高功率全光纖1.6 微米類噪聲方形脈沖激光器*

竇志遠(yuǎn) 張斌2)3) 劉帥林 侯靜2)3)?

1) (國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院, 高能激光技術(shù)研究所, 長(zhǎng)沙 410073)

2) (脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410073)

3) (高能激光技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410073)

1 引 言

被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器可用于獲得從飛秒到微秒各時(shí)間尺度的脈沖, 其在光通信、精密計(jì)量、激光加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1?3]. 傳統(tǒng)的摻鉺光纖激光器主要工作波長(zhǎng)位于C 帶(1530—1565 nm)[4?7], 由于L 帶(1565—1625 nm)激光在密集波分復(fù)用系統(tǒng)、生物醫(yī)療等方面有著極其重要的應(yīng)用, 因此在L 帶也涌現(xiàn)出了許多研究成果[8,9]. 然而相比于C 帶, 摻鉺光纖在1.6 μm 以上發(fā)射區(qū)的有效增益系數(shù)非常小, 很難獲得激光發(fā)射, 其激光放大也將受到很強(qiáng)C 帶自發(fā)輻射的影響[10,11]. 基于上述原因, 對(duì)L 帶光纖激光器的研究主要集中在短波L 帶(1565—1600 nm), 無(wú)論是連續(xù)光激光器還是脈沖光激光器, 發(fā)射波長(zhǎng)在1.6 μm以上的摻鉺或鉺鐿共摻光纖振蕩器的報(bào)道都非常少.

使用光纖光柵、濾波器等波長(zhǎng)選擇元器件作可以獲得對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的振蕩激光. 另外, 理論證明, 摻鉺激光器的發(fā)射波長(zhǎng)與腔損耗、所使用增益光纖的長(zhǎng)度、鉺離子摻雜濃度有直接關(guān)系[12?14]. 通過(guò)合理控制三個(gè)參數(shù), 在無(wú)波長(zhǎng)選擇元器件的激光腔中仍可獲得1.6 μm 以上的激光發(fā)射. 文獻(xiàn)[15]中報(bào)道, 當(dāng)摻鉺光纖保持適度的能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)水平(30%—40%), 有利于在1.6 μm 獲得較高的增益. 通過(guò)插入一個(gè)可調(diào)節(jié)衰減器, 優(yōu)化調(diào)整腔內(nèi)線性插入損耗, 可以使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)維持在一個(gè)合適的水平, 從而獲得1.6 μm 波長(zhǎng)輸出. 一般較低的腔內(nèi)損耗有利于長(zhǎng)波發(fā)射[13]. 基于對(duì)腔內(nèi)插入損耗的控制, 利用石墨烯、拓?fù)浣^緣體等材料類可飽和吸收體可獲得1.6 μm 波段諧波傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖輸出[16,17].使用較長(zhǎng)的摻鉺光纖也是獲得1.6 μm 發(fā)射的一種有效方式[18]. 較長(zhǎng)的增益光纖可以抑制短波發(fā)射,增強(qiáng)長(zhǎng)波發(fā)射. 2016 年, Yan 等[18]利用較長(zhǎng)的摻鉺光纖在1602 nm 處獲得了耗散孤子輸出. 同年,Wang 等[11]通過(guò)級(jí)聯(lián)一段高摻雜摻鉺光纖保證適中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn), 以限制C 帶發(fā)射, 獲得了1.6 μm波段的全光纖自相似子輸出. 事實(shí)上, 鉺鐿共摻光纖的帶內(nèi)吸收作為增益光纖極為重要的一項(xiàng)參數(shù),直接影響C 帶的吸收和發(fā)射, 進(jìn)而影響L 帶的發(fā)射, 但目前沒(méi)有關(guān)于帶內(nèi)吸收調(diào)控對(duì)輸出波長(zhǎng)影響的直接研究報(bào)道.

在反常色散全光纖鎖模激光器中, 傳統(tǒng)孤子容易受到非線性積累的影響而分裂, 因而很難獲得高功率大能量的脈沖輸出[19]. 近年來(lái), 耗散孤子諧振作為一種新型的脈沖形式, 受到峰值功率鉗制效應(yīng)的影響, 脈沖時(shí)域包絡(luò)一般為矩形. 隨著泵浦功率的升高, 脈沖寬度相應(yīng)變寬而不易分裂[20?22].2014 年, Zheng 等[23,24]發(fā)現(xiàn)了一種類噪聲方形脈沖, 不同于耗散孤子諧振, 這種脈沖是由大量飛秒-皮秒量級(jí)子脈沖構(gòu)成的脈沖包絡(luò), 在光學(xué)相干層析、超連續(xù)譜產(chǎn)生、微加工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛, 其脈沖演化過(guò)程與耗散孤子諧振脈沖極其相似, 同樣不易分裂. 方形脈沖的出現(xiàn)為在凈反常色散區(qū)實(shí)現(xiàn)高功率大能量全光纖鎖模激光器提供了全新的解決思路. 目前工作波長(zhǎng)在1.6 μm 以上的鉺鐿共摻全光纖脈沖激光器輸出功率局限在百毫瓦量級(jí)[10,11,15,16,18].

本文為了獲得工作波長(zhǎng)在1.6 μm 以上的瓦量級(jí)高功率大能量鉺鐿共摻全光纖鎖模激光器, 利用緊湊的啞鈴形結(jié)構(gòu)腔設(shè)計(jì), 結(jié)合大模面積雙包層鉺鐿 共 摻 光 纖(Er-Yb co-doped double-clad fiber,EYDF), 使得激光器可以高效地工作在較大泵浦功率下. 實(shí)驗(yàn)中使用兩種具有不同帶內(nèi)吸收系數(shù)的EYDF, 首次直接證明了帶內(nèi)吸收調(diào)控可作為一種有效的波長(zhǎng)控制方法, 高帶內(nèi)吸收有利于長(zhǎng)波的發(fā)射. 實(shí)驗(yàn)中獲得了高穩(wěn)定1.6 μm 高功率大能量類噪聲方形脈沖, 最大平均輸出功率和單脈沖能量分別為1.16 W 和1.26 μJ. 首次研究了附加插入損耗對(duì)類噪聲方形脈沖鎖模激光器輸出特性的影響,證明利用高帶內(nèi)吸收系數(shù)的EYDF 設(shè)計(jì)的激光器對(duì)1.6 μm 輸出波長(zhǎng)具備極強(qiáng)的魯棒性.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

啞鈴形結(jié)構(gòu)全光纖EYDF 鎖模激光器裝置如圖1 所示. 泵浦源為一個(gè)高穩(wěn)定商用976 nm 多模半導(dǎo)體激光器(LD), 最大輸出功率為8 W. 泵浦光通過(guò)一個(gè)(2+1) × 1 合束器(Combiner)進(jìn)入到大模面積EYDF 中. 為了研究帶內(nèi)吸收對(duì)激光器輸出波長(zhǎng)的影響, 作為對(duì)比, 采用了兩種具備不同帶內(nèi)吸收系數(shù)的EYDF 作為增益介質(zhì). 兩種光纖在1530 nm 處的特征帶內(nèi)纖芯吸收系數(shù)分別100 dB/m(EYDF1)和50 dB/m(EYDF2).兩 種光纖具有相同的長(zhǎng)度、纖芯/包層直徑、數(shù)值孔徑以 及976 nm 處 泵 浦 吸 收 系 數(shù),分 別 為4.1 m、10/125 μm、0.21 和9 dB/m. 殘余的976 nm 泵浦光以及泄露到包層中的信號(hào)光通過(guò)包層光功率剝除器(cladding power stripper, CPS)進(jìn)行濾除,以避免其對(duì)鎖模輸出穩(wěn)定性造成影響. 結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別為兩個(gè)Sagnac 光學(xué)環(huán)形鏡, 由于整體結(jié)構(gòu)外形近似于啞鈴, 所以稱這種結(jié)構(gòu)為啞鈴形結(jié)構(gòu). 通過(guò)靈活設(shè)計(jì)左右兩側(cè)的Sagnac 反射環(huán), 可以在這種腔內(nèi)獲得不同類型的脈沖激光輸出. 對(duì)比經(jīng)典的八字環(huán)形腔結(jié)構(gòu), 啞鈴形結(jié)構(gòu)具備更強(qiáng)的設(shè)計(jì)靈活性. 左側(cè)為非線性光學(xué)環(huán)形鏡(nonlinear optical loop mirror, NOLM), 由耦合器(coupler1)、兩個(gè)偏振控制器(PC)、一段200 m 長(zhǎng)的SMF28e+光纖構(gòu)成. 此環(huán)形鏡在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起著極其重要的作用, 其不僅可以作為反射鏡和耦合輸出端, 而且作為快速可飽和吸收體起到了啟動(dòng)鎖模激光器的作用. 耦合器(coupler1)的分束比為10∶90. 右側(cè)為一個(gè)簡(jiǎn)單Sagnac 反射環(huán), 由一個(gè)分束比為50∶50的耦合器構(gòu)成, 環(huán)長(zhǎng)約為1.5 m. 用一個(gè)1610 nm連續(xù)激光器測(cè)試其實(shí)際的分束比約為48∶52, 由于接近50∶50 分束比, 使得進(jìn)入耦合器的相向傳輸?shù)募す鉄o(wú)法積累足夠的非線性相移差, 即無(wú)法起到飽和吸收體的作用, 因此右側(cè)的Sagnac 反射環(huán)僅僅起到了高反射鏡的作用. 線性腔為嚴(yán)格的全光纖結(jié)構(gòu), 無(wú)隔離器, 降低了腔內(nèi)損耗, 提升激光器整體光光效率, 進(jìn)而降低腔熱負(fù)載. 同時(shí)結(jié)合大模面積EYDF, 使得激光器可以高效的工作在較高的泵浦功率下, 進(jìn)而獲得高功率、大能量脈沖激光輸出.激光在腔內(nèi)繞行一周經(jīng)過(guò)的光纖的長(zhǎng)度約為221 m. 激光器工作在大凈負(fù)色散區(qū).

圖1 啞鈴形全光纖EYDF 激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1. Experiment setup of dumbbell-shaped all-fiber modelocked EYDF fiber laser.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)主要研究增益光纖帶內(nèi)吸收、附加插入損耗對(duì)輸出脈沖特性的影響, 基于對(duì)二種因素的討論, 獲得高穩(wěn)定1.6 μm 高功率大能量類噪聲方形鎖模脈沖輸出.

3.1 帶內(nèi)吸收對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響

為了研究帶內(nèi)吸收對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響, 依次分別將EYDF1 與EYDF2 接入腔內(nèi), 測(cè)試不同增益光纖條件下的輸出特性. 首先將EYDF1 接入激光器內(nèi), 隨著泵浦功率的升高至150 mW, 觀察到激光器放大自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission, ASE)光譜. 圖2(藍(lán)色線)為測(cè)得的ASE 光譜圖形. 其中心位于1.61 μm, 表明激光器在此波長(zhǎng)附近可獲得較高的增益. 進(jìn)一步增加泵浦功率, 激光器輸出1.61 μm 連續(xù)光(continuouswave, CW), 光譜如圖2(紅色線)所示. 精細(xì)調(diào)節(jié)偏振控制器, 同時(shí)增加泵浦功率, 可以獲得穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出. 圖3(a)和3(b)為測(cè)得的脈沖包絡(luò)和光譜隨泵浦功率升高的演化過(guò)程. 脈沖寬度隨著泵浦功率的升高持續(xù)變寬, 脈寬從2.3 ns 近線性增至118 ns, 脈沖形狀始終保持為標(biāo)準(zhǔn)的矩形. 增大泵浦功率的過(guò)程中, 沒(méi)有觀察到脈沖分裂、畸變等不穩(wěn)定現(xiàn)象. 隨泵浦功率的升高, 光譜一直保持穩(wěn)定的平滑類超高斯形, 強(qiáng)度逐漸升高, 輸出光譜中心 波 長(zhǎng) 穩(wěn) 定 在1612 nm, 3 dB 譜 寬 始 終 保 持 在7.8 nm 附近. 圖3(c)為在泵浦功率為8 W 時(shí)的頻譜圖, 激光器重復(fù)頻率為923.3 kHz, 信噪比達(dá)70 dB.插圖為100 MHz 范圍的頻譜圖, 具有8.5 MHz 的固定調(diào)制周期, 此周期與輸出脈沖的脈寬有關(guān), 其值為脈沖寬度的倒數(shù). 以上測(cè)量結(jié)果表明激光器實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的單脈沖鎖模運(yùn)轉(zhuǎn). 耗散孤子諧振與方形類噪聲脈沖有著類似的時(shí)域變化特點(diǎn), 其主要的差異為耗散孤子為單一脈沖, 而方形類噪聲脈沖是由一系列超短脈沖組成脈沖包絡(luò), 其自相關(guān)軌跡會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰[25,26]. 為了確認(rèn)激光器是否工作在類噪聲脈沖狀態(tài), 圖3(d)給出了50 ps 范圍內(nèi)的自相關(guān)結(jié)果, 窄的干涉峰位于寬底座中央, 證明獲得的方形脈沖為類噪聲脈沖. 由于包絡(luò)為脈寬在百納秒量級(jí)方形脈沖, 因此在50 ps 范圍內(nèi), 包絡(luò)的自相關(guān)底座為一條平坦的直線. 插圖為5 ps 范圍內(nèi)的自相關(guān)軌跡, 假設(shè)脈沖為Sech 型脈沖, 擬合后的脈寬為510 fs, 此脈寬反應(yīng)類噪聲脈沖波包中超短脈沖的平均脈寬[27].

圖2 對(duì) 應(yīng)EYDF1 和EYDF2 的 放 大 自 發(fā) 輻 射 和 連 續(xù) 光輸出光譜Fig. 2. The output optical spectra of ASE and CW of EYDF1 and EYDF2.

為了研究帶內(nèi)吸收對(duì)輸出波長(zhǎng)的影響, 用EYDF2 將EYDF1 進(jìn)行替換. 增加泵浦功率至140 mW, 觀察到明顯的ASE, 如圖2(橙色線)所示. ASE 光譜中心波長(zhǎng)移到1567 nm 附近. 繼續(xù)增加泵浦功率, 獲得1566 nm 處的穩(wěn)定CW 輸出, 其光譜如圖2(紫色線)所示. 進(jìn)一步增大泵浦功率同時(shí)調(diào)節(jié)偏振控制器, 可以獲得穩(wěn)定鎖模輸出. 時(shí)域和光譜隨泵浦功率的演化, 如圖3(e)和圖3(f)所示. 隨著泵浦功率的升高, 由于左側(cè)NOLM 誘導(dǎo)的峰值功率鉗制效應(yīng), 峰值功率無(wú)法增大, 脈沖寬度從4.6 ns 近似線性展寬至112 ns, 脈沖形狀始終保持矩形. 演化過(guò)程中, 脈沖始終保持穩(wěn)定, 沒(méi)有觀察到脈沖分裂等不穩(wěn)定現(xiàn)象. 光譜中心波長(zhǎng)始終位于1566 nm, 3 dB 譜寬穩(wěn)定在5.4 nm 附近. 信噪比可以達(dá)到65 dB, 觀察到其自相關(guān)軌跡同樣出現(xiàn)一個(gè)窄干涉峰, 假設(shè)干涉峰為Sech 型脈沖, 干涉峰寬度為650 fs, 說(shuō)明利用EYDF2 獲得的方形脈沖也為類噪聲方形脈沖.

圖3 對(duì)應(yīng)EYDF1 的輸出脈沖 (a)時(shí)域、(b)光譜演化過(guò)程; (c)一次諧波射頻譜和100 MHz 范圍的射頻譜(插圖); (d) 50 ps 范圍的自相關(guān)跡和5 ps 自相關(guān)跡(插圖);對(duì)應(yīng)EYDF2 的輸出脈沖的(e)時(shí)域、(f)光譜演化過(guò)程Fig. 3. (a) Output pulse waveforms, and (b) optical spectra evolution at different pump power of EYDF1; (c) autocorrelation trace over a 50 ps span for EYDF1 (the inset shows the autocorrelation trace with 5 ps span); (d) RF spectrum at the fundamental frequency for EYDF1 (the inset shows broadband RF spectra with 100 MHz span); (e) output pulse waveforms, and (f) optical spectra evolution at different pump power of EYDF2.

EYDF1 和EYDF2 帶內(nèi)吸收系數(shù)有很大的差異, 對(duì)于EYDF1, 較強(qiáng)的帶內(nèi)吸收增加了C 波段的損耗, 使得1.61 μm 獲得足夠的增益. 相反EYDF2帶內(nèi)吸收較小, 強(qiáng)烈的增益競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致長(zhǎng)L 帶很難獲得足夠的增益. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明, 帶內(nèi)吸收的大小對(duì)輸出波長(zhǎng)有極其重要的影響. 同時(shí)此實(shí)驗(yàn)也可以直接指導(dǎo)1.6 μm 鎖模激光器的設(shè)計(jì).

圖4 為使用EYDF1 和EYDF2 作為增益介質(zhì)的激光器的輸出功率和峰值功率隨泵浦功率變化曲線圖, 可以發(fā)現(xiàn)二者的輸出功率都呈現(xiàn)近線性增長(zhǎng), 沒(méi)有出現(xiàn)明顯的功率飽和效應(yīng). 受限于泵浦LD 的泵浦功率, 通過(guò)EYDF1 和EYDF2 獲得最大的輸出功率分別為1.16 W 和1.21 W, 對(duì)應(yīng)最大單脈沖能量分別為1.26 μJ 和1.32 μJ, 光光效率分別為14.5%和15.1%. 通過(guò)優(yōu)化熱管理, 如用導(dǎo)熱膠覆蓋整個(gè)激光腔并且增加水冷散熱, 同時(shí)提升泵浦功率, 輸出功率可以獲得進(jìn)一步提升. 通過(guò)EYDF1 獲得的1.16 W 輸出是首次在工作波長(zhǎng)1.6 μm 以上的全光纖EYDF 鎖模激光器中實(shí)現(xiàn)的瓦量級(jí)輸出. 一般而言, EYDF 在1.56 μm 處的增益高于1.61 μm, 同時(shí)1.56 μm 的量子效率更高,可以獲得更高功率的輸出. 但在本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,1.56 μm 處獲得的輸出功率基本和1.61 μm 持平.由于實(shí)驗(yàn)中, 為了達(dá)到對(duì)C 帶輸出波長(zhǎng)的抑制, 使用了4.1 m 長(zhǎng)的增益光纖, 總吸收達(dá)到了36 dB,注入的泵浦光在前兩米增益光纖內(nèi)就已經(jīng)吸收殆盡. 可以認(rèn)為后兩米增益光纖, 不僅無(wú)法起到對(duì)信號(hào)光的有效放大, 而且對(duì)信號(hào)光有較大的損耗, 所以導(dǎo)致了1.56 μm 激光輸出功率偏小. 而對(duì)于1.61 μm 輸出激光而言, 在腔內(nèi)形成1.61 μm 激光振蕩后, 未泵浦的增益光纖對(duì)1.61 μm 吸收很弱,導(dǎo)致?lián)p耗相對(duì)較小. 最終導(dǎo)致兩個(gè)輸出功率非常相近. 在泵浦功率增大的過(guò)程中, 峰值功率基本保持恒定, 分別為10.3 W 和11 W. 由于輸出峰值功率相似, 說(shuō)明左側(cè)NOLM 的開關(guān)功率很接近. 因此證明在長(zhǎng)腔的啞鈴形結(jié)構(gòu)中, 增益光纖自身的增益特點(diǎn)對(duì)輸出脈沖峰值影響較小. 激光器腔長(zhǎng)達(dá)到200 多米, 增益光纖本身的色散和非線性對(duì)輸出結(jié)果影響很小, 所以其輸出特點(diǎn)主要由左側(cè)NOLM所決定. 基于上面實(shí)驗(yàn)分析, 選定EYDF1 作為增益光纖, 完成后續(xù)的實(shí)驗(yàn).

3.2 插入損耗對(duì)輸出的波長(zhǎng)的影響

插入損耗是另外一個(gè)影響激光器發(fā)射波長(zhǎng)的重要因素. 為了研究評(píng)估插入損耗對(duì)輸出波長(zhǎng)、以及脈沖時(shí)域特征的影響, 在激光器結(jié)構(gòu)的A 位置加入可變的附加插入損耗(如圖1 所示). 本實(shí)驗(yàn)中插入損耗利用光纖徑向錯(cuò)位熔接來(lái)獲得, 不同的徑向錯(cuò)位距離可以加入不同大小的插入損耗. 利用這種方式加入的附加插入損耗, 具備較高的損傷閾值, 可工作于較高泵浦功率下. 每個(gè)錯(cuò)位熔接點(diǎn)的損耗大小都通過(guò)1.56 和1.61 μm 的連續(xù)光進(jìn)行測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)波長(zhǎng)處, 所獲得的損耗基本一致,說(shuō)明錯(cuò)位熔接方式引入的損耗在1.56—1.61 μm沒(méi)有明顯的波長(zhǎng)選擇特點(diǎn).

在加入不同大小的附加插入損耗時(shí), 通過(guò)細(xì)致優(yōu)化腔內(nèi)偏振狀態(tài), 激光器仍可以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)在類噪聲方形脈沖鎖模狀態(tài). 圖5 為在不同的附加插入損耗下, 激光器的輸出特性圖. 圖5(a)為注入泵浦功率8 W 時(shí), 隨著附加插入損耗的增大, 輸出的鎖模光譜的演化過(guò)程. 未加入附加插入損耗時(shí), 輸出光譜僅在1612 nm 處有單一寬譜發(fā)射峰. 隨著附加插入損耗的增大, 1566 nm 處出現(xiàn)發(fā)射峰, 并且與1612 nm 處的峰值的強(qiáng)度差越來(lái)越小, 同時(shí)1612 nm 處的3 dB 光譜寬度始終保持在8 nm 附近. 當(dāng)插入損耗過(guò)大時(shí)(圖中為附加插入損耗在7.9 dB 的情況), 1.6 μm 被徹底抑制, 中心波長(zhǎng)切換到1566 nm 成為主發(fā)射峰, 其3 dB 光譜寬度為5.3 nm. 由于較高的插入損耗, 導(dǎo)致獲得激光發(fā)射需要更高的反轉(zhuǎn)粒子數(shù), 破壞了產(chǎn)生1.6 μm發(fā)射的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件[15], 因此1.6 μm 無(wú)法獲得足夠增益. 附加插入損耗位于激光器的線性部分,腔內(nèi)激光在腔內(nèi)繞行一圈, 需要兩次經(jīng)過(guò)附加損耗點(diǎn), 所以實(shí)際附加損耗為上述損耗值的兩倍. 在實(shí)際凈附加插入損耗達(dá)到10 dB 時(shí)(2 × 5 dB), 激光器仍然可以穩(wěn)定發(fā)射1612 nm 脈沖激光. 作為對(duì)比, 文獻(xiàn)[15]報(bào)道的1.6 μm 八字腔EYDF 鎖模激光器, 在插入損耗為1.1 dB 時(shí), 1570 nm 附近就已經(jīng)出現(xiàn)了與1.6 μm 相當(dāng)?shù)膹?qiáng)發(fā)射峰. 說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)激光器的輸出波長(zhǎng)對(duì)附加插入損耗具有較強(qiáng)的魯棒性, 主要?dú)w因于所使用增益光纖(EYDF1)有著較大的帶內(nèi)吸收, 強(qiáng)烈抑制了C 帶的發(fā)射.

圖5(b)—圖5(d)為在不同插入損耗下輸出功率、輸出脈沖寬度和峰值功率隨泵浦功率的變化曲線. 在不同附加插入損耗下, 激光器輸出功率和脈沖周期隨著泵浦功率的升高線性增大, 而峰值功率保持在一個(gè)穩(wěn)定值, 沒(méi)有明顯的變化. 隨著附加插入損耗的增大, 輸出的最大功率和脈沖寬度可調(diào)節(jié)范圍一直在減小. 在插入損耗為7.9 dB 時(shí), 最大輸出功率僅為206 mW, 比0 dB 時(shí)的結(jié)果, 下降了82%, 脈寬調(diào)節(jié)范圍為1.6—26 ns, 與0 dB 時(shí)的2.3—118 ns 相比, 調(diào)諧范圍降幅為79%, 激光器輸出性能受限. 但插入損耗對(duì)輸出峰值功率影響相對(duì)較小, 在插入損耗為7.9 dB 時(shí), 峰值功率為8.5 W,對(duì)比0 dB 時(shí)的結(jié)果, 僅下降了17%. 左側(cè)的NOLM作為快速可飽和吸收體起到了啟動(dòng)鎖模激光器的作用. NOLM 的啟動(dòng)需要滿足一定峰值功率, 使得進(jìn)入NOLM 腔內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较虻墓猥@得足夠非線性相移差, 達(dá)到NOLM 的反飽和吸收的開關(guān)條件. 在本實(shí)驗(yàn)中, 盡管插入損耗使得激光器效率顯著降低, 但是要進(jìn)入鎖模狀態(tài)就必須滿足NOLM 的啟動(dòng)條件, 同時(shí)左側(cè)NOLM 是激光器的耦合輸出端, 所以附加插入損耗對(duì)所設(shè)計(jì)的激光器輸出脈沖的峰值功率影響較小.

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了基于啞鈴形結(jié)構(gòu)的高功率全光纖EYDF 鎖模激光器. 無(wú)隔離器設(shè)計(jì), 降低了腔內(nèi)損耗, 提升整體光光效率, 進(jìn)而降低腔熱負(fù)載, 同時(shí)結(jié)合大模面積EYDF, 使得激光器可以高效的工作在較高的泵浦功率下. 利用兩種具有不同的帶內(nèi)吸收系數(shù)的EYDF 首次證明了帶內(nèi)吸收調(diào)控可作為一種有效的波長(zhǎng)控制方法, 高帶內(nèi)吸收有利于1.6 μm激光的產(chǎn)生. 實(shí)驗(yàn)中獲得了工作波長(zhǎng)1612 nm 的高功率類噪聲方形脈沖激光, 最大的輸出功率和單脈沖能量分別為1.16 W 和1.26 μJ. 同時(shí)首次研究了附加插入損耗對(duì)類噪聲方形脈沖鎖模激光器輸出特性的影響. 附加插入損耗使得激光器效率顯著降低, 但對(duì)激光器輸出脈沖的峰值功率影響較小.隨著附加插入損耗的增加, 在1566 nm 處出現(xiàn)發(fā)射峰, 并且越來(lái)越強(qiáng), 最終1.6 μm 被徹底抑制. 在總附加插入損耗為10 dB 時(shí), 激光器仍然可以穩(wěn)定發(fā)射1.6 μm 鎖模脈沖, 說(shuō)明使用高帶內(nèi)吸收系數(shù)EYDF 作為增益介質(zhì)的激光器對(duì)1.6 μm 輸出波長(zhǎng)具備極強(qiáng)的魯棒性.