1.7 μm自同步皮秒脈沖隨機(jī)拉曼光纖激光器

朱逸懷，沈鵬生，鄭樹鍇，於林鵬，羅興，王金章，閆培光，呂啟濤，董繁龍，郭春雨，阮雙琛

1）深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實驗室，廣東深圳 518060；2）深圳技術(shù)大學(xué)先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實驗室，廣東深圳 518118；3）大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳 518057

飛秒或皮秒脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單緊湊、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量高，具有重要的研究和應(yīng)用價值.近年來，在生物成像［1］和材料加工［2］等領(lǐng)域，輸出波長為1.7 μm 的短脈沖光纖激光器受到越來越多的關(guān)注.與0.8 μm和1.3 μm等用于生物成像的常規(guī)波段相比，1.7 μm 波段的脈沖激光在生物組織中具有更長的散射長度和更低的水吸收系數(shù)［1，3］.此外，由于1.7 μm 波段被C—H 鍵強(qiáng)烈吸收，該波段短脈沖激光源也可用于聚合物加工和脂質(zhì)靶向皮膚治療［4］.根據(jù)增益機(jī)制不同，可通過稀土離子摻雜光纖激光器和非線性光纖激光器來實現(xiàn)1.7 μm短脈沖光纖激光器.基于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（popu?lation inversion，PI）的稀土離子摻雜光纖激光器主要采用摻鉍光纖（bismuth-doped fiber，BDF）［5-7］、摻銩光纖（thulium-doped fiber，TDF）［8-10］及銩-鈥共摻光纖（thulium-holmium co-doped fiber，THDF）［11］作為其增益光纖.由于BDF 和THDF 在1.7 μm 波段的增益系數(shù)較低，降低了激光器的性能和進(jìn)一步的放大效果.2021年，CHEN等［12］通過使用一段具有反常色散的商用TDF，實現(xiàn)了高性能的啁啾脈沖放大（chirped pulse amplification，CPA）系統(tǒng)，壓縮后的脈沖寬度為348 fs，平均功率為1.3 W.然而，在CPA結(jié)構(gòu)中，空間結(jié)構(gòu)的脈沖展寬和壓縮器增加了系統(tǒng)復(fù)雜性.

1.7 μm 非線性光纖激光器的實現(xiàn)包含多種技術(shù)方案.2003 年，CHESTNUT 等［13］利用高非線性色散位移光纖（highly nonlinear dispersion-shifted fi?ber，HNLDSF）中 的 孤 子 自 頻 移（soliton selffrequency shift，SSFS）效應(yīng)，在1.72 μm附近產(chǎn)生脈寬為100 fs的光孤子［13］.隨后NICHOLSON等［14-15］使用大模場及超大模面積光纖實現(xiàn)瓦級的1.7 μm 波段激光輸出.然而在轉(zhuǎn)換過程中，孤子的時間相干性可能退化并導(dǎo)致脈沖分裂［10］.BECHEKER 等［16］基于簡并四波混頻效應(yīng)實現(xiàn)一種使用色散位移光纖作為增益介質(zhì)的光纖光參量振蕩器（fiber optical parametric oscillator，F(xiàn)OPO），該系統(tǒng)可獲得輸出波長在1.617～1.876 μm可調(diào)的皮秒脈沖激光，由于光纖中非線性效應(yīng)的影響，平均輸出功率小于14.3 mW.為進(jìn)一步提高輸出功率，QIN 等［17］提出一種全光纖光參量啁啾脈沖放大器（fiber optical parametric chirped-pulse amplifier，F(xiàn)OPCPA），其將啁啾脈沖放大和光參量振蕩結(jié)合，在1.7 μm 處實現(xiàn)平均功率1.42 W 的激光輸出，但整個激光系統(tǒng)的配置非常復(fù)雜. 此外，超連續(xù)譜（super-continuum，SC）產(chǎn)生技術(shù)也可用于獲得1.7 μm 的激光脈沖.2017 年，CHUNG 等［18］利用自相位調(diào)制實現(xiàn)光譜展寬的可調(diào)諧飛秒脈沖，然后進(jìn)行光譜波瓣濾波，在1.65～1.75 μm 獲得平均功率為330 mW 的85 fs 脈沖，由于難以進(jìn)行精確的光譜控制，導(dǎo)致1.7 μm處的光譜功率密度較低.由以上內(nèi)容可見，目前1.7 μm 波段的皮秒或飛秒脈沖激光器普遍存在結(jié)構(gòu)龐雜及光譜功率密度低等缺陷，限制了該波長激光器的應(yīng)用.因此，開發(fā)一種簡單穩(wěn)定的1.7 μm短脈沖光纖激光器在科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域具有重要意義.

2010年，TURITSYN等［19］提出隨機(jī)分布反饋拉曼光纖激光器的概念，與傳統(tǒng)光纖激光器不同，隨機(jī)分布反饋拉曼光纖激光器沒有界限明確的諧振腔［20］，具有結(jié)構(gòu)簡單和成本低廉的獨(dú)特優(yōu)勢，其不僅具有重要的研究價值，同時也是一種具有廣闊應(yīng)用前景的激光技術(shù)［21］.目前對隨機(jī)拉曼光纖激光器的研究大多仍集中在連續(xù)工作狀態(tài)，脈沖產(chǎn)生方面的研究較為欠缺.同步脈沖泵浦作為一種獲得脈沖激光的常見方法可用于拉曼光纖激光器中，該技術(shù)需要滿足泵浦脈沖周期與激光腔往返時間的嚴(yán)格匹配，超短脈沖工作狀態(tài)下的匹配精度要求達(dá)到萬分之一以上［22］，使其對環(huán)境非常敏感.為了維持系統(tǒng)長期穩(wěn)定，需要在腔內(nèi)或腔外加入復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng).隨機(jī)光纖激光器由于其獨(dú)特的分布反饋特性為實現(xiàn)自同步提供可能.2018 年，PAN 等［23］通過搭建環(huán)型腔隨機(jī)光纖激光器在1 120 nm處產(chǎn)生穩(wěn)定的類噪聲脈沖，分布式瑞利散射形成的復(fù)合腔自動實現(xiàn)了同步泵浦.值得注意的是，隨機(jī)激光由于空間相干性低，是一種理想的無散斑成像光源［24］，結(jié)合1.7 μm 波段水吸收低的特性，該波段的短脈沖隨機(jī)光纖激光源在生物成像領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢.

本研究提出并實現(xiàn)了工作在1.7 μm 波段的自同步隨機(jī)分布反饋脈沖拉曼光纖激光器.隨機(jī)拉曼半開腔由1支光纖布拉格光柵和1段長度為1 300 m的正色散光纖構(gòu)成.在脈沖泵浦過程中，通過分布式瑞利散射提供光反饋，自適應(yīng)選擇一組隨機(jī)空腔，與泵浦脈沖序列同步.通過在腔內(nèi)增設(shè)波分復(fù)用器（wavelength division multiplexer，WDM）抑制腔內(nèi)噪聲，改善了輸出脈沖質(zhì)量.實驗獲得了穩(wěn)定的皮秒脈沖輸出，1.7 μm 波段的平均功率為224 mW.這一方案不需要復(fù)雜的重頻匹配系統(tǒng)或任何主動或被動調(diào)制器件，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重復(fù)頻率可由泵浦脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié).

1 實驗裝置

1.7 μm 隨機(jī)分布反饋脈沖拉曼光纖激光器結(jié)構(gòu)如圖1，由電驅(qū)動的激光二極管種子、主振蕩功率放大器（master oscillator power amplifier，MOPA）和半開式隨機(jī)拉曼腔組成.1 578 nm種子脈沖由電脈沖驅(qū)動的帶尾纖的分布式反饋激光二極管（distributed feedback laser diode，DFB-LD）產(chǎn)生，其重復(fù)頻率可在大范圍調(diào)節(jié).前3級預(yù)放大級對微弱的皮秒脈沖種子信號進(jìn)行放大，采用中心波長為976 nm 的單模激光二極管泵浦單包層摻鉺光纖（Nufern/Coherent 公司，型號為EDFC-980-HP），預(yù)放大后的激光平均功率為43 mW.后3級主放大級對信號脈沖進(jìn)一步放大，放大級采用中心波長為976 nm的多模激光二極管泵浦雙包層鉺鐿共摻光纖（Nufern/Coherent 公司，型號為MM-EYDF-12/130-HE）.在第1級預(yù)放大級、第3級預(yù)放大級和第2級主放大級后分別接有1 個帶通濾波器（band-pass filter，BPF）用于濾除噪聲.半開式隨機(jī)拉曼腔由1 支光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）和1 段1 300 m 的單模拉曼增益光纖（YOFC，型號為CS980_125-20/250）組成，光纖光柵刻在同種光纖上以減少連接損耗.纖芯直徑和包層直徑分別為4 μm 和125 μm，零色散波長約為1 800 nm，在1 550 nm 處傳輸損耗為1.1 dB/km. FBG的反射譜中心波長為1 695 nm，帶寬1 nm，反射率> 99%.FBG 后150 m 處插入1 支波分復(fù)用器（WDM1），將1 590 nm 以下的剩余泵浦光導(dǎo)出以抑制腔內(nèi)噪聲.輸出端采用截止波長為1 640 nm 的WDM2 進(jìn)一步濾除剩余泵浦光以方便對1.7 μm 激光進(jìn)行探測.此外，種子源、放大級和拉曼激光器之間都插入隔離器防止反向光，輸出光纖端面為8°斜角，以避免端面反射帶來的干擾.

圖1 隨機(jī)分布反饋脈沖拉曼光纖激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental setup of the random distributed feedback pulsed Raman fiber laser.

采用兩種光譜分析儀（Yokogawa，型號分別為AQ6370D 和AQ6376）測試泵浦源和激光器輸出光譜，采用帶寬為20 GHz 的示波器（TELEDYNE LECROY，型號為SDA 820Zi-B）、射頻頻譜分析儀（Rohde & Schwarz，型號為FSWP8）及帶寬為12.5 GHz 的InGaAs光電探測器（EOT，型號為ET-5000/F）對脈沖的時域和頻域參數(shù)進(jìn)行測量.利用自相關(guān)儀（Femtochrome，型號為FR-103XL）測量脈沖自相關(guān)曲線.

2 實驗結(jié)果

2.1 波長為1 578 nm的皮秒脈沖泵浦源

圖2為皮秒脈沖泵浦光的輸出特性.其中，圖2（a）為不同功率下的光譜演變.可見，隨著功率的增加，由于調(diào)制不穩(wěn)定性的作用，主峰附近產(chǎn)生了對稱旁瓣和次峰［24］.當(dāng)平均輸出功率為1.560 W時，中心波長為1 578.6 nm，光譜寬度為0.18 nm.圖2（b）為圖2（a）對應(yīng)的脈沖序列，其中，脈沖周期為16.71 ns，對應(yīng)重復(fù)頻率為59.84 MHz.圖2（c）為基頻信噪比（signal noise ratio，SNR）為66 dB的射頻頻譜，表明泵浦脈沖激光器具有較好的穩(wěn)定性.由于采用電信號發(fā)生器驅(qū)動種子源，泵浦脈沖的重復(fù)頻率大范圍連續(xù)可調(diào).圖2（d）為自相關(guān)（autocorre?lation，AC）曲線，其半高全寬（full-width at halfmaximum，F(xiàn)WHM）為41 ps，高斯脈沖擬合的脈寬為29 ps.

圖2 波長為1 578 nm脈沖泵浦源輸出特性 （a）不同輸入功率時的輸出光譜；（b）脈沖序列；（c）基頻頻譜；（d）自相關(guān)曲線Fig.2 (a)Output spectra when the input power was 0.315 W(deep grey line),0.987 W(red line)and 1.560 W(blue line),respectively,(b)pulse train,(c)radio frequency(RF)spectrum around the fundamental frequency,and(d)autocorrelation curve of the amplified 1 578 nm pump pulses.

2.2 波長1.7 μm自同步皮秒脈沖隨機(jī)拉曼光纖激光器

系統(tǒng)在未使用任何重復(fù)頻率控制和反饋回路情況下，將泵浦脈沖直接泵浦拉曼腔，經(jīng)由WDM2濾波后的輸出特性如圖3.當(dāng)波長1 578 nm 的泵浦光功率達(dá)到0.6 W 時，觀察到1.7 μm 拉曼激光的產(chǎn)生.圖3（a）為輸出功率曲線，輸出功率隨泵浦功率線性增長，斜效率為52.6%.圖3（b）為對數(shù)坐標(biāo)下光譜隨輸出功率演變.當(dāng)泵浦光功率在閾值以下時，非線性展寬的泵浦脈沖與自發(fā)拉曼散射構(gòu)成1個包絡(luò).當(dāng)泵浦光功率達(dá)到閾值功率后，產(chǎn)生了1 695 nm的斯托克斯激光.光譜寬度和光學(xué)信噪比隨功率增加均有所增大，當(dāng)泵浦功率為1.08 W時，輸出功率為224 mW，光光轉(zhuǎn)換效率為20.7%，對應(yīng)輸出光光譜如圖3（c），可見，中心波長位于1 695 nm，3 dB 帶寬為5 nm. 輸出激光中心波長相對于1 578 nm 的泵浦光拉曼頻移量為430 cm-1，接近石英光纖中拉曼增益峰（440 cm-1）. 圖3（d）為基頻附近的射頻譜，頻譜中心與泵浦脈沖一樣位于59.84 MHz，信噪比略低于泵浦光，達(dá)到了59 dB.重頻分量與泵浦脈沖一致，表明斯托克斯脈沖較好地保持了泵浦脈沖的時域特性.圖3（e）為輸出激光的時域特性，斯托克斯脈沖的強(qiáng)度穩(wěn)定性相比泵浦光有所下降.這是因為拉曼轉(zhuǎn)換效率與泵浦脈沖強(qiáng)度有關(guān)，泵浦脈沖的強(qiáng)度抖動會導(dǎo)致斯托克斯脈沖更強(qiáng)烈的強(qiáng)度抖動，該現(xiàn)象可通過采用更穩(wěn)定的泵浦源來改善.圖3（f）為脈沖寬度隨輸出功率的變化情況.可見，低功率下平均脈沖寬度超過700 ps，這時輸出激光存在較大的自發(fā)拉曼散射，脈沖抖動劇烈.隨著功率增加，脈沖寬度迅速降低至約200 ps，激光腔內(nèi)形成自同步脈沖，單脈沖波形如圖3（f）插圖所示.隨著輸出功率增加，斯托克斯脈沖的寬度也在緩慢增加，這主要是因為泵浦光和斯托克斯光的群速度不同，走離效應(yīng)使泵浦脈沖不斷放大斯托克斯脈沖后沿，導(dǎo)致使脈沖展寬.

圖3 波長1.7 μm 皮秒隨機(jī)分布反饋拉曼光纖激光器的輸出特性 （a）輸出功率曲線；（b）不同輸出功率時的光譜；（c）功率為224 mW時的光譜；（d）基頻頻譜；（e）脈沖序列；（f）不同輸出功率時的脈沖寬度變化Fig.3 (a)Experimental output power(blue line and squares)and the corresponding linear fitting curve(red line),(b)output spectra with input power 0 mW(black line),5 mW(red line),9 mW(purple line),35 mW(sky blue line),52 mW(yellow brown line),110 mW(yellow line),153 mW(grey line)and 224 mW(green line),(c)output spectrum with pump power 224 mW,(d)RF spectrum around the fundamental frequency,(e)pulse train,and(f)pulse width changes with output power of the 1.7 μm picosecond random distributed feedback Raman fiber laser. The inset picture of(f)was the single pulse waveform of the self-synchronized pulse.

2.3 剩余泵浦濾除對子腔噪聲的抑制作用

相比于傳統(tǒng)半開腔隨機(jī)光纖激光器，在短脈沖工作狀態(tài)時，腔內(nèi)引入1 個波分復(fù)用器（WDM1）將剩余泵浦光濾除.圖4為移除WDM1時的輸出激光時域特性.可見，無WDM1時的輸出脈沖質(zhì)量明顯變差.圖4（a）中的基頻頻譜信噪比為56 dB，在底部觀察到大量調(diào)制頻率成分，同時由圖4（b）的脈沖序可見，脈沖幅值抖動劇烈.這是因為隨機(jī)光纖激光器通常需要幾百甚至上萬米的光纖構(gòu)建分布反饋腔，而拉曼激光器中皮秒泵浦脈沖與斯托克斯脈沖的相互作用長度通常只有幾十米.兩者走離后泵浦激光能量不再轉(zhuǎn)移給信號脈沖，而是在激光器的隨機(jī)子腔中振蕩產(chǎn)生隨機(jī)拉曼信號，導(dǎo)致隨機(jī)脈沖激光器的穩(wěn)定性下降.實驗中1 578 nm 泵浦光與1 695 nm 斯托克斯光的群速度失配約為1.006 ps/m，在150 m 處濾除剩余泵浦光可有效改善隨機(jī)脈沖拉曼光纖激光器的脈沖質(zhì)量.

圖4 無WDM1時隨機(jī)拉曼光纖激光器的（a）基頻頻譜和（b）脈沖序列Fig.4 (a)RF spectrum around the fundamental frequency and(b)pulse train of the random Raman fiber laser without WDM1.

結(jié) 語

本研究通過脈沖泵浦分布式反饋半開拉曼腔，實現(xiàn)了波長為1.7 μm 的皮秒脈沖激光輸出.該方案無需傳統(tǒng)同步泵浦拉曼光纖激光器中繁瑣的同步控制回路，可直接產(chǎn)生與泵浦脈沖重復(fù)頻率一致的斯托克斯脈沖.此外，提出并實驗驗證了在脈沖隨機(jī)拉曼激光器中，通過濾除剩余泵浦激光對抑制子腔噪聲和提高脈沖質(zhì)量的積極作用.本研究成果可為生物成像和材料加工等領(lǐng)域提供一種全光纖化、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的高穩(wěn)定激光源.