶石飛秒激光器相比，光纖飛秒激光器具有搭建成本低、體積較小、調(diào)試簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并且具有全光纖結(jié)構(gòu)，滿足了實(shí)用型應(yīng)用領(lǐng)域的需求。光纖激光器受環(huán)境擾動(dòng)的影響較小，更適合應(yīng)用于環(huán)境擾動(dòng)較大的應(yīng)用環(huán)境中。20世紀(jì)90年代初，光纖通訊技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，摻鉺光纖飛秒激光器因其工作波長(zhǎng)處于光通信窗口、光譜易于擴(kuò)展到其他波長(zhǎng)，且在元器件選取和成本上具有優(yōu)勢(shì)，得到了全面、深入的研究[3]。目前，基于摻雜光纖的飛秒激光器被廣泛用于飛秒光梳[4]系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的光源和核心部件[5]。飛秒激光器自身的性能、穩(wěn)定性在一定程度上決定了光頻梳系統(tǒng)的整體性能[6]。

鎖模技術(shù)是獲得飛秒激光脈沖的常用方法，至今已有近四十年的發(fā)展歷史。目前常用的鎖模機(jī)制主要有非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)等。其中，NPR鎖模應(yīng)用得最為廣泛，是基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的[7]。具體來說，脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中的非線性效應(yīng)，將產(chǎn)生與強(qiáng)度相關(guān)的非線性相移。脈沖峰值處光強(qiáng)最強(qiáng)，經(jīng)歷的非線性作用強(qiáng)度最大，其偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)的程度最劇烈。經(jīng)過1/2波片和1/4波片對(duì)偏振的篩選，就可以使脈沖的峰值部分無衰減地輸出，實(shí)現(xiàn)脈沖的窄化。1992年，V.J.Matsas等首次利用NPR效應(yīng)，獲得了脈沖寬度1.55 ps，光譜寬度1.7 nm的鎖模脈沖[8]。NPR鎖模機(jī)制具有快飽和吸收體的特點(diǎn)，輸出脈沖寬度在飛秒量級(jí)，且時(shí)間抖動(dòng)小，搭建成本低，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境中得到了大量的應(yīng)用[9]。然而，NPR鎖模容易受到環(huán)境干擾而導(dǎo)致偏振態(tài)漂移[10]，溫度、振動(dòng)以及應(yīng)力等因素的變化都破壞鎖模狀態(tài)，鎖模的啟動(dòng)依賴手動(dòng)調(diào)節(jié)波片，偏振態(tài)設(shè)置的不同會(huì)形成鎖模狀態(tài)的差異，最終導(dǎo)致脈沖特征的變化，無法滿足室外應(yīng)用環(huán)境的需要，限制了飛秒光梳向?qū)嵱没较虬l(fā)展。

由于具有較高環(huán)境穩(wěn)定性，SESAM鎖模機(jī)制受到研究者廣泛的關(guān)注[11-12]。SESAM鎖模的原理是光脈沖的邊緣部分受到SESAM較大的吸收，而超過一定閾值的脈沖峰值部分則無損耗地反射，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的窄化[13]。1998 年，M.J.Hayduk 等首次報(bào)道了SESAM鎖模的光纖激光器，輸出脈沖重復(fù)頻率 4.1 MHz、脈沖寬度 12 ps[14]。SESAM激光器諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鎖模狀態(tài)受環(huán)境影響較小，且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，具有較高的穩(wěn)定性，在實(shí)用化研究中得到較多的應(yīng)用[15-16]。然而，SESAM是一種慢飽和吸收體，與NPR機(jī)制相比，SESAM鎖模輸出脈沖較寬，并伴隨有較高的頻率噪聲水平[17]。

通過上文的分析，NPR鎖模機(jī)制在輸出脈沖性能方面有突出的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是易受環(huán)境的干擾而影響腔內(nèi)偏振態(tài)，從而導(dǎo)致失鎖。SESAM機(jī)制易于實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，且鎖模穩(wěn)定，但輸出脈沖性能較差。通過將這兩種鎖模機(jī)制結(jié)合起來，混合鎖模光纖激光器就可以兼具高性能和高環(huán)境穩(wěn)定性的特點(diǎn)。一種實(shí)現(xiàn)方式是將SESAM置于NPR 環(huán)形諧振腔中，鎖模脈沖的形成靠NPR主導(dǎo)，起到脈沖整形的作用，SESAM用來維持激光器的自啟動(dòng)和穩(wěn)定鎖模。其優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)既具有穩(wěn)定鎖模的特點(diǎn)，運(yùn)行狀態(tài)受環(huán)境影響小，同時(shí)能夠輸出的低噪聲水平、窄脈寬的超短脈沖。這對(duì)于滿足實(shí)用型光梳系統(tǒng)的研制需求顯得至關(guān)重要。2009年，H.Byun 等首次報(bào)道了NPR 和SESAM混合鎖模激光器，輸出脈沖的重復(fù)頻率為234 MHz，光譜寬度為35.8 nm，脈沖寬度為102 fs[18]。之后，J.L.Morse等實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率301 MHz，光譜寬度21.5 nm，脈沖寬度108 fs的脈沖輸出[19]。2012年，S.Kim等采用光纖耦合注入泵浦的方式實(shí)現(xiàn)了輸出功率156 mW，光譜寬度42 nm，脈沖寬度146 fs的脈沖輸出[20]。

國(guó)內(nèi)對(duì)混合鎖模光纖激光器的研究與國(guó)際基本同步，研究單位主要有中科院光電院、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位。上海交通大學(xué)2014年報(bào)道了結(jié)合NPR和SESAM的光纖激光器，重復(fù)頻率為212 MHz，輸出脈沖41.9 fs，光譜寬度61.4 nm，轉(zhuǎn)換效率11.3%，其性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平[21]，然而，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低，且未實(shí)現(xiàn)集成化，無法應(yīng)用于室外環(huán)境。中科院光電院2016年報(bào)道了一臺(tái)混合鎖模激光器，重復(fù)頻率為60.72 MHz，脈沖寬度542 fs，光譜寬度14.6 nm，轉(zhuǎn)換效率4.2%[21]，能較好地滿足實(shí)用化研究的需求，然而輸出脈沖較寬，且系統(tǒng)體積較大。

為了滿足實(shí)用型飛秒光梳對(duì)高性能、高穩(wěn)定性激光光源的研制需求，本文搭建了一臺(tái)NPR和SESAM混合鎖模的飛秒光纖激光器。NPR效應(yīng)用來對(duì)超短脈沖整形，在鎖模過程中起主要作用；可飽和吸收體的作用是實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)和穩(wěn)定鎖模。自制激光器結(jié)合了兩種鎖模方式優(yōu)點(diǎn)，光路結(jié)構(gòu)緊湊、集成化程度高。結(jié)果顯示，混合鎖模激光器系統(tǒng)具有自啟動(dòng)鎖模功能，光譜寬度21.52 nm，重復(fù)頻率為97.6 MHz，脈沖寬度為168 fs，泵浦輸出轉(zhuǎn)換效率12.2%。該激光器滿足了后續(xù)實(shí)用型、高魯棒性型光學(xué)頻率梳搭建的需要。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是混合鎖模光纖飛秒激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。激光器的諧振腔為環(huán)形腔，由95 cm光纖和25 cm自由空間器件組成。表1列出了腔內(nèi)光纖的類型、長(zhǎng)度、色散和非線性系數(shù)。摻鉺光纖作為增益光纖，SMF28光纖主要是波分復(fù)用器(WDM)和準(zhǔn)直器(Collimator)的尾端光纖。

注：λ/2為半波片;λ/4為1/4波片;PBS為偏振分束器;Lens為聚焦透鏡;Collimator為準(zhǔn)直器；SESAM為可飽和吸收體;WDM為波分復(fù)用器;Er-Fiber為摻鉺光纖;Pump為泵浦激光器;Detector為探測(cè)器

表1 激光器各類型光纖長(zhǎng)度及參數(shù)

自由空間器件包括偏振分束器(PBS)、10 mm焦距的聚焦透鏡(Lens)、SESAM以及3個(gè)1/4波片(λ/4)和2個(gè)1/2波片(λ/2)、2個(gè)光纖準(zhǔn)直器(Collimator1、Collimator 2)和壓電陶瓷(PZT)。PBS的作用是NPR環(huán)路的起偏器和激光器輸出的耦合器；Lens用于將光聚焦到SESAM表面，從而達(dá)到起鎖閾值功率；波片用于優(yōu)化腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，進(jìn)而控制PBS的輸出激光功率。實(shí)驗(yàn)采用BATOP SAM-1550-8-2ps-x型SESAM器件，調(diào)制深度為5%，吸收率為8%，飽和通量為50 μJ/cm2，飽和恢復(fù)時(shí)間為2 ps。SESAM上的聚焦光斑直徑約為15 μm。激光器采用后向泵浦方式，泵浦光源為L(zhǎng)DC-3908高功率半導(dǎo)體激光器(LD)，其中心波長(zhǎng)為980 nm。泵浦功率可由兩個(gè)thorlabs電流控制器調(diào)節(jié)，最大控制電流1 200 mA，合束后最大輸出功率為1 300 mW。Collimator 2輸出的光經(jīng)過PBS，水平偏振光作為激光器的輸出，垂直偏振光進(jìn)入到環(huán)路的線性臂部分，通過λ/4波片和Lens后打到SESAM表面。SESAM后端緊貼PZT，目的是通過反饋控制激光器的腔長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率的鎖定。光經(jīng)過SESAM反射回來，第2次經(jīng)過λ/4波片，偏振態(tài)由垂直偏振轉(zhuǎn)化為水平偏振，經(jīng)PBS透射后，經(jīng)波片組的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)后，由Collimator 1耦合進(jìn)光纖環(huán)路中。當(dāng)偏振調(diào)節(jié)器件(波片組)的偏振主軸與脈沖中部偏振態(tài)一致時(shí)，脈沖強(qiáng)度高的中心部分透過，而強(qiáng)度低的邊緣部分被吸收，使脈沖在光學(xué)腔內(nèi)不斷窄化，最終實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出。

實(shí)驗(yàn)中，激光器輸出功率由功率計(jì)Thorlabs PM100D來測(cè)量；輸出光譜由光譜儀YOKOGAWA AQ6370C檢測(cè)；輸出脈沖的寬度由自相關(guān)儀Femtochrome Research FR-103WS來檢測(cè)；輸出脈沖通過光電探測(cè)器EOTET-3000A后，利用頻譜分析儀Anritsu MS2692A來檢測(cè)其射頻譜。最后用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量了激光器的幅度噪聲。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

首先，將兩個(gè)電流控制器均設(shè)為1 100 mA，通過配合調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)4個(gè)波片角度，激光受到NPR效應(yīng)和SESAM的共同調(diào)制，鎖模狀態(tài)很容易建立。圖2是用光譜儀YokogawaAQ6370C得到的光譜曲線。光譜儀分辨率為0.02 nm，波長(zhǎng)的覆蓋范圍為1 500～1 630 nm。降低兩個(gè)泵浦電流為900 mA時(shí)，光譜中心波長(zhǎng)為1 568.3 nm，光譜寬度為23.2 nm。泵浦電流為700 mA時(shí)，光譜中心波長(zhǎng)為1570.9 nm，寬度為25.6 nm。繼續(xù)降低泵浦電流至500 mA，光譜中心波長(zhǎng)1 566.7 nm，光譜寬度為25.3 nm。由光譜圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著泵浦功率的改變，中心波長(zhǎng)和光譜寬度無明顯變化，光譜形狀基本不變。

圖2 飛秒激光器輸出的光譜

圖3(a)給出了激光器輸出功率隨泵浦功率的變化情況。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，鎖模脈沖的功率隨泵浦功率呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換效率約為12.2%，高于與此前國(guó)內(nèi)報(bào)道的同類型混合鎖模激光器[21-22]，這是因?yàn)楣饴犯鞑糠竹詈铣潭容^高。高轉(zhuǎn)換效率激光器延長(zhǎng)了泵浦激光管的使用壽命，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。激光器鎖模閾值功率為450 mW，低于閾值功率，激光器無法鎖模。提升泵浦功率，激光器可以自啟動(dòng)進(jìn)入鎖模狀態(tài)。

圖3 輸出鎖模脈沖功率與泵浦激光轉(zhuǎn)化效率曲線和脈沖的自相關(guān)曲線

圖3(b)是用自相關(guān)儀Femtochrome Research FR-103WS得到的脈沖自相關(guān)曲線。由于脈沖形狀為雙曲正割型，脈寬與自相關(guān)曲線寬度的系數(shù)為1.5423，經(jīng)計(jì)算，輸出脈沖的寬度為168 fs，大于傅立葉變換極限脈沖[24]寬度119 fs，這是因?yàn)楣饫w色散引起了脈沖時(shí)域展寬。改變泵浦激光功率，脈沖寬度未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

圖4(a)和(b)給出了激光器的輸出光通過光電探測(cè)器EOT-3000A后，由頻譜分析儀Anritsu MS2692A測(cè)量得到的射頻譜,此時(shí)的泵浦功率為580 mW。圖4(a)的頻率范圍為0～1 GHz，分辨率帶寬為2 MHz，測(cè)得激光器重復(fù)頻率約為97.6 MHz，對(duì)應(yīng)脈沖間隔10.25 ns。鎖模激光器輸出脈沖頻譜各諧波排列整齊，頻譜幅度基本相同，這表明混合鎖模激光器此時(shí)處在穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)多脈沖或調(diào)Q鎖模的情形。

圖4(b)是輸出脈沖基頻的頻譜，頻率范圍是97～98 MHz，分辨率帶寬為4 kHz。從圖中發(fā)現(xiàn)，脈沖頻譜的基頻信噪抑制比大于35 dB，且在1 MHz頻率范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他的邊帶。

圖4 1 GHz范圍和1 MHz范圍的射頻譜

為了測(cè)試自制激光器的噪聲性能，用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀SR785分析了激光器的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，如圖5所示。測(cè)試方法是：首先將輸出光接入光電探測(cè)器EOT-3000A，光電探測(cè)器帶寬2 GHz。再用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量雙邊帶噪聲功率譜。在0.1～100 kHz范圍內(nèi),相對(duì)強(qiáng)度噪聲穩(wěn)定在-120 dBc/Hz左右。由于激光器的幅度噪聲可以轉(zhuǎn)換為相位噪聲，較小的幅度噪聲水平至關(guān)重要?；旌湘i模激光器鎖模狀態(tài)穩(wěn)定，因此幅度噪聲水平較低。

圖5 激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)幅度噪聲的功率譜密度

3 結(jié)論

本文報(bào)道了一臺(tái)自主研制的混合鎖模摻鉺光纖飛秒激光器，并研究了輸出脈沖的特性。該激光器結(jié)合了NPR和SESAM兩種鎖模方式，其中NPR部分的作用是整形脈沖，SESAM部分的作用是穩(wěn)定鎖模和自啟動(dòng)。輸出脈沖重復(fù)頻率為97.6 MHz，輸出脈沖光譜中心波長(zhǎng)為1 556.44 nm，光譜寬度21.52 nm，脈沖寬度為168 fs。泵浦光功率560 mW時(shí)，輸出功率68.8 mW。輸出光功率與泵浦光功率轉(zhuǎn)換效率12.2%。自制飛秒鎖模光纖激光器為后續(xù)實(shí)用型光學(xué)頻率梳的搭建提供了高可靠的光源。