163 MHz/786 fs高基礎(chǔ)重復(fù)頻率摻鐿飛秒光纖激光振蕩器

沈嘉偉，王 勇，司 璐，陳嘉寧，周 麗，袁 帥

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

光纖飛秒激光器憑借其光斑質(zhì)量好、集成度高、工作穩(wěn)定等優(yōu)勢在工業(yè)加工、光學(xué)測量、光學(xué)頻率梳、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域逐漸占據(jù)越來越重要的地位[1-3]。另外與傳統(tǒng)固體激光器中有著大量空間光學(xué)元件不同，光纖激光器以摻雜光纖為增益介質(zhì)，通過光纖熔接使其穩(wěn)定性和操作性得到很大的提升，使其可以在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。其中，高重復(fù)頻率光纖飛秒激光器由于擁有較小的脈沖間隔，是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，在天文光梳、光纖通訊、激光成絲、材料加工等方向有著非常重要的應(yīng)用[4-5]。

目前，光纖激光器實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率鎖模大多采用主動(dòng)鎖?；蛘弑粍?dòng)鎖模技術(shù)。光纖激光器主動(dòng)鎖模技術(shù)采用電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器等[6]，在外加信號的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖。雖然主動(dòng)鎖模技術(shù)有著中心波長及重復(fù)頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，但是其受到電光及聲光調(diào)制器工作帶寬影響，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜、窄脈寬輸出[7]。被動(dòng)鎖模光纖激光器無需在諧振腔中加入調(diào)制器便可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超短脈沖輸出。被動(dòng)鎖模技術(shù)通常被分為以半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模（SESAM）為主體的慢飽和吸收體鎖模和以非線性光纖環(huán)形鏡鎖模（NOLM）、非線性放大環(huán)形鏡鎖模（NALM）、非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）為主體的快飽和吸收機(jī)制鎖模。其中慢飽和吸收體類鎖模光纖激光器易實(shí)現(xiàn)激光器自啟動(dòng)，并且能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出，但是此類激光器受到自身材料特性的影響，光譜寬度一般在幾個(gè)納左右，因此無法支持飛秒脈沖寬度輸出。NOLM鎖模和NALM鎖模一般為全光纖結(jié)構(gòu)，這兩類鎖模方式搭建的光纖激光器需要較長的光纖來保持激光器的非線性效應(yīng)，所以NOLM鎖模和NALM鎖模所實(shí)現(xiàn)的基本重復(fù)頻率較低，通常在50 MHz以下。而基于NPR鎖模原理的光纖激光器能夠?qū)す猱a(chǎn)生瞬間吸收的作用，具有調(diào)制深度大、響應(yīng)時(shí)間短、光譜寬、脈寬窄的優(yōu)勢，相比于其他的鎖模方式，NPR鎖模技術(shù)更適合作為寬光譜窄帶寬的高重復(fù)頻率光纖飛秒振蕩器。

2009年，Zhou等利用NPR鎖模技術(shù)并優(yōu)化腔內(nèi)色散補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了中心波長1 570 nm，最高重復(fù)頻率99.91 MHz，光譜帶寬為25 nm的摻鉺光纖激光飛秒振蕩器[8]。2015年，Liu等利用NPR原理技術(shù)在低增益系數(shù)的摻鉺光纖激光器中獲得了中心波長1 550 nm，重復(fù)頻率303 MHz、脈寬為90 fs的脈沖輸出[9]。2018年，Liu等通過非線性放大環(huán)形鏡（NALM），實(shí)現(xiàn)脈寬152 fs的高功率脈沖輸出，重復(fù)頻率為72 MHz[10]。中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)利用混合鎖模的原理，在摻鉺光纖飛秒激光器中實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為97.6 MHz，光譜半高寬為21 nm，且脈寬達(dá)到168 fs的脈沖輸出[11]。Sun等利用諧波鎖模方式實(shí)現(xiàn)了中心波長為1 936 nm、690 MHz的皮秒脈沖輸出[12]。在該領(lǐng)域上，日本UEC大學(xué)、莫斯科大學(xué)、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、湖南大學(xué)、華南理工大學(xué)等研究單位都為高重復(fù)頻率光纖激光器的進(jìn)步做出重大成果[13-17]。另外，Cheng等利用SESAM鎖模原理，在高濃度摻鐿光纖中實(shí)現(xiàn)了中心波長1 058 nm，重復(fù)頻率近5 GHz，脈沖寬度2.6 ps。這是當(dāng)時(shí)1 μm附近鎖模激光器中達(dá)到的最高基礎(chǔ)重復(fù)頻率[18]，然而其脈沖輸出寬度在皮秒量級。

由于傳統(tǒng)的NPR系統(tǒng)是基于孤子鎖模實(shí)現(xiàn)的，因此其一般工作在1 550 nm及附近波段。而在1 030 nm波段的激光則由于光纖本身在1 030 nm波段作為正色散介質(zhì)，因此工作在1 030 nm的高重復(fù)頻率孤子鎖模激光器往往損耗很大。所以要實(shí)現(xiàn)1 030 nm波段、100 MHz以上，并同時(shí)具有寬光譜、窄脈寬的激光振蕩器往往需要1 W以上的泵浦功率支持耗散孤子在傳輸過程中的能量損失。針對上述問題，本文提出了一種全新的“十字腔”結(jié)構(gòu)，利用光柵對將激光器的腔內(nèi)色散調(diào)整至負(fù)色散區(qū)，通過非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模，在“十字腔”摻鐿光纖激光器中輸出了基礎(chǔ)重復(fù)頻率為163 MHz的孤子鎖模脈沖激光。上述激光只需要較低的泵浦功率，便可穩(wěn)定運(yùn)行。在400 mW的泵浦功率下，可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度786 fs、光譜寬度30 nm、平均輸出功率200 mW的激光輸出。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

高重復(fù)頻率“十字腔”摻鐿光纖飛秒激光器通過旋轉(zhuǎn)偏振波片的形式來實(shí)現(xiàn)鎖模，其光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，激光二極管（LD）發(fā)射出976 nm的泵浦光通過波分復(fù)用準(zhǔn)直器（WDM Collimator2）反射到摻鐿光纖中。摻鐿光纖激發(fā)出橢圓偏振的1 030 nm激光經(jīng)過波分復(fù)用準(zhǔn)直器（WDM Collimator1）入射到1/4波片（QWP1）。QWP1將橢圓偏振的激光轉(zhuǎn)化為線偏振光，然后，線偏振光經(jīng)過1/2波片（HWP1）調(diào)整偏振方向后，再經(jīng)過PBS分束為兩束光，其中豎直偏振成分（約占總能量的5%）作為光纖激光器的輸出；而水平偏振（約占總能量的95%）經(jīng)過1/2波片（HWP2）。HWP2將激光的偏振再次轉(zhuǎn)為水平方向后經(jīng)過光柵對來獲得負(fù)色散補(bǔ)償，通過改變光柵對的間距和角度可調(diào)節(jié)脈沖的波長與色散。隨后水平偏振的激光被平面鏡反射，回到PBS處，再經(jīng)PBS反射后通過隔離器（ISO）以及QWP2。通過調(diào)節(jié)WDM Collimator2的方向及角度將光耦合到摻鐿光纖中，最終形成閉合的“十字”型腔結(jié)構(gòu)。

圖1 “十字”形腔光纖飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of "cross" cavity fiber femtosecond laser structure.

本文采用的泵浦源LD作為常見的商用光學(xué)器件，其最大輸出功率可達(dá)750 mW，通過非保偏單模光纖將泵浦能量抽運(yùn)進(jìn)“十字腔”內(nèi)，從而形成激光。摻鐿光纖在976 nm處的吸收系數(shù)達(dá)到2 500 dB/m。波分復(fù)用準(zhǔn)直器（WDM Collimator）自帶無源尾纖，其端口集成了濾光片可以將976 nm的泵浦光反射到諧振腔中，同時(shí)可以對信號光起到準(zhǔn)直作用。光纖準(zhǔn)直頭之間的自由空間光路主要由兩個(gè)1/4波片、兩個(gè)1/2波片、一個(gè)光學(xué)隔離器ISO、一個(gè)偏振分光片PBS、一對1 250 l/mm的透射式光柵以及一個(gè)零度反射鏡組成。其中，1/4波片和1/2波片是用來調(diào)節(jié)激光腔內(nèi)激光的偏振方向，以此在光纖中實(shí)現(xiàn)非線性旋轉(zhuǎn)偏振鎖模。采用半英寸（1 inch =2.54 cm）的分束器（PBS）以控制激光脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)方向?？臻g型隔離器（ISO）長度僅為2 cm，大大降低了激光器自由空間的長度。1 030 nm激光在單模光纖傳輸時(shí)受到正色散影響（23 fs2/mm）不斷展寬。為啟動(dòng)孤子鎖模，腔內(nèi)采用一對1 250 l/mm的透射光柵對（Gratings），使激光器工作在負(fù)色散狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

激光脈沖在通過非保偏增益光纖時(shí)，其橢圓偏振光可以分解為兩個(gè)相互垂直的線偏振光分量，不同分量的線偏振光受到自相位調(diào)制（SPM）和交叉相位調(diào)制（XPM）的作用下，產(chǎn)生不同的非線性相移。而脈沖在時(shí)域中心部分（強(qiáng)度較高）比邊緣部分（強(qiáng)度較低）產(chǎn)生更多的非線性相移。我們通過旋轉(zhuǎn)波片光軸產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膿p耗，使得脈沖邊緣部分的損耗遠(yuǎn)大于脈沖中心部分的損耗，從而模擬一個(gè)類似快飽和吸收體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鎖模。

由于激光脈沖在光纖傳播過程中，諧振腔內(nèi)色散導(dǎo)致脈沖時(shí)域波形展寬，而SPM和XPM等非線性效應(yīng)導(dǎo)致脈沖時(shí)域波形壓縮。當(dāng)腔內(nèi)負(fù)色散與非線性效應(yīng)的相互作用達(dá)到平衡時(shí)，脈沖光譜和時(shí)域?qū)挾缺３窒鄬Σ蛔儯す馄鲗?shí)現(xiàn)孤子鎖模。實(shí)驗(yàn)中引入一對 1 250 lines/mm光柵，通過調(diào)節(jié)光柵對間距將腔內(nèi)凈色散保持在近零色散區(qū)間。脈沖被光柵壓縮后受負(fù)色散影響保持著穩(wěn)定的孤子傳輸；同時(shí)在光纖正負(fù)色散共同作用下脈沖光譜發(fā)生展寬，非線性積累釋放，此時(shí)激光器輸出脈沖寬度最窄而光譜最寬。

在實(shí)驗(yàn)中，我們將振蕩器輸出端連接到示波器（RIGOL DS4032）、高分辨率頻譜儀（CXA Signal Analyzer 9 kHz～7.5 GHz）及 光 譜 儀（Thorlabs，OSA202C）上，觀察其輸出波形及頻譜變化。當(dāng)泵浦功率處于400～500 mW時(shí)，激光器每次開機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)鎖模的自啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)泵浦功率處于250～400 mW時(shí)激光器每次開機(jī)都需要輕微調(diào)整腔內(nèi)HWP1的旋轉(zhuǎn)角度來啟動(dòng)鎖模，鎖模完成后，可以將HWP1旋轉(zhuǎn)回原位置保持激光器鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 激光器輸出功率曲線與時(shí)域脈沖序列圖Fig.2 Output power of the laser versus pumping power and the time domain pulse train diagram

NPR鎖模需要非線性相移在π以上。由于非線性相移量與腔長成正比，在腔長不變的情況下為了更加容易的實(shí)現(xiàn)NPR鎖模，需要更強(qiáng)的光場強(qiáng)度來提供足夠的非線性相移[19]。因此，如圖2（a）所示，本實(shí)驗(yàn)中測試了激光器輸出功率與泵浦功率之間的關(guān)系。當(dāng)激光器處于240 mW以下時(shí)，腔內(nèi)非線性相移不足，無法通過旋轉(zhuǎn)波片調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)實(shí)現(xiàn)鎖模，此時(shí)光纖激光器仍然是連續(xù)光輸出。當(dāng)泵浦功率逐步提升到250 mW時(shí)，激光器達(dá)到鎖模閾值。此時(shí)示波器檢測出現(xiàn)如圖2（b）所示的時(shí)域序列間隔相等脈沖信號。由于快飽和吸收鎖模機(jī)制中脈沖時(shí)域上升及下降沿被吸收，此時(shí)激光器輸出功率從110 mW突然跳變到89 mW。隨著泵浦光功率進(jìn)一步提升，輸出功率也隨之升高，在此過程中激光器一直處于穩(wěn)定鎖模狀態(tài)。當(dāng)泵浦功率從400 mW增大到500 mW時(shí)，激光器輸出功率一直保持在200 mW，此時(shí)光纖激光器已經(jīng)處于增益飽和狀態(tài)。再增加泵浦功率不僅不能帶來輸出功率的提升，而且容易出現(xiàn)調(diào)Q狀態(tài)，腔內(nèi)的脈沖序列開始變得不穩(wěn)定。腔內(nèi)光信號的峰值功率達(dá)到一些光學(xué)器件的損傷閾值，造成光學(xué)器件損壞。為了降低激光器內(nèi)的熱效應(yīng)以及避免光學(xué)器件損壞，將泵浦功率降低至450 mW，此時(shí)激光器可以保持長時(shí)間穩(wěn)定鎖模狀態(tài)和穩(wěn)定脈沖輸出。

實(shí)驗(yàn)中，我們將高速光電探測器連接到頻譜儀，測得激光輸出的頻譜如圖3（a）所示，鎖模后激光器的重復(fù)頻率為163 MHz，一階頻譜分量的的信噪比為30 dB，其頻率間隔穩(wěn)定，說明鎖模狀態(tài)良好。激光器鎖模后的光譜圖如圖3（b）所示。其中心波長為1 020 nm，光譜的半高全寬FWHM（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）為30 nm。使用自相關(guān)儀（PulseCheck50 NIR，APE）測得激光脈沖的自相關(guān)曲線半高寬為1.1 ps，通過高斯擬合可得實(shí)際脈沖寬度為786 fs，如圖3（c）所示。

3 結(jié) 論

由于高重復(fù)頻率孤子鎖模激光器中光纖對1 030 nm光為正色散介質(zhì)，導(dǎo)致激光器功率損耗過大，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜、窄脈寬。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)并搭建了“十字腔”型光纖激光振蕩器，利用光柵對將激光器腔內(nèi)色散調(diào)至負(fù)色散區(qū)，并通過NPR鎖模原理實(shí)現(xiàn)孤子鎖模。通過分析激光器輸出功率與泵浦功率之間的關(guān)系，當(dāng)泵浦功率在400～500 mW之間時(shí)，激光器處于最佳工作區(qū)間，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)激光器自啟動(dòng)鎖模。最終我們實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為163 MHz，光譜寬度30 nm，脈寬為786 fs的高重復(fù)頻率光纖激光器，該激光器在泵浦功率450 mW下可以得到最大200 mW的脈沖輸出。由于高重復(fù)頻率對應(yīng)其相鄰縱模之間頻率間隔較小，該激光器可以實(shí)現(xiàn)更加緊密的光學(xué)頻率梳齒、更好的成像質(zhì)量和更快的成像速度，在精密光譜、天文探測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

圖3 重復(fù)頻率為163 MHz脈沖輸出指標(biāo)Fig.3 The output pulse with the repetition rate of 163 MHz