皮秒脈沖近紅外超連續(xù)譜激光器

董航舟，葛廷武*，劉 偉，范 瑜，田卓承

（1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部 激光工程研究院，北京 100124；2.北京市激光應(yīng)用技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京 100124；3.光電對抗測試評估技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003）

1 引言

超連續(xù)譜（Supercontinuum，SC）光纖光源是一種新型寬譜激光光源，它不僅具有光纖激光器亮度高、相干性強(qiáng)、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，還具有超寬的光譜范圍，在光電對抗、生物醫(yī)學(xué)、高光譜激光雷達(dá)、光學(xué)相干層析成像等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。

將高強(qiáng)度激光注入非線性介質(zhì)，在非線性效應(yīng)與介質(zhì)群速度色散的共同作用下，輸出光譜中出現(xiàn)了許多新的頻率成分，輸出光譜得到極大展寬［4-7］，得到超連續(xù)譜激光輸出。相比于利用光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）產(chǎn)生超連續(xù)譜，利用非線性光纖放大器直接產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的方法結(jié)構(gòu)簡單、沒有光子晶體光纖熔接損耗問題且可獲得高功率輸出［8-10］；2007年，法國Pioger等人對1 064 nm的納秒種子源進(jìn)行非線性放大，在雙包層摻鐿光纖放大器中產(chǎn)生了2.5 W的超連續(xù)譜，光譜范圍由1 064 nm拓展到1 750 nm［11］；2012年，國防科技大學(xué)宋銳等人基于摻鐿光纖放大器對1 064 nm的納秒種子源進(jìn)行非線性放大得到了輸出功率為70 W，光譜范圍為1 064～1 700 nm，平坦度為12 dB的寬譜輸出［12］；2013年，該研究團(tuán)隊采用相同的結(jié)構(gòu)，通過諧波鎖模的方式將種子光的重頻提高了一倍，并對熔接對準(zhǔn)方式進(jìn)行優(yōu)化，最終在放大器中獲得了百瓦量級的高功率超連續(xù)譜輸出，光譜由1 064 nm展 寬 至2 000 nm，平 坦 度 為10 dB［13］；2014年，Hao等人利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）皮秒種子源進(jìn)行非線性放大，在摻鐿光纖放大器中獲得了輸出功率為2 W，光譜范圍398～1 700 nm的超連續(xù)譜［14］。但以往的研究多集中在納秒脈沖種子源直接產(chǎn)生超連續(xù)譜，利用皮秒脈沖直接產(chǎn)生超連續(xù)譜的報道較少。

本文實(shí)驗(yàn)研究了皮秒脈沖非線性摻鐿光纖放大器中近紅外超連續(xù)譜激光的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)采用SESAM（Semiconductor Saturable Absorber Mirror）被動鎖模得到的皮秒脈沖作為種子源，通過預(yù)放大和一級放大得到含有一級Stokes非線性頻率成分的種子信號，在二級光纖放大器中對其進(jìn)行非線性放大，最終獲得了平坦度為10 dB、光譜范圍為950～1 650 nm、輸出功率為56 W的近紅外超連續(xù)譜激光輸出。放大過程中后向光功率始終處于較低水平且較為穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用三級MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）結(jié)構(gòu)（主控振蕩器的功率放大器）的皮秒脈沖非線性放大器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該系統(tǒng)由種子源、一級預(yù)放大級和兩級功率放大級構(gòu)成。

圖1 皮秒脈沖非線性放大器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Experimental structure of picosecond pulse nonlinear amplifier

種子源采用自行設(shè)計的SESAM被動鎖模皮秒脈沖光纖激光器，其中泵浦源為輸出中心波長976 nm的光纖耦合單模半導(dǎo)體激光器LD，通過工作波長為980/1 064 nm的波分復(fù)用器WDM，耦合進(jìn)摻鐿光纖YSF中，所用YSF為6/125 μ m高濃度摻鐿光纖，光纖長度為10 cm，在976 nm處吸收系數(shù)為1 200 dB/m，數(shù)值孔徑（Numerical Aperture，NA）為0.12。采用反射率為60%，反射帶寬為4 nm，中心波長為1 064 nm的光纖布拉格光柵FBG作為輸出鏡，隔離器ISO可防止光纖端面反射回光對諧振腔造成損傷，維持種子源工作的穩(wěn)定性。預(yù)放大級采用輸出中心波長975 nm的單模半導(dǎo)體激光器LD1進(jìn)行泵浦，泵浦光通過WDM1耦合進(jìn)YSF1，YSF1芯徑為6 μm，數(shù)值孔徑為0.13，在975 nm處吸收系數(shù)為250 dB/m，長度為1 m，隔離器ISO1對輸出光進(jìn)行隔離。1∶99耦合器Coupler的1%端用來監(jiān)測，前向端接光譜儀OSA監(jiān)測種子信號光譜，后向端接功率計PM監(jiān)測后向返回光。

一級放大器泵浦源LD2為輸出功率10 W，中心波長915 nm的多模半導(dǎo)體激光器，輸出尾纖芯包直徑為105/125 μm，NA為0.22。泵浦合束器Combiner2為(2+1)×1結(jié)構(gòu)；信號輸入、輸出 光 纖 芯 包 直 徑 均 為10/130 μ m，NA為0.08/0.46；泵浦光纖芯包直徑為105/125 μm，NA為0.22。增益光纖YDF2為雙包層摻鐿光纖，芯包直徑10/130 μm，NA為0.08/0.46，吸收系數(shù)在975 nm處為3.9 dB/m，長度為10 m。包層光剝離器CPS2用于剝除包層中殘余的泵浦光，避免包層中殘余泵浦光對后續(xù)光纖器件造成損傷。隔離器ISO2工作中心波長為1 064 nm，最大工作功率為10 W。二級功率放大器泵浦源LD3、LD4均為輸出功率為60 W的穩(wěn)波長半導(dǎo)體激光器，輸出中心波長為976±0.5 nm，輸出尾纖芯包直徑為105/125 μm，NA為0.22。泵浦合束器Combiner3為(2+1)×1結(jié)構(gòu)，信號輸入、輸出芯包直徑均為15/130 μm，NA為0.08/0.46，泵浦光纖芯包直徑為105/125 μm，NA為0.22。增益光纖YDF3為雙包層摻鐿光纖，芯包直徑15/130 μm，NA為0.08/0.46，吸 收 系 數(shù) 在975 nm處為5.4 dB/m，長度為4 m，摻雜光纖尾端是包層光剝離器CPS3。GDF為15/130 μm雙包層無源光纖，長度為3 m，可匹配15/130 μm摻鐿光纖。最后，無源光纖GDF輸出端面切8°角，防止端面回光。

3 結(jié)果與討論

3.1 非線性頻率成分種子信號的獲得

通過SESAM鎖模，實(shí)驗(yàn)獲得了可穩(wěn)定輸出的皮秒脈沖種子源，圖2（a）、（b）分別為種子源的輸出光譜圖和脈沖的自相關(guān)曲線，種子光中心波長為1 064 nm，3 dB光譜帶寬為0.42 nm，重復(fù)頻率為32.74 MHz，輸出脈寬9.19 ps，功率7 mW，峰值功率23 mW。種子源輸出的脈沖激光經(jīng)過預(yù)放大級后功率被放大到23.3 mW，峰值功率為56 mW。

圖2 被動鎖模光纖激光器輸出光譜圖及自相關(guān)曲線Fig.2 Passively mode-locked fiber laser output spectra and auto-correlation curve

在一級放大器中，泵浦功率為4.5 W時，脈沖峰值功率超過了受激拉曼散射（SRS）的閾值，輸出光譜在1 120 nm處出現(xiàn)了一級Stokes峰，光譜展寬集中在一階拉曼光譜區(qū)，相對種子光中心波長1 064 nm，頻移量為13.2 THz，如圖3所示。摻鐿光纖的零色散波長為1.27 μm左右，種子光中心波長1 064 nm處于摻鐿光纖的正常色散區(qū)，自相位調(diào)制也會導(dǎo)致光譜展寬，但是展寬能力不強(qiáng)，此時受激拉曼散射起主要的展寬作用。通過一級放大器，得到帶有一級Stokes峰的信號輸出。輸出功率為2.9 W，1 064 nm處3 dB光譜帶寬為1.84 nm，脈寬為2.09 ps，以此作為下一級的種子信號。

圖3 一級放大器輸出光譜圖Fig.3 Output spectrogram of amplifier1

3.2 非線性放大實(shí)驗(yàn)

利用含有一級Stokes峰的一級放大器輸出作為種子信號進(jìn)行非線性放大，圖4給出了二級放大器不同輸出功率下的光譜圖。可以看到，在輸出功率達(dá)到9.88 W之前，隨著二級放大器泵浦功率的增大，一級Stokes峰功率也在提高，此過程中輸出光譜沒有出現(xiàn)明顯展寬。進(jìn)一步增大泵浦功率，可觀察到一級Stokes峰功率不再變化，高級Stokes峰逐級出現(xiàn)，輸出光譜向長波方向展寬。這一現(xiàn)象的物理過程可以描述為：隨著二級放大器泵浦功率的提高，一級Stokes光功率達(dá)到一定值，將作為泵浦光泵浦產(chǎn)生二級Stokes峰，以此規(guī)律，逐級泵浦出現(xiàn)更高級的Stokes峰，在這一階段，光譜展寬主要受到級聯(lián)受激拉曼散射的影響。當(dāng)波長展寬到調(diào)制不穩(wěn)定性（Modulation Instability，MI）產(chǎn)生孤子的反常色散區(qū)，在MI的作用下，皮秒脈沖會產(chǎn)生分裂，并演化為一系列的高階飛秒孤子。而這些高階孤子又會在高階色散及高階非線性效應(yīng)的作用下分解出基態(tài)孤子。基態(tài)孤子的帶寬較寬，能夠與拉曼增益譜交疊，因此引起了脈沖內(nèi)拉曼散射使孤子紅移，即SSFS（Soliton Self Frequency Shift）。孤子與色散波相互作用產(chǎn)生孤子俘獲效應(yīng)［15-16］。孤子俘獲效應(yīng)會通過XPM（Cross-phase Modulation交叉相位調(diào)制）和FWM（Four-wave Mixing四波混頻）來產(chǎn)生新的頻率成分，從而使超連續(xù)譜進(jìn)一步展寬及平坦化。

圖4 二級放大器不同輸出功率下的光譜圖Fig.4 Spectrogram of amplifier2 at different output power

相較于普通的線性放大器，非線性放大器存在明顯的效率拐點(diǎn)。圖5為種子信號非線性放大后超連續(xù)譜輸出功率隨泵浦功率的變化曲線。結(jié)合圖4可分析出，在輸出功率達(dá)到14.30 W之前，二級放大器為信號光提供增益，提高其輸出功率水平，對種子信號進(jìn)行線性功率放大，放大器效率較高。隨著泵浦功率的進(jìn)一步提高，非線性放大效率曲線出現(xiàn)效率拐點(diǎn)，光-光轉(zhuǎn)化效率下降。當(dāng)信號光的功率水平達(dá)到非線性效應(yīng)閾值后，可以激發(fā)出多種非線性效應(yīng)，從而對信號光的光譜進(jìn)行展寬，在效率拐點(diǎn)出現(xiàn)之后的非線性放大過程中，輸出光譜向長波方向不斷展寬，光譜展寬時量子虧損變大，能量以熱的形式耗散，導(dǎo)致光-光效率下降。

圖5 超連續(xù)譜輸出功率隨泵浦功率的變化曲線Fig.5 Curve of SC output power versus the pump power

在二級放大過程中，對后向回光進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，圖6為不同種子信號在二級非線性光纖放大器中放大展寬時回光的變化曲線?？梢钥吹剑瑤б患塖tokes峰的種子信號在整個二級放大過程中回光并未發(fā)生明顯變化，維持在一個較為平穩(wěn)水平。

圖6 不同種子信號的回光隨泵浦功率的變化曲線Fig.6 Variation curve of return light of different seed signals with pump power

二級光纖非線性放大器采用兩個60 W半導(dǎo)體激光器泵浦，最終輸出光譜如圖7所示，當(dāng)泵浦功率達(dá)到116.8 W時，獲得了10 dB光譜范圍為950 nm～1 650 nm的超連續(xù)譜激光，輸出功率為56 W，光-光效率為48%。

圖7 二級放大器不同泵浦功率輸出光譜圖Fig.7 Output spectrogram of different pump power of amplifier2

4 結(jié)論

采用SESAM被動鎖模皮秒脈沖種子源，搭建了皮秒脈沖非線性光纖放大系統(tǒng)。通過調(diào)控光纖長度和泵浦功率使一級放大輸出帶有一級Stokes頻率成分的信號光，將該信號光在二級放大器中進(jìn)行非線性放大，最終獲得了后向光功率較小且相對穩(wěn)定的近紅外超連續(xù)譜輸出。在泵浦功率116.8 W時，激光輸出10 dB光譜范圍為950 nm～1 650 nm（泵浦波長除外），輸出功率為56 W，光-光效率為48%。