基于全保偏光纖結構的主振蕩脈沖非線性放大系統(tǒng)*

張彤 張維光 蔡亞君 胡曉鴻 馮野 王屹山 于佳?

1) (西安工業(yè)大學光電工程學院,西安 710021)

2) (中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

提出了基于全保偏光纖結構的主振蕩脈沖非線性放大系統(tǒng),該系統(tǒng)由基于半導體可飽和吸收鏡鎖模的直線型光纖振蕩器、二級放大結構脈沖非線性光纖放大器和具有負色散的單模傳導光纖的脈沖壓縮器構成.通過此系統(tǒng)獲得了中心波長為1560 nm,重復頻率為200 MHz的超短激光脈沖,脈沖半高全寬為44 fs,單脈沖能量可達1 nJ.隨后,使用厚度為1 mm的摻雜氧化鎂的周期性極化鈮酸鋰晶體進行倍頻工作.實驗中使用各類波片、準直及聚焦透鏡將放大系統(tǒng)輸出的脈沖激光聚焦在極化周期為19.8 μm的晶體位置上.通過合理調整光路并優(yōu)化準直聚焦參數(shù)獲得了平均功率為60 mW,中心波長為779 nm的倍頻脈沖激光輸出,轉換效率達到30%.實驗結果表明,基于全保偏光纖結構的主振蕩脈沖非線性放大系統(tǒng)可以產生數(shù)十飛秒量級特性良好的脈沖激光.

1 引 言

光纖激光器通常由摻雜稀土離子的增益光纖和普通傳導光纖構成,其因光束質量好、轉換效率高、結構簡單且易于小型化等優(yōu)點受到無數(shù)研究人員青睞[1].由于1.5 μm波段連續(xù)激光和脈沖激光在通訊、測量、傳感、生物醫(yī)學等方面都有著廣泛的應用[2-11],且這一波長對應的增益介質——鉺離子的光譜范圍較寬、其增益譜對應的光纖傳輸損耗最低,因而從眾多稀土離子中脫穎而出,一躍成為1.5 μm波段光纖激光器和放大器的首選增益離子.

隨著工程技術精度要求的不斷提高,摻鉺光纖振蕩器,尤其是用于產生飛秒脈沖的鎖模激光振蕩器,由于輸出激光功率低、鎖模脈沖寬度受限于增益譜寬度、波長范圍有限等因素,已無法滿足大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)的應用需求[12].為了提升鎖模激光器輸出脈沖的能量、峰值功率、并進一步減小脈沖寬度,研究者們在摻鉺光纖放大器方面開展了大量的理論研究并提出了多種放大器結構及脈沖放大技術,其中啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,CPA)技術最為典型.CPA技術的出現(xiàn)使激光脈沖的能量和峰值功率有了很大的提升,然而其放大結構中脈沖展寬和壓縮過程都是通過空間光學元件,比如光柵對實現(xiàn)的[13-15],高復雜度和低集成度等弊端使越來越多的研究者們將研究重心轉向全光纖放大系統(tǒng).2016年,李浪等[16]成功構建了一種基于全光纖結構和CPA技術的飛秒脈沖放大系統(tǒng),獲得了平均功率為1.18 W,脈寬為420 fs的飛秒脈沖.振蕩器采用環(huán)形腔結構,壓縮器由普通單模光纖構成,此系統(tǒng)的提出為全光纖結構的激光放大系統(tǒng)打下了堅實的基礎.2017年,Ou等[17]報道了基于非線性偏振旋轉鎖模機制的摻鉺放大器系統(tǒng),獲得了重復頻率為50 MHz,脈寬僅為47 fs的超短飛秒脈沖.這是當時全光纖放大器能壓縮到的最短脈沖.2018年,Sun等[18]搭建了一種全保偏光纖結構的激光脈沖放大系統(tǒng).振蕩器采用基于非線性放大環(huán)鏡技術的鎖模激光器,通過色散管理的方法完成脈沖放大,最終獲得激光脈沖的單脈沖能量為10 nJ,脈沖寬度為100 fs.同時,保偏結構使入射光的偏振方向在光纖中傳播時不發(fā)生變化[19,20],整個激光系統(tǒng)具有高的環(huán)境穩(wěn)定性.

然而,上述激光系統(tǒng)的振蕩級都較為復雜.為實現(xiàn)結構簡單、易于集成的全光纖激光放大器,本文提出一種基于全保偏光纖結構的主振蕩脈沖非線性放大(master oscillator pulse nonlinear amplifier,MOPNA)系統(tǒng).該系統(tǒng)可輸出脈沖寬度為44 fs,峰值功率高達22.7 kW,重復頻率為200 MHz的超短激光脈沖.在此基礎上,使用摻雜氧化鎂的周期性極化鈮酸鋰(MgO-doped periodically poled lithium niobate,MgO：PPLN)晶體對系統(tǒng)輸出的超短脈沖激光進行倍頻,實現(xiàn)了中心波長為779 nm,平均功率為60 mW的倍頻激光,倍頻效率達到30%.實驗結果為780 nm光纖激光器的小型化提供了一種新的研究思路和方向.

2 系統(tǒng)結構設計

基于全保偏光纖的MOPNA系統(tǒng)結構如圖1所示.圖1(a)為基于線型腔結構和半導體可飽和吸收鏡(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)的鎖模激光器；圖1(b)為二級放大結構的非線性脈沖放大器；圖1(c)為基于負色散單模傳導光纖的脈沖壓縮器.從圖1的整體結構可以看出,種子源、脈沖放大器以及脈沖壓縮器均使用光纖器件或不同光纖組成,各部分之間使用傳導光纖進行連接,整個MOPNA系統(tǒng)不存在需要手動調節(jié)的復雜空間結構.

振蕩器由小型化封裝帶尾纖輸出的SESAM、976 nm半導體激光抽運管(laser diode pump 1,LD pump 1)、摻鉺增益光纖以及小型化封裝帶尾纖的90∶10輸出鏡(output fiber mirror,OFM)構成,其中封裝的SESAM同時集成了用于抽運激光輸入的波分復用器(wavelength division multiplexer,WDM),與尾纖輸出的 90∶10輸出鏡共同構成了諧振腔.腔內的增益介質為保偏摻鉺光纖(型號：PM-ESF-7/125).振蕩器的總腔長為50 cm,其中封裝器件尾纖(型號：PM1550)與增益光纖的長度比約為1.2∶1.振蕩器的鎖模運轉是通過SESAM的可飽和吸收效應實現(xiàn)的,腔內凈色散約為—0.0219 ps2,是傳統(tǒng)的負色散孤子鎖模,具有良好的自啟動特性.同時,全保偏光纖結構保證了振蕩器的環(huán)境穩(wěn)定性.

圖1 全保偏光纖MOPNA系統(tǒng)結構示意圖 (a)振蕩級；(b)放大級；(c)壓縮級Fig.1.Schematic diagram of MOPNA system based on all polarization maintaining fiber：(a) Oscillator；(b) amplifier；(c) compressor.

振蕩器輸出的鎖模激光脈沖經帶隔離功能的多合一保偏WDM進入光纖放大器.為了使壓縮后脈沖的寬度遠小于振蕩器直接輸出激光脈沖的脈寬,放大器采用非線性脈沖放大技術,其基本思想是：在脈沖放大過程中,通過激發(fā)非線性自相位調制效應(self-phase modulation,SPM)使光譜得到展寬.根據(jù)時間帶寬積原理,展寬后的光譜支持更短的脈沖寬度產生.同時,若放大器輸出激光脈沖的時域形狀是近拋物形的,則其對應的啁啾就以線性正啁啾為主.如此一來,后期脈沖壓縮便可采用具有二階負色散的壓縮器.根據(jù)超短脈沖自相似放大理論,當超短脈沖在具有正色散的增益光纖中進行放大時,若增益、色散、非線性及光纖長度等條件合適,可以被整形為拋物脈沖的理論[21],將放大器結構分為預放大級和主放大級.在預放大級中,采用長度為3 m的低摻雜濃度保偏摻鉺光纖作為增益介質,其色散系數(shù)為—28 ps/(km·nm),峰值吸收率為25 dB/m@1530 nm.此放大級的主要目的不是能量放大,而是利用上述理論對脈沖進行整形,故只需采用一個低功率的半導體激光器進行抽運.主放大器的增益光纖為1 m長的高摻雜濃度保偏摻鉺光纖,色散系數(shù)為—15 ps/(km·nm),峰值吸收率為98 dB/m@1530 nm,其主要功能包括兩個部分,其一是對脈沖能量進行放大,其二是利用非線性SPM效應對光譜進行展寬.為使摻鉺光纖中鉺離子得到充分利用,以獲得更高的放大激光功率,主放大級采用雙向抽運結構.

脈沖壓縮器由具有負色散特性的保偏單模光纖構成,該光纖的色散系數(shù)為18 ps/(km·nm),與放大器中增益光纖的色散系數(shù)符號相反,可用于補償脈沖在放大過程中積累的線性正啁啾.實驗中通過改變壓縮光纖的長度來優(yōu)化光纖壓縮器提供的負色散量,當放大脈沖積累的線性正啁啾全部得到補償時,便可獲得脈寬最窄的脈沖激光輸出.

進一步,采用厚度為1 mm的MgO：PPLN晶體對壓縮后的激光脈沖進行倍頻,倍頻光路結構如圖2所示,圖2中器件從左往右依次為MOPNA系統(tǒng)輸出、準直透鏡(collimating lens,C-Lens)、四分之一波片(quarter wave plate,QWP)、二分之一波片(half wave plate,HWP)、聚焦透鏡(focusing lens,F-Lens)、MgO：PPLN晶體.由文獻[22]可知,當晶體長度L與瑞利長度zR的比率為5.68時,可以實現(xiàn)最佳倍頻效率.經計算,最終選擇準直透鏡的焦距為11 mm,聚焦透鏡的焦距為18.4 mm,相應晶體中聚焦光斑的半徑為6.59 μm.在實驗中,首先利用C-Lens對MOPNA系統(tǒng)輸出的光進行準直,形成一個近似平行輸出的光束；其次,利用QWP來確保輸出脈沖保持線偏振狀態(tài)；隨后,通過旋轉HWP將MOPNA系統(tǒng)輸出光的偏振方向調至豎直,以提高倍頻效率；最后,利用F-Lens將光斑聚焦后耦合至晶體合適的極化周期,并通過優(yōu)化聚焦光斑的大小來提高倍頻激光的功率.

3 結果與分析

首先,對于振蕩器部分,如上文所述,選取了合適的增益光纖和單模光纖配比,保證了腔內總色散為近零的負色散.當LD pump 1的抽運功率達到300 mW時,振蕩器實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模運轉,輸出脈沖激光的平均功率為4.658 mW,其對應的光譜、自相關曲線、脈沖序列見圖3.從圖3(a)可以看出,振蕩器輸出激光光譜的中心波長位于1559 nm,3 dB處的光譜寬度為9.5 nm (光譜儀型號：YOKOGAWA AQ6370 D)；圖3(b)為振蕩器輸出激光脈沖的自相關曲線(自相關儀型號：FR-103 XL),假設其形狀為洛倫茲型,則脈沖寬度為257 fs；圖3(c)給出的整齊、穩(wěn)定的脈沖序列表示振蕩器鎖模狀態(tài)良好(示波器型號：ROHDE & SCHWARS RTO 1014),重復頻率為200 MHz.

圖2 倍頻光路結構示意圖Fig.2.Experimental setup for frequency doubling.

其次,根據(jù)非線性脈沖放大理論,預放大級部分需要利用正色散增益光纖獲得近拋物線型脈沖,其放大后脈沖需積累一定正色散啁啾,并且光譜形狀保持無畸變或畸變很小.為了確定出合適的抽運功率,實驗測量了不同抽運功率下的光譜形狀(圖4).從圖4可以看出,由于SPM的作用,隨著抽運功率的增大,光譜逐漸被展寬,當抽運功率增大到一定程度后,光譜形狀慢慢出現(xiàn)平頂,這是SPM效應引起的典型的光譜畸變,若進一步增大抽運功率,即提高脈沖能量,光譜將在SPM的作用下發(fā)生分裂,這不利于主放大級對脈沖能量的進一步提升.為此,最終將LD pump 2的輸出功率為設定為50 mW,并以此對預放大級中3 m長的增益光纖進行激勵.相應地,預放大級輸出放大激光的最大平均功率約15 mW,對應的光譜寬度為12 nm.圖5給出了預放大級輸出平均功率隨抽運功率的變化曲線,從圖5中可以看出,預放大級的斜率效率為25.8%.

進一步使用自相關儀對預放大級輸出功率為15 mW時的脈沖寬度進行測量(圖6),測得脈沖寬度約為1.01 ps.根據(jù)非線性脈沖放大理論,若要將脈沖預整形至拋物脈沖,需要較長的具有正色散的增益光纖.為此,預放大級選用了3 m的正色散低增益光纖.在低功率抽運情況下,脈沖寬度和形狀主要受光纖色散的影響,由于光纖長度一定,其提供的總色散量也一定,故不同抽運功率下脈沖寬度變化不大.

圖3 振蕩器輸出鎖模脈沖特性 (a)光譜；(b)自相關曲線；(c)脈沖序列Fig.3.The oscillator output：(a) Spectrum curve；(b) autocorrelation curve；(c) pulse sequence.

圖4 預放大級不同抽運功率下的光譜變化Fig.4.Variation of the spectrum profiles under different pump powers of the pre-amplifier.

圖5 預放大級輸出功率與抽運功率的變化關系Fig.5.The relationship between output power and pump power of the pre-amplifier.

為了快速地提升脈沖的峰值功率,主放大級選用高摻雜濃度的摻鉺光纖作為增益介質,并利用LD pump 3和LD pump 4對摻鉺光纖進行雙向抽運.當放大級的抽運總功率為1 W時,系統(tǒng)輸出脈沖激光的平均功率為200 mW,平均功率隨抽運功率變化的情況如圖7所示,從圖7中可以看出,主放大級的斜率效率為25%.

圖8為主放大級輸出的光譜曲線,從圖8中可以看出,高脈沖峰值功率使得光譜在強烈的非線性SPM作用下,得到了極大的展寬,相比于圖4中50 mW抽運功率對應的預放大級光譜,3 dB光譜寬度已經展寬至約60 nm,根據(jù)時間帶寬積理論,這樣的光譜保證了壓縮階段可獲得遠小于振蕩器輸出脈寬的脈沖.

圖6 預放大級抽運功率為50 mW時對應的脈沖自相關曲線Fig.6.The autocorrelation curve of pre-amplified pulse corresponding to pump power of 50 mW.

圖7 主放大級輸出功率與抽運功率的變化關系Fig.7.The relationship between output power and pump power of the main amplifier.

圖8 主放大級輸出光譜Fig.8.The spectrum output from the main amplifier.

在脈沖壓縮階段,由于不同輸出功率對應脈沖的峰值功率不同,SPM效應對光譜的展寬程度也存在差異,從而放大后脈沖的總啁啾量和補償此啁啾量所需的負色散保偏光纖的長度也不盡相同.為此,通過截取不同長度負色散光纖,實驗測量了脈沖寬度最短時所使用的壓縮光纖長度及主放大輸出功率(圖9).從圖9中可以看出,輸出功率越高,所能壓縮到的脈沖寬度越短,同時壓縮至最短脈沖所需要的光纖也越短.輸出功率與最小脈寬成反比,主要是因為主放大級輸出功率越高,對應脈沖的峰值功率越大,放大過程中由SPM效應導致的光譜展寬效果越明顯,根據(jù)時間帶寬積理論,其對應的極限脈沖寬度也越??；輸出功率與壓縮至最小脈寬所需要的光纖長度成反比,是由于輸出功率越高,主放大直接輸出激光脈沖的光譜越寬,而對應相同長度的壓縮光纖,該脈沖在負色散光纖中獲得的壓縮量就越大.因此主放大輸出脈沖功率越高,壓縮到最短脈寬所需要的壓縮光纖長度反而越短.

圖9 不同輸出功率下的最短脈寬及其對應的壓縮光纖長度Fig.9.The pulse widths versus output powers and the lengths of compression fiber.

圖10 壓縮級輸出脈沖特性 (a)光譜；(b)自相關曲線Fig.10.The optical spectrum：(a) Autocorrelation curve；(b) recompressed pulses.

圖11 二次諧波的光譜Fig.11.The spectrum of second harmonic.

在超短脈沖壓縮的優(yōu)化上,采取了兩種不同的實驗方法.第一,當輸出功率未達到最大輸出時,先截取一段較長的壓縮光纖,再通過調整LD pump 3和LD pump 4的功率來觀察自相關儀上的壓縮脈沖寬度變化,找到最短脈沖輸出,然后使用功率計測出對應壓縮光纖長度下的輸出功率.隨后,繼續(xù)截短壓縮光纖,并適當提高主放大級的抽運功率,以得到此壓縮光纖長度對應的最短脈沖并測量輸出功率,以此循環(huán),直至抽運功率基本加滿.第二,在主放大級輸出最大功率為200 mW的情況下,通過逐漸縮短壓縮光纖長度的方法,獲得最大輸出功率相應的最短壓縮脈沖寬度.實驗結果表明,當壓縮光纖長度為128.5 cm時,所得到的脈沖寬度最窄,對應的光譜及自相關曲線如圖10所示.若采用洛倫茲函數(shù)對脈沖自相關曲線進行擬合,得到壓縮后的脈沖寬度僅為44 fs,對應的峰值功率卻可達22.7 kW.這為后期的倍頻工作提供了合適的抽運光.

最后,根據(jù)系統(tǒng)輸出的激光脈沖特性,選擇厚度為1 mm的MgO：PPLN晶體進行倍頻.使用短波通濾光片將基頻光濾除后,測得輸出倍頻光功率為60 mW,倍頻效率為30%.產生二次諧波的光譜如圖11所示,中心波長位于779 nm (光譜儀型號：YOKOGAWA AQ6373 B)處,光譜的半高全寬為6.2 nm.倍頻光譜寬度較窄主要是因為晶體的長度限制了可接受的入射光的帶寬.

4 結 論

介紹了一種基于非線性放大技術的全保偏光纖MOPNA系統(tǒng),獲得了中心波長位于1559 nm處,重復頻率為200 MHz,脈沖半高全寬為44 fs的超短脈沖激光,脈沖峰值功率高達22.7 kW.該系統(tǒng)具有結構緊湊、小型化等優(yōu)點,同時,全保偏光纖結構使整個脈沖激光系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定可靠.系統(tǒng)后接的小型倍頻晶體,實現(xiàn)了780 nm波段、平均功率為60 mW的倍頻激光輸出,為可見及近紅外波段超短飛秒脈沖激光提供了一種新的思路.