基于鎖模技術(shù)的光纖脈沖激光研究

李曉輝,楊昌興,趙 陽(yáng),王亞民,王 鵬

(陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119；西安市光信息調(diào)控與增強(qiáng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119)

具有極窄脈沖寬度的超短光脈沖，在物理、生物、化學(xué)以及半導(dǎo)體等領(lǐng)域中的微觀超快過(guò)程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值；又因其具有高能量和寬光譜特點(diǎn)，在激光微處理、激光打標(biāo)、激光治療以及高速光通信等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用[1-4]。近年來(lái)，超短脈沖光纖激光器已經(jīng)成為眾多研究學(xué)者青睞的研究方向。一般來(lái)說(shuō)，鎖模是得到超短光脈沖激光最有效的方法,其中主動(dòng)鎖模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且由于調(diào)制器調(diào)制頻率的限制其很難實(shí)現(xiàn)飛秒(fs)量級(jí)脈寬；而被動(dòng)鎖模因?yàn)橐揽恐C振腔自身鎖模，因而可以產(chǎn)生飛秒(fs)量級(jí)的超短脈沖，且其諧振腔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積小、易啟動(dòng)等特點(diǎn)。2003年，Oilday等[5]提出利用非線性光學(xué)環(huán)鏡(NOLM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈寬50 fs的無(wú)光波分裂脈沖輸出。此外，被動(dòng)鎖模技術(shù)可以產(chǎn)生高重復(fù)頻率的諧波鎖模脈沖輸出，自1992年Grudinin等[6]首次報(bào)道了鉺鐿共摻光纖激光器被動(dòng)諧波鎖模的實(shí)驗(yàn)觀察以來(lái)，這方面取得了一些重要進(jìn)展。例如，使用重?fù)诫s或雙包層有源光纖來(lái)縮短整個(gè)激光腔的長(zhǎng)度，使用半導(dǎo)體可飽和吸收體或相位調(diào)制器來(lái)縮放和穩(wěn)定重復(fù)率[6-9]；2020年，F(xiàn)eng等[10]將二維韌性過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔顰g2S集成到光纖激光器中作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了諧波鎖模，并首次實(shí)現(xiàn)了基于SnS可飽和吸收體的諧波鎖模[11]。

在獲得超短光脈沖技術(shù)中，較傳統(tǒng)激光器而言，基于NPR效應(yīng)的被動(dòng)鎖模光纖激光器具有精簡(jiǎn)緊密的諧振腔、高損傷閾值以及短響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)[12-13]。1992年英國(guó)科學(xué)家Matsas等[14]第一次把NPR技術(shù)運(yùn)用到自啟動(dòng)被動(dòng)鎖模光纖環(huán)型激光器中，得到了穩(wěn)定的納秒量級(jí)的孤子脈沖輸出；2007年，Tang等[15]利用NPR鎖模的摻鉺光纖激光器，通過(guò)有效控制腔內(nèi)非線性，獲得了脈寬窄至47 fs的脈沖輸出；Ma等[16]搭建了非線性偏振旋轉(zhuǎn)被動(dòng)鎖模摻鉺氧化鋯光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為0.32 ps的脈沖輸出。與此同時(shí)，利用NPR技術(shù)來(lái)獲得諧波鎖模脈沖輸出也取得了一定的進(jìn)展。2007年，Zhang等[17]展示了一種基于NPR效應(yīng)的被動(dòng)諧波鎖模摻鉺光纖環(huán)型激光器，實(shí)驗(yàn)證明其可伸縮重復(fù)頻率高達(dá)1.2 GHz，且在439 MHz和1.145 GHz下，諧波鎖模脈沖串的超模抑制率分別為40 dB和30 dB。此外，學(xué)者對(duì)NPR 鎖模光纖激光器還實(shí)現(xiàn)了展寬脈沖、自相似脈沖和耗散孤子脈沖的輸出[18-20]。調(diào)節(jié)NPR鎖模光纖激光器相關(guān)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)如孤子分子、耗散孤子共振等各類孤子的動(dòng)力學(xué)特性[21-24]。

本文利用NPR 鎖模摻鉺光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為1 568.4 nm、脈寬為675 fs、 3 dB帶寬為10 nm、重復(fù)頻率為27.8 MHz 的典型傳統(tǒng)孤子脈沖輸出。隨泵浦功率的上升，獲得了重復(fù)頻率為139 MHz、脈沖持續(xù)時(shí)間為535 fs的五次諧波脈沖輸出，同時(shí)從其光譜和自相關(guān)軌跡表明它是四階束縛態(tài)五次諧波鎖模脈沖輸出。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和原理

利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)搭建的環(huán)狀摻鉺光纖激光器，實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1所示。采用中心波長(zhǎng)為980 nm 的半導(dǎo)體激光當(dāng)作泵浦源；利用波分復(fù)用器 (WDM：980/1 550 nm) 來(lái)耦合980 nm 的光，并將耦合后的光注入激光器腔中運(yùn)轉(zhuǎn)；利用長(zhǎng)為0.8 m 的增益摻鉺光纖(Er110-4/125，110 dBm)，使整個(gè)腔內(nèi)的增益大于損耗，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；其余光纖采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖 (SMF-28) 來(lái)積累更多的非線性相移。該非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光腔全長(zhǎng)約為7.2 m，鎖模穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)脈沖序列的基頻重復(fù)率27.8 MHz。偏振相關(guān)隔離器(PD-ISO)用來(lái)確保激光在整個(gè)腔內(nèi)順時(shí)針定向輸送，防止額外的激光損壞其他光學(xué)設(shè)備，與此同時(shí)使激光的偏振態(tài)變成線偏振光。偏振控制器(PC)用來(lái)優(yōu)化輸出激光的偏振態(tài)和調(diào)整腔內(nèi)的雙折射。最后激光經(jīng)過(guò)一個(gè)30∶70的輸出耦合器(OC)，其中30%的激光輸出腔外用于探測(cè)分析，而剩余70%的激光繼續(xù)在腔內(nèi)持續(xù)來(lái)回振蕩。采用1 GHz 數(shù)字示波器(Rigol DS6104)和2 GHz 光電探測(cè)器(Thorlabs DET01 CFC)測(cè)量輸出激光的脈沖序列，利用光譜分析儀(Anritsu MS9710C)測(cè)量輸出激光的光譜特性，并利用自相關(guān)儀(autocorrelator FR-103XL, FEMTOCHROME)檢測(cè)脈沖持續(xù)時(shí)間。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

諧振腔中可飽和吸收體對(duì)弱光的大量吸收，以及對(duì)強(qiáng)光的大量透射是被動(dòng)鎖模機(jī)制產(chǎn)生鎖模脈沖的核心[25-26]。NPR鎖模光路中的偏振相關(guān)隔離器產(chǎn)生等效可飽和吸收效應(yīng)。利用同一脈沖的自相位調(diào)制(self-phase modulation，SPM)和交叉相位調(diào)制(cross-phase modulation，XPM)效應(yīng)，引起該脈沖的偏振態(tài)對(duì)強(qiáng)度的依賴，讓不同強(qiáng)度光脈沖積累不同的非線性相移，從而造成不同強(qiáng)度的光脈沖的偏振態(tài)有不同程度的偏振旋轉(zhuǎn)，即偏振旋轉(zhuǎn)角與強(qiáng)度相關(guān)。最后經(jīng)過(guò)起偏器的作用，從而產(chǎn)生等效可飽和吸收效應(yīng)來(lái)完成鎖模脈沖窄化，這是非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)的核心環(huán)節(jié)[27]。在圖1中，經(jīng)過(guò)摻鉺光纖后的激光，由于偏振相關(guān)隔離器的作用使激光的偏振態(tài)變?yōu)榫€偏振態(tài)，接著又因PC 的作用產(chǎn)生相位延遲，使光的偏振態(tài)又從線偏振光變成橢圓偏振光，從而繼續(xù)在光纖中輸送。脈沖在光纖中輸送時(shí)，由SPM和XPM 效應(yīng)讓不同強(qiáng)度的光脈沖積累不同的非線性相移作用到橢圓偏振光的兩個(gè)垂直分量上，使不同強(qiáng)度脈沖各個(gè)部分的偏振態(tài)有著大小不同的偏振旋轉(zhuǎn)，最后產(chǎn)生不同于之前偏振態(tài)的脈沖。我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)PC，讓脈沖中部的偏振態(tài)變成線偏振態(tài)且與偏振相關(guān)隔離器中檢偏器的主軸保持一致，這樣就能使脈沖中部經(jīng)過(guò)檢偏器時(shí)的損耗最小，而脈沖邊緣部分經(jīng)過(guò)檢偏器后被吸收，即脈沖通過(guò)NPR系統(tǒng)后被不斷窄化，從而實(shí)現(xiàn)鎖模輸出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，觀察到激光器開始輸出連續(xù)光時(shí)，泵浦功率為25 mW，當(dāng)泵浦功率增加到約146 mW 時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)PC 至合適的角度，得到了重復(fù)頻率為27.8 MHz的穩(wěn)定傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖輸出。中心波長(zhǎng)為1 568.4 nm的鎖模脈沖光譜如圖2a所示，該光譜的3 dB 帶寬為10 nm，光譜兩側(cè)分布的克利邊帶表示該鎖模光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在傳統(tǒng)孤子狀態(tài)，且觀察到在光譜中心的左側(cè)出現(xiàn)連續(xù)波(CW)分量。傳統(tǒng)孤子激光由光纖中的非線性效應(yīng)和色散的平衡所造成，而克利邊帶的形成由諧振腔內(nèi)的連續(xù)光和孤子脈沖干涉所導(dǎo)致[6]。如圖2b所示，用高斯擬合得到寬為1.039 ps的半高全寬，對(duì)應(yīng)的脈沖持續(xù)時(shí)間為675 fs，且輸出脈沖的時(shí)間帶寬積(TBP)約為0.823，該結(jié)果表明腔內(nèi)脈沖有輕微的啁啾。輸出激光的脈沖序列如圖2c所示，可以看到腔內(nèi)均勻分布著脈沖強(qiáng)度基本相等的孤子脈沖，且相鄰脈沖的時(shí)間間隔約為36 ns，與7.2 m腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的基頻鎖模重復(fù)頻率約27.8 MHz 相匹配，進(jìn)一步表明該脈沖序列為傳統(tǒng)孤子脈沖，激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在傳統(tǒng)孤子鎖模狀態(tài)下。

圖2 激光器輸出的傳統(tǒng)孤子特性光譜(a)、自相關(guān)曲線(b)及脈沖序列(c)Fig.2 Traditional soliton characteristics of laser output spectrum(a), autocorrelation curve(b) and pulse sequence(c)

繼續(xù)增加泵浦功率，仍能保持鎖模狀態(tài)，其光譜衍化圖如圖3a所示。從圖中我們可以明顯的觀察到，當(dāng)泵浦功率增加到249.6 mW 時(shí)，脈沖光譜圖上面開始出現(xiàn)毛刺，這是典型的束縛態(tài)鎖特征。原因是隨著泵浦功率的增加，孤子脈沖分裂。中心波長(zhǎng)為1 570 nm且光譜的調(diào)制周期為0.34 nm 的四階束縛態(tài)鎖模脈沖的光譜如圖3b所示，該調(diào)制周期與相鄰子脈沖間的時(shí)域間隔相匹配，可以觀察到克利邊帶和出現(xiàn)在光譜中心左側(cè)的連續(xù)波(CW)分量，連續(xù)波分量與脈沖的相互作用也有助于激光腔內(nèi)脈沖的均勻分布。與此同時(shí)，也觀察到了該脈沖為五次諧波鎖模，該鎖模脈沖的脈沖序列如圖3c所示，相鄰脈沖的時(shí)域間隔為7.2 ns，與其相匹配的重復(fù)頻率為139 MHz。圖3d為該脈沖的自相關(guān)曲線，可以觀察到該脈沖的自相關(guān)曲線是對(duì)稱分布且中心具有極大值，有4個(gè)均勻分布的脈沖，為四階束縛態(tài)。高斯擬合得到該脈沖的半高全寬為0.824 ps，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為535 fs，相鄰脈沖之間的間隔為24.07 ps，光譜的調(diào)制周期為0.34 nm，與實(shí)驗(yàn)光譜中觀察到的調(diào)制周期相匹配。束縛態(tài)光譜的調(diào)制周期與T子脈沖之間的時(shí)域間隔Δλ滿足下列關(guān)系[28]

圖3 激光器的光譜隨泵浦功率的演化(a)束縛態(tài)鎖模狀態(tài)下的光譜(b)、脈沖序列(c)、自相關(guān)曲線(d)Fig.3 The vaiation of pulse spectra with pump power(a), spectrum(b) and pulse sequence(c) and autocorrelation curve(d) of harmonic mode-locked state

(1)

其中:λc為中心波長(zhǎng);c為真空中光速。

繼續(xù)增加功率，發(fā)現(xiàn)在一定功率范圍內(nèi)脈沖能夠穩(wěn)定存在，且光譜的調(diào)制周期保持不變。泵浦功率增加到368 mW時(shí)還能觀察到諧波鎖模現(xiàn)象，表明它不依賴于泵浦光功率，是一種穩(wěn)定的工作模式。對(duì)此分析發(fā)現(xiàn)，脈沖是由基本腔頻的多脈沖群聚演化而來(lái)的四脈沖群聚的諧波鎖模，即在一個(gè)聚束多脈沖包絡(luò)下，存在多個(gè)脈沖隨機(jī)分布和自調(diào)整位置。

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NPR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，成本低，且可以觀察到多種脈沖現(xiàn)象，得到了孤子脈沖、四階束縛態(tài)的五次諧波鎖模脈沖，并且它在獲得飛秒級(jí)別的脈沖輸出時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，可以考慮通過(guò)對(duì)整個(gè)鎖模激光器引入色散管理，調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)的色散，利用色散補(bǔ)償作用使輸出的光譜更加平坦；也可以采用反向泵浦結(jié)構(gòu)，使激光器具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)，在非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模摻鉺光纖激光器中獲得了中心波長(zhǎng)位于1 568.4 nm處、脈沖持續(xù)時(shí)間為675 fs、重復(fù)頻率為27.8 MHz的傳統(tǒng)孤子脈沖輸出。同時(shí)，隨著泵浦功率的上升，還觀察到了重復(fù)頻率為139 MHz和脈沖寬度為535 fs的四階束縛態(tài)五次諧波鎖模脈沖輸出。無(wú)源諧波鎖模中的一種機(jī)制為由基本腔頻的多脈沖群聚演化形成諧波鎖模，其頻率為腔基頻的倍數(shù)。在將來(lái)的工作中，可以繼續(xù)利用NPR技術(shù)，通過(guò)改變腔長(zhǎng)、調(diào)整增益光纖的長(zhǎng)度來(lái)獲得多脈沖聚束的諧波鎖模，從而獲得更高重復(fù)頻率的諧波鎖模輸出。