位于第三近紅外窗口的平坦光纖超連續(xù)譜產(chǎn)生

紀(jì)?，摚跆鞓?，熊 浩，馬萬卓，袁 泉，孫夢茹，林 鵬

（1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

引言

鎖模光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、散熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是獲得皮秒或飛秒量級超短脈沖的有效來源之一。當(dāng)超短脈沖入射到高非線性光纖中時(shí)，在色散和非線性效應(yīng)的共同作用下，脈沖頻譜內(nèi)產(chǎn)生新的頻率成分，使得出射光的光譜寬度遠(yuǎn)大于入射光譜，輸出的寬帶光譜稱為超連續(xù)譜。超連續(xù)譜光源具有光譜范圍寬、方向性好、亮度高、空間相干性好等優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)頻率計(jì)量[1]、光學(xué)相干層析[2-3]、生物醫(yī)學(xué)顯微成像[4-5]、光通信[6]、光纖傳感[7]、光頻梳[8]等領(lǐng)域[9-11]具有非常重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。

超連續(xù)譜的研究最早開始于上世紀(jì)六七十年代，Alfano和Shapiro利用倍頻鎖模銣玻璃皮秒激光泵浦BK7光學(xué)玻璃，首次獲得400 nm～700 nm的超連續(xù)譜[12]。2017年，王方等人利用飛秒脈沖泵浦氟碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖，得到了620 nm～2 700 nm范圍內(nèi)的超連續(xù)譜[13]。2018年，Chauhan等人利用飛秒脈沖泵浦高非線性硫化物光子晶體光纖，獲得了437 nm～2 850 nm的超連續(xù)譜[14]。2019年，王凱杰等人在實(shí)驗(yàn)中觀測到束縛態(tài)耗散孤子脈沖，并利用該脈沖光泵浦光子晶體光纖，獲得了近紅外超連續(xù)譜[15]。2020年，鄒寶英等仿真模擬了飛秒量級的束縛態(tài)脈沖在高非線性單模光纖中的傳輸，并研究了不同子脈沖間隔對產(chǎn)生的超連續(xù)譜的影響[16]。綜上所述，目前對于光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究多集中于實(shí)現(xiàn)更寬的譜寬，其中很大比例的光譜成分沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，缺少針對實(shí)際應(yīng)用的特定波段的研究。此外，束縛態(tài)脈沖泵浦高非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究報(bào)道較少。針對上述問題，本文開展了對位于第三近紅外窗口（1 600 nm～1 870 nm）內(nèi)的超連續(xù)譜的研究，一方面這一窗口內(nèi)富含脂質(zhì)分子、聚合物材料等吸收峰，在聚合物材料加工、生物組織成像、氣體分子檢測等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[17]；另一方面，開展束縛態(tài)脈沖泵浦高非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究對于超連續(xù)譜的優(yōu)化和應(yīng)用具有參考價(jià)值。

本文搭建了基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器，通過微調(diào)腔內(nèi)的偏振控制器，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖與束縛態(tài)鎖模脈沖的切換。通過放大束縛態(tài)脈沖泵浦高非線性光纖，優(yōu)化光纖長度，實(shí)現(xiàn)了在第三近紅外窗口內(nèi)的平坦超連續(xù)譜輸出。在第三近紅外窗口內(nèi)的光譜成分平坦度小于1.62 dB，對于這一窗口內(nèi)的超連續(xù)譜光源的實(shí)際應(yīng)用具有極高的價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與工作原理

實(shí)驗(yàn)所采用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。我們采用980 nm分布式反饋激光器通過一個(gè)980 nm/1 550 nm波分復(fù)用器背向泵浦一段0.5 m長的高摻雜摻鉺光纖（Er80-8/125，nLIGHT）。摻鉺光纖吸收980 nm的泵浦光，由4I15/2→4I11/2能級躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射以及受激輻射產(chǎn)生1.5 μm波段光被不斷增益放大。腔內(nèi)的兩個(gè)偏振控制器和一個(gè)偏振相關(guān)的隔離器共同構(gòu)成類可飽和吸收體結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)激光的模式鎖定。腔內(nèi)10%的光經(jīng)過光纖耦合器1輸出到腔外，剩下的90%的光反饋回腔內(nèi)。輸出到腔外的激光經(jīng)過耦合器2的20%端口輸入光譜分析儀用于顯示并記錄光譜，經(jīng)過80%端口被連接到腔外的摻鉺光纖放大器。腔外的摻鉺光纖放大器由980 nm半導(dǎo)體激光器、980 nm/1 550 nm波分復(fù)用器和2 m長的摻鉺光纖組成，采用背向泵浦的放大結(jié)構(gòu)。放大后的脈沖光泵浦一段57 m長的高非線性光纖，實(shí)驗(yàn)中采用的高非線性光纖的數(shù)值孔徑為0.35，傳輸損耗小于1.5 dB/km，非線性系數(shù)為10 W?1km?1。整個(gè)結(jié)構(gòu)腔內(nèi)直接輸出和經(jīng)過高非線性光纖后輸出的光譜均由光譜分析儀（optical spectrum analyzer，YOKOGAWA AQ6375）觀測并采集，光譜儀最小分辨率為0.01 nm。脈沖序列通過10 GHz高速光電探測器（photodetector）采集，由高速示波器（oscilloscope，Agilent DSO9254A）觀測并存儲(chǔ)。脈沖信號的頻譜通過頻譜分析儀（FSA，Agilent N1996A）觀測，自相關(guān)曲線通過自相關(guān)儀（Auto-correlator，F(xiàn)R-103XL）采集。

圖1 近紅外超連續(xù)譜光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental structure of fiber laser with near-infrared super-continuum spectrum

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)偏振控制器和980 nm半導(dǎo)體激光器的輸出功率來改變環(huán)形腔輸出的激光的狀態(tài)。當(dāng)泵浦功率達(dá)到234 mW時(shí)，達(dá)到激光器鎖模閾值，觀測到1 560 nm脈沖激光輸出，光譜如圖2（a）所示。光譜兩側(cè)對稱的分布著的Kelly邊帶表明激光器處于傳統(tǒng)孤子鎖模狀態(tài)，其中心波長為1 562.9 nm，光譜3 dB帶寬為7.39 nm。此時(shí)，激光器工作在基頻被動(dòng)鎖模狀態(tài)，其脈沖序列如圖2（b）所示，可以看到在800 ns范圍內(nèi)所有的脈沖均勻分布，每個(gè)脈沖幅度基本一致，相鄰脈沖間隔為29.85 ns，對應(yīng)于脈沖的重復(fù)頻率為33.5 MHz。整個(gè)光纖環(huán)形腔的長度約為6 m，可以理論計(jì)算出重復(fù)頻率值為33.3 MHz，非常接近實(shí)際測量值。通過圖2（c）中自相關(guān)曲線可以看出輸出脈沖的脈沖寬度為822 fs，為典型的傳統(tǒng)孤子自相關(guān)跡。圖2（d）所示為所測得脈沖的頻譜，55.8 dB的信噪比表明鎖模脈沖的運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，當(dāng)泵浦功率增加到439 mW時(shí)，輸出功率為2.8 mW，對應(yīng)的單脈沖能量為83.6 pJ。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results

保持泵浦功率為439 mW，在微調(diào)偏振控制器的過程中，非線性偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)制中類可飽和吸收體的損耗發(fā)生變化，導(dǎo)致泵浦功率超過了脈沖分裂的閾值，原脈沖將分裂為多個(gè)間隔很近的新脈沖即實(shí)現(xiàn)了孤子分子脈沖輸出。光譜如圖3（a）所示，呈現(xiàn)出Kelly邊帶與束縛態(tài)孤子共存的狀態(tài)，在兩個(gè)邊帶之間存在4個(gè)干涉條紋。這與先前論文中束縛態(tài)脈沖的形成與Kelly邊帶相關(guān)的色散波這一說法相契合，從第一脈沖發(fā)射的色散波與第二脈沖產(chǎn)生非線性結(jié)合相互作用，即孤子-連續(xù)體相互作用（soliton-continuum interaction）[18]。在圖3（b）自相關(guān)曲線中，脈沖間隔為493 fs，在雙曲正割擬合下的中心峰值的半高全寬為312 fs。脈沖的頻譜如圖3（c）所示，信噪比為53.86 dB，顯示了脈沖很好的穩(wěn)定性。示波器測得的脈沖序列如圖3（d）所示。通過微調(diào)偏振控制器，可以在耦合器2的20%輸出端口分別探測到傳統(tǒng)孤子和孤子分子兩種脈沖輸出，可以很好地實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的切換。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results

通過摻鉺光纖放大器放大后的泵浦功率和輸出功率的關(guān)系如圖4（a）所示。當(dāng)泵浦功率達(dá)到239 mW時(shí)，2.8 mW 的信號光被放大到89 mW。放大前后的光譜在圖4（b）中，摻鉺光纖放大器中的摻鉺光纖在c波段具有更高的增益，可以明顯看出c波段的放大效果優(yōu)于l波段。放大后的脈沖經(jīng)大功率光纖隔離器注入57 m的高非線性光纖。在高非線性光纖中，受到受激拉曼散射、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻等非線性效應(yīng)的共同作用，泵浦光的光譜得到展寬。圖4（c）表示不同泵浦功率輸出的超連續(xù)譜，可以明顯看出，隨著泵浦功率的增大，超連續(xù)譜逐漸展寬。在89 mW的泵浦功率下的光譜如圖4（d）所示，在1 560 nm附近還殘留有泵浦光，在第三近紅外窗口內(nèi)的超連續(xù)譜具有小于1.62 dB的平坦度。整個(gè)超連續(xù)譜的20 dB譜寬高達(dá)355.8 nm，且完全覆蓋住1 600 nm～1 870 nm的第三近紅外窗口。由于在這一窗口范圍內(nèi)存在大量的分子吸收峰，并且恰好位于水分子的吸收峰之間的波谷，較小的水吸收系數(shù)和大量的分子吸收譜線使得這一波段的寬譜光源在包括深層生物成像、光譜分析和材料處理等應(yīng)用領(lǐng)域具有潛在的價(jià)值。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results

3 結(jié)論

本文報(bào)道了一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的光纖激光器，通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振控制器控制腔內(nèi)運(yùn)行激光的偏振狀態(tài)，可以分別輸出穩(wěn)定的傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖和束縛態(tài)鎖模脈沖。通過放大后的束縛態(tài)脈沖泵浦高非線性光纖，實(shí)現(xiàn)了位于第三近紅外窗口、355.8nm（20dB）帶寬的平坦超連續(xù)譜。激光器整體的結(jié)構(gòu)簡單，腔內(nèi)輸出脈沖穩(wěn)定性好。實(shí)驗(yàn)所得的超連續(xù)譜完全覆蓋第三近紅外窗口且平坦度小于1.62 dB，對于在該窗口處的光譜分析、材料處理、生物醫(yī)用成像等應(yīng)用具有極高的價(jià)值。實(shí)驗(yàn)中對于鎖模脈沖狀態(tài)切換的研究存在不足，沒有完成對于腔內(nèi)孤子變化的動(dòng)力學(xué)分析，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究將被繼續(xù)進(jìn)行下去。