基于拋物線演化的寬光譜光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)

杜李，靳翠紅，楊直，崔玉棟，3

（1 浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院 現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）（2 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）（3 華中科技大學(xué) 武漢光電國(guó)家研究中心，武漢 430074）

0 引言

光纖激光器由于高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在眾多研究領(lǐng)域中受到廣泛關(guān)注［1-3］。工作在1550 nm處的高能量超快光纖激光器由于在通訊波長(zhǎng)處的低衰減，價(jià)格便宜等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于超快光譜學(xué)、精密材料加工以及太赫茲產(chǎn)生等研究領(lǐng)域［4-6］。而如何獲得高能量脈沖也成為光纖激光器的研究熱點(diǎn)。為了獲得高能量脈沖，通常需要將增益光纖作為放大器，但將超短脈沖直接進(jìn)行放大時(shí)由于高峰值功率會(huì)積累大量的非線性效應(yīng)，例如自相位調(diào)制（Self-Phase Modulation，SPM）、受激拉曼散射等，從而降低光束質(zhì)量［7-8］。為了避免強(qiáng)非線性，常用的一種解決方法是在放大前引入啁啾從而將脈沖寬度增大，降低峰值功率強(qiáng)度，隨后利用光柵對(duì)等壓縮器件對(duì)脈沖去啁啾以獲得高能量的超短脈沖。這種放大方式也被稱為啁啾脈沖放大（Chirped-Pulse Amplification，CPA）［9-10］。

近年來(lái)研究人員報(bào)道了一些1550 nm波長(zhǎng)處的高能量全光纖CPA系統(tǒng)。MORIN F等［11］提出了一種將大模場(chǎng)面積的鉺鐿共摻光纖（Er/Yb Co-Doped Fiber，EYDF）作為放大器的CPA系統(tǒng)，使用色散補(bǔ)償光纖（Dispersion Compensating Fiber，DCF）作為展寬器，光柵對(duì)作為壓縮器，實(shí)現(xiàn)了脈寬605 fs，脈沖能量1.5 μJ的激光輸出。DAI W等［12］選用碳納米管鎖模激光器作為種子源，并采用基于EYDF的二級(jí)放大結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖進(jìn)行放大，經(jīng)光柵對(duì)壓縮后產(chǎn)生了平均功率為3.4 W，脈寬為765 fs的脈沖輸出。同樣PAVLOVⅠ等［13］使用EYDF作為功率放大器，脈沖經(jīng)光纖展寬器展寬后再進(jìn)行兩級(jí)放大，最后壓縮輸出的脈沖平均功率為10 W，脈寬為450 fs。在以上報(bào)道中，研究人員都是利用EYDF去實(shí)現(xiàn)高能量脈沖輸出，以此獲得的脈沖光譜半高全寬都限制在5～15 nm范圍內(nèi)。到目前為止，在波長(zhǎng)1550 nm處實(shí)現(xiàn)光譜寬度高于30 nm的全光纖型CPA激光器鮮有報(bào)道。

一些產(chǎn)生寬光譜脈沖的方法，例如使用類噪聲鎖模［14-15］、非線性光纖［16-17］、Mamyshev諧振腔［18］等，雖然均可實(shí)現(xiàn)寬光譜脈沖輸出，但是由于脈沖不可壓縮，參數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者不夠穩(wěn)定等限制，不適于簡(jiǎn)易型CPA系統(tǒng)。在本文中，我們將自相似放大和CPA相結(jié)合，在1.55 μm處實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的寬光譜瓦量級(jí)光纖激光器。其中種子源采用基于碳納米管鎖模的色散管理腔，可產(chǎn)生無(wú)Kelly邊帶的高斯型脈沖。根據(jù)自相似放大理論，脈沖在正色散摻鉺光纖放大器中譜寬和脈寬都將增大，并演化成拋物線型，以此獲得的寬光譜脈沖再經(jīng)DCF展寬，10/125雙包層鉺鐿共摻光纖（Double-Clad Erbium-Ytterbium Co-Doped Fiber，DC-EYDF）放大后，在40.1 MHz的重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了光譜寬度為30 nm，平均功率為1.3 W的激光輸出，最后通過透射光柵對(duì)壓縮后的最窄脈寬為587 fs。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

寬光譜CPA系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，它由全光纖種子源、光纖展寬器、主功率放大器、光柵壓縮器組成。其中種子源為環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)，包括碳納米管可飽和吸收體（Carbon Nanotubes Saturable Absorber，CNT-SA）、摻鉺光纖（Erbium-Doped Fiber，EDF）、單模光纖（Single-Mode Fiber，SMF）、色散補(bǔ)償光纖、波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）和隔離器構(gòu)成的二合一器件以及耦合器（Optical Coupler，OC）。其中二合一器件用來(lái)耦合980 nm泵浦光并保證激光在腔內(nèi)的單向傳輸。OC的分束比為30∶70，確保輸出端有較大的輸出功率。

圖1 寬光譜啁啾脈沖放大激光器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of the broadband chirped-pulse amplification laser

種子源的輸出脈沖首先注入到正色散摻鉺光纖進(jìn)行放大，在放大過程中高斯型脈沖在光纖色散以及非線性效應(yīng)的共同作用下會(huì)逐漸演化成拋物線型，譜寬以及脈寬都將增大，實(shí)現(xiàn)自相似演化。隨后WDM可用來(lái)濾掉多余的980 nm泵浦光。接著使用DCF對(duì)脈沖進(jìn)行展寬，并使用隔離器阻止反向光對(duì)諧振腔的影響。第二級(jí)放大器采用10/125的DC-EYDF，最大功率為9 W的泵浦光通過1×2的合束器耦合進(jìn)放大器。最后一級(jí)中，通過準(zhǔn)直器輸出的放大脈沖經(jīng)由刻線密度為966 lines/mm的透射型光柵對(duì)進(jìn)行壓縮。光柵對(duì)平行放置且脈沖以Littrow角入射時(shí)可確保92%的最大衍射效率。反射鏡可保證光束往返通過光柵對(duì)以縮短光柵對(duì)間距。為了分離壓縮光和入射光，可通過半波片以及四分之一波片調(diào)節(jié)光束偏振態(tài)使得壓縮光從偏振分束器的另一端輸出。

為了對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，首先對(duì)寬光譜CPA系統(tǒng)進(jìn)行了理論模擬，脈沖在光纖中的傳輸可通過非線性薛定諤方程表示為［19］

式中，u為脈沖包絡(luò)函數(shù)，z和t分別代表傳輸距離以及時(shí)間，β2代表二階色散系數(shù)，Ωg和g分別為增益帶寬以及增益系數(shù)。對(duì)于EDF，增益系數(shù)可表示為

式中，g0為小信號(hào)增益系數(shù)，Es為增益飽和能量，Ep為脈沖能量。基于碳納米管的可飽和體模型可表示為

式中，α0為未飽和損耗，α為調(diào)制深度，P為瞬時(shí)脈沖功率，Psat為飽和功率。

依托分步傅里葉算法，將激光器內(nèi)的所有器件根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置依次分布在激光腔內(nèi)。然后采用脈沖追跡法模擬脈沖在腔內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在仿真中我們采用預(yù)設(shè)置的小信號(hào)高斯型脈沖作為輸入，當(dāng)信號(hào)在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后，將其結(jié)果作為下一個(gè)循環(huán)的起始信號(hào)。在適當(dāng)?shù)那粌?nèi)參數(shù)和誤差控制下，經(jīng)過100～1000次循環(huán)后，最終就會(huì)得到穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出。

仿真模型中所使用的參數(shù)為：g0=3 dB/m，Es=12 pJ，Ωg=30 nm，對(duì)于EDF，γ=4.5 W-1km-1，β2=20 ps2/km；對(duì)于SMF，γ=1.3 W-1km-1，β2=-21.6 ps2/km；對(duì)于DCF，γ=5 W-1km-1，β2=120 ps2/km；對(duì)于DC-EYDF，γ=0.8 W-1km-1，β2=20 ps2/km；對(duì)于光柵對(duì)，β2=-9.1×103ps2/km。諧振腔內(nèi)的SMF、EDF以及DCF的長(zhǎng)度分別為4.2 m，0.5 m，0.42 m。諧振腔外的EDF、DCF以及DC-EYDF的長(zhǎng)度分別為10 m、15 m、2.3 m。光柵對(duì)間距設(shè)置為22 cm。

模擬計(jì)算的色散管理孤子時(shí)域輸出如圖2（a）所示，脈沖寬度為524 fs并帶有線性啁啾。圖2（b）為預(yù)放大器到壓縮器之間脈沖脈寬以及譜寬的演化，其中點(diǎn)a～d的值分別代表種子源、預(yù)放大器、展寬器、主放大器處的輸出譜寬大小，點(diǎn)e～h的值則代表相應(yīng)位置處的脈寬大小。可以觀察到脈沖在正色散EDF中放大時(shí)脈寬和譜寬迅速增大，在展寬光纖中脈寬變大，而譜寬幾乎不變，隨后在主放大器中由于增益窄化效應(yīng)，脈寬和譜寬都減小，最后經(jīng)壓縮器后脈沖被壓縮至230 fs。為了進(jìn)一步觀察此過程中的光譜演化，繪制了如圖2（c）所示的脈沖在腔內(nèi)不同位置處的光譜圖。

圖2 寬光譜啁啾脈沖放大激光器理論模擬特性Fig.2 The theoretical simulation characteristics of broadband chirped-pulse amplification laser

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)模擬結(jié)果選擇了最佳的器件參數(shù)，搭建了圖1所示的寬光譜啁啾脈沖放大系統(tǒng)。色散管理腔的EDF（Liekki，β2=1.148 ps2/cm）長(zhǎng)為0.5 m，DCF（dispersion～-160 ps/（nm·km））長(zhǎng)為0.42 m，SMF（β2=-2.168 ps2/cm）長(zhǎng)為4.2 m，腔內(nèi)總腔長(zhǎng)約為5.1 m，對(duì)應(yīng)于40.1 MHz的重復(fù)頻率，腔內(nèi)總色散為0.0364 ps2，符合色散管理孤子的產(chǎn)生條件。將色散管理種子源的泵浦功率調(diào)節(jié)為120 mW，此時(shí)可得到穩(wěn)定的鎖模孤子，輸出功率為2.54 mW。種子源的輸出光譜如圖3（a）所示，其中心波長(zhǎng)位于1560 nm附近，半高全寬為8 nm，對(duì)應(yīng)于圖2（b）中點(diǎn)a處的值，光譜為高斯型且沒有Kelly邊帶。為了表征脈沖寬度，使用自相關(guān)儀（APE，Pulse-check 50）對(duì)輸出脈沖進(jìn)行測(cè)量［20］，結(jié)果如圖3（b）所示，高斯擬合后的脈寬為414 fs，與圖2（b）中的點(diǎn)e對(duì)應(yīng)。圖3（c）為示波器測(cè)量的時(shí)域脈沖，可計(jì)算出脈沖序列的時(shí)域間隔為24.9 ns。脈沖的信噪比可由頻譜分析儀測(cè)量，如圖3（d）所示，此時(shí)輸出信噪比為50 dB，反映了較好的腔內(nèi)鎖模穩(wěn)定性。

圖3 色散管理型鎖模光纖激光器的輸出特性Fig.3 Output characteristics of dispersion-managed mode-locked fiber lasers

基于自相似放大理論，脈沖在正色散光纖中將由高斯型演化為拋物線型。同時(shí)由于SPM的作用，光譜寬度會(huì)隨著泵浦功率的增加而增大。根據(jù)模擬仿真可知，光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所獲得的脈沖光譜寬度越大。為了獲得寬光譜拋物線脈沖，我們選擇10 m長(zhǎng)的正色散EDF作為預(yù)放大器，并通過調(diào)節(jié)泵浦功率大小改變輸出脈沖的光譜大小及形狀。不同泵浦功率下的輸出光譜如圖4（a）所示，隨著泵浦功率的增大，光譜寬度單調(diào)增加，并且光譜也從高斯型演化為頂部平坦邊沿陡峭的形狀，這是拋物線脈沖的典型特征［21-25］。當(dāng)泵浦光功率為400 mW時(shí)，光譜的半高全寬為44 nm，輸出功率為87 mW，脈沖自相關(guān)跡如圖4（b）所示，高斯擬合后脈寬為3.67 ps，此時(shí)的譜寬以及脈寬分別與圖2（b）中的點(diǎn)b和f的值對(duì)應(yīng)。

圖4 自相似放大后激光器輸出特性Fig.4 Output characteristics of the laser after self-similar amplification

放大后的脈沖隨后在15 m長(zhǎng)的DCF中進(jìn)行時(shí)域展寬以降低峰值功率。由于DCF和SMF之間的模場(chǎng)直徑不匹配，輸出功率將下降至42 mW。接著脈沖將在2.3 m長(zhǎng)的DC-EYDF中進(jìn)行進(jìn)一步放大，脈沖輸出功率隨泵浦光功率的變化如圖5（a）所示，當(dāng)泵浦功率為9 W時(shí)測(cè)量的輸出功率為1.3 W。圖5（b）為放大后的光譜圖，可以明顯觀察到由于放大器中的增益窄化效應(yīng)，光譜帶寬減小至30 nm，對(duì)應(yīng)于圖2（b）中的點(diǎn)d。放大后的脈沖將通過準(zhǔn)直器輸出為空間光，并利用光柵對(duì)進(jìn)行壓縮。由于DC-EYDF的纖芯半徑近似于單模光纖，因此不存在高階模式［13］，通過紅外激光顯示卡觀察到的輸出光為高斯型圓斑，光束質(zhì)量良好。為了測(cè)量壓縮后的脈沖寬度，我們將自相關(guān)儀的光纖輸入端口更換為空間光端口，并通過兩塊反射鏡調(diào)整光束平行入射。圖5（c）為自相關(guān)儀測(cè)得的最窄壓縮脈沖，高斯擬合后的脈寬為587 fs?？梢园l(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的脈寬大小是理論模擬的兩倍，其主要原因是光柵對(duì)存在固有的高階色散，將導(dǎo)致光纖展寬器無(wú)法與之完全匹配，出現(xiàn)色散失配現(xiàn)象從而影響脈沖寬度。此外，該激光器在長(zhǎng)時(shí)間工作下具有良好的穩(wěn)定性。

圖5 主放大器后的激光器輸出特性及壓縮時(shí)域Fig.5 Output characteristics of laser after main-amplifier and compressor

3 結(jié)論

本文研究了一種工作在1.55 μm附近的基于拋物線演化的寬光譜啁啾脈沖放大系統(tǒng)，搭建了碳納米管鎖模的色散管理型激光器，并將其作為種子源注入到正色散的EDF中實(shí)現(xiàn)自相似放大，以獲得寬光譜高能量脈沖。隨后脈沖經(jīng)DCF展寬以降低峰值功率，并使用單模芯徑的Er/Yb共摻光纖進(jìn)一步放大。當(dāng)主放大器的泵浦功率為9 W時(shí)，輸出功率達(dá)1.3 W，并最終利用光柵對(duì)將脈沖壓縮至587 fs，在40.1 MHz的重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)脈沖能量為32 nJ，光譜寬度為30 nm的脈沖輸出。本文所研究的激光器結(jié)構(gòu)緊湊，簡(jiǎn)易方便，為光纖型寬光譜高能量激光器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可行方案。