低閾值高穩(wěn)定性的全保偏鎖模光纖激光器

徐雋灝,王天樞,馬萬卓

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)國(guó)家與地方聯(lián)合工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊和穩(wěn)定易用等優(yōu)勢(shì),是當(dāng)前研發(fā)超快激光器的一種重要途徑[1-2]。自第一臺(tái)光纖激光器問世以來,越來越多的工業(yè)、醫(yī)療與科研等領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)都優(yōu)先選擇超快光纖激光器作為光源[3-4]。與此同時(shí),伴隨著應(yīng)用條件的越發(fā)苛刻,具有高強(qiáng)度穩(wěn)定性的激光器成為了超快光纖激光器發(fā)展的核心課題之一。相較于非保偏光纖,保偏光纖可以保持腔內(nèi)光脈沖的偏振狀態(tài)不變。傳統(tǒng)的全保偏鎖模光纖激光器的鎖模器件如碳納米管[5]和石墨烯[6]等可飽和吸收體不僅容易損傷,且性能隨著使用時(shí)間增加而逐漸降低。相較于材料鎖模,非線性放大環(huán)形鏡(NALM)鎖模結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)時(shí)間更快、損傷閾值更高和穩(wěn)定性更好的優(yōu)點(diǎn)。

2016年,波蘭弗羅茨瓦夫理工大學(xué)Karol Krzempek等人[7]用雙包層摻鐿光纖搭建第一臺(tái)全光纖NALM鎖模結(jié)構(gòu)的“9”字腔激光器,該激光器在8.5W泵浦功率下實(shí)現(xiàn)輸出功率950 mW,脈沖寬度為455 ns的矩形脈沖。2017年,瑞士洛桑工學(xué)院Svyatoslav Kharitonov和Camille-Sophie Bres采用雙向泵浦的方式搭建了摻銩的NALM鎖模結(jié)構(gòu)[8],在1 W的泵浦功率輸入下達(dá)到鎖模閾值,輸出功率達(dá)到147 mW。2018年,上海理工大學(xué)[9]搭建了基于共振增強(qiáng)式非線性折射率調(diào)制技術(shù)的全保偏光纖激光器,該激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在170 mW泵浦功率下達(dá)到鎖模激光脈沖輸出,其輸出功率僅為0.22 mW,但可以精確鎖定了腔內(nèi)20.48 MHz的重復(fù)頻率。綜上所述,由全保偏光纖器件組成的結(jié)構(gòu)可以有效的降低達(dá)到鎖模脈沖的泵浦閾值,同時(shí)其保偏結(jié)構(gòu)可以有效的抵抗環(huán)境帶來的干擾,所以對(duì)于研究全保偏光纖激光器是具有極高的應(yīng)用前景。

本文提出一種基于NALM結(jié)構(gòu)的全保偏“9”字腔光纖激光器,諧振腔中加入色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行精確色散補(bǔ)償,消除Kelly邊帶。泵浦功率為80 mW時(shí),實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)和穩(wěn)定鎖模工作,測(cè)得重復(fù)頻率為22.18 MHz,脈沖寬度為538 fs,輸出功率1.04 mW,對(duì)應(yīng)脈沖能量為0.046 nJ。同時(shí),檢測(cè)了激光器的自啟動(dòng)鎖模性能以及超過10 h的鎖模狀態(tài),證實(shí)了該激光器具有高度穩(wěn)定性,具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及其工作原理

實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該結(jié)構(gòu)為“9”字腔全保偏光纖結(jié)構(gòu)。976 nm半導(dǎo)體激光器(diode laser,LD)作為泵浦源,通過一個(gè)976 nm/1550 nm的波分復(fù)用器(wavelength division multiplexer,WDM)進(jìn)入增益介質(zhì)為0.5 m保偏摻鉺光纖(Liekki,Er80-4/125-HD-PM,PM-EDF),其群速度色散為-29.3 ps/(nm·km),環(huán)路中加入一個(gè)法拉第相位延遲器(phase delay Faraday mirror),也可以稱為相移器(phase shifter)減小脈沖環(huán)路所需要的相移量；同時(shí)在2×2耦合器(分光比為4∶6)另一端中選其中一個(gè)端口接入一個(gè)光纖型法拉第反射鏡(Faraday mirror,FM),另一個(gè)端口作為輸出端。同時(shí)在環(huán)路中加入一段長(zhǎng)1.35 m的保偏色散補(bǔ)償光纖(polarization maintaining dispersion compensation fiber,PMDCF)進(jìn)行精確色散補(bǔ)償。所用PMDCF(PM2000D,coherent)群速度色散為-50 ps/(nm·km)。整個(gè)腔長(zhǎng)為8.4 m,根據(jù)色散補(bǔ)償機(jī)理[10-12],該結(jié)構(gòu)在1550 nm處的凈色散值為-0.0106 ps2,接近于零色散。

圖1 全保偏“9”字腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of polarization-maintaining nine-cavity laser

為該實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生鎖模光的核心是2×2耦合器,其透射率為[13-14]:

=1-2α(1-α)+{1+cos[(1-2α)γP0L}>

(1)

(2)

(3)

R=2α(1-α){1+cos[Δφ0+(1-2α)×ΔφNL]}

(4)

當(dāng)在該結(jié)構(gòu)中插入了-1/2π的線性相移量的相移器,兩束光傳輸1周后,使得腔內(nèi)僅需積累所插入的線性相移量就能達(dá)到反射率的最大值,這時(shí)候脈沖的中央較強(qiáng)部分的相移接近π,脈沖中心高能量部分被反射,而脈沖兩翼部分由于能量較低被透射從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的窄化作用,完成鎖模。

實(shí)驗(yàn)中用積分球光電二極管功率傳感器(Thorlabs,S142C)和功率計(jì)(Thorlabs,PM100D)檢測(cè)功率,使用功率計(jì)測(cè)量輸出功率。鎖模激光器的光譜由1 GHz記錄分辨率0.02 nm的光譜分析儀(Yokogawa,AQ6370D)進(jìn)行觀察。時(shí)域上的脈沖信號(hào)通過5 GHz InGaAs 自由空間光電探測(cè)器(Thorlabs,DET08C/M)和 2.5 GHz 示波器(OSC,Agilent DSO9254A)組合觀測(cè),使用帶寬為3 GHz的射頻頻譜分析儀(Agilent N1996A,FSA)記錄射頻頻譜,鎖模脈沖的自相關(guān)曲線用自相關(guān)儀(SHG FS Photonics Technology Co.,Ltd.,FR-103XL)測(cè)量。

3 分析與討論

把泵浦功率加大到80 mW時(shí),可實(shí)現(xiàn)鎖模自啟動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行。鎖模后,泵浦功率降低到67 mW,但激光器仍保持在鎖模狀態(tài),即激光器存在泵浦滯后效應(yīng)。穩(wěn)定單脈沖運(yùn)行的泵功率范圍從67～138 mW。當(dāng)泵浦功率降低到低于67 mW時(shí),激光器的工作狀態(tài)切換為連續(xù)光模式；當(dāng)泵浦功率增加到138 mW以上時(shí),出現(xiàn)脈沖分裂現(xiàn)象。在泵浦功率為80 mW時(shí),該激光器平均輸出功率為1.04 mW。脈沖重復(fù)頻率為22.18 MHz,脈沖能量為0.046 nJ。

圖2(a)為鎖模激光器在80 mW泵浦功率下的光譜,光譜中心波長(zhǎng)為1557 nm,擬合后的3 dB帶寬為11.65 nm,光譜雖有小尖峰但無邊帶,通過圖2(b)所示,脈沖周期為45.1 ns符合激光器腔長(zhǎng)。如圖2(c)所示,在10 Hz分辨率下測(cè)量脈沖的射頻頻譜,該輸出頻譜具有73 dB的高信噪比(SNR),表明輸出脈沖具有高度穩(wěn)定性。圖2(d)為脈沖自相關(guān)軌跡,脈沖具有接近完美的高斯函數(shù)形狀,脈沖持續(xù)時(shí)間為538 fs,因此,0.046 nJ脈沖對(duì)應(yīng)的峰值功率為85.5 W。由于色散補(bǔ)償光纖的引入,使得腔內(nèi)正、負(fù)色散的交替結(jié)構(gòu)引起的光脈沖在時(shí)域和譜域?qū)挾劝l(fā)生周期性變化。光脈沖在正色散介質(zhì)中被展寬,峰值強(qiáng)度下降,因而,積累的非線性減??；而在負(fù)色散介質(zhì)中脈沖被壓縮,但沒有非線性積累,因此整體上腔內(nèi)脈沖能夠承載的單脈沖能量增加。具有如此高峰值功率的脈沖可以通過自相位調(diào)制(SPM)的作用產(chǎn)生的寬光譜,同時(shí),我們也可以看到時(shí)域脈沖的基底較大,這是由于激光器工作在近零色散域,腔內(nèi)正、負(fù)二階色散近于相互補(bǔ)償,而無法補(bǔ)償?shù)母唠A啁啾在脈沖基地積累的結(jié)果[17]。 根據(jù)擬合后的11.65 nm的光譜帶寬,計(jì)算出時(shí)間帶寬積為0.728,大于高斯型脈沖0.441,這意味著脈沖寬度不受光譜限制。

(a)光譜圖

(b)時(shí)域圖

(c)頻譜圖

(d)自相關(guān)曲線圖2 全保偏“9”字腔激光器輸出特性Fig.2 Output characterization of all polarization-maintaining nine-cavity lase

為了進(jìn)一步證明鎖模光纖激光器處于高穩(wěn)定狀態(tài),先對(duì)激光器進(jìn)行自啟動(dòng)測(cè)試,將泵浦源功率定在80 mW,進(jìn)行了2000次自啟動(dòng)測(cè)試,通過記錄開關(guān)泵浦電源后,輸出光從連續(xù)光轉(zhuǎn)換為鎖模光所需時(shí)間,圖3為自啟動(dòng)測(cè)試結(jié)果,該激光器可以100 %自啟動(dòng)鎖模,其中超過99 %的自啟動(dòng)時(shí)間是小于500 ms的,通過分析以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看[18],該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)滿足泊松分布,符合自啟動(dòng)的條件。

圖3 激光器自啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試分布圖Fig.3 Self-starting test distribution of the fiber laser

接著我們驗(yàn)證激光器具有良好的輸出穩(wěn)定性,把種子激光器連接到EDFA(摻鉺光纖放大器、(erbium-doped optical fiber amplifier),我們將輸出功率放大到15.4 mW,對(duì)激光器模塊進(jìn)行10 h輸出測(cè)試,每隔一小時(shí)記錄一次輸出光譜,其結(jié)果如圖4(a)所示。同時(shí)每10 s記錄一組數(shù)據(jù),結(jié)果如圖4(b)所示。功率放大后激光平均輸出功率為15.4 mW,計(jì)算功率穩(wěn)定性為3.1 %,平均功率的均方根波動(dòng)為0.12 %,表明該激光器在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下具有良好的功率和鎖模穩(wěn)定性。最后,在80 mW的泵浦功率下測(cè)量種子光輸出脈沖的光譜。在l0 h內(nèi),激光器輸出光譜幾乎保持不變,表明該激光器輸出脈沖具有良好的穩(wěn)定性。圖4(c)為基頻頻譜信噪比隨時(shí)間變化的曲線,每隔半小時(shí)記錄一次信噪比,長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)信噪比的穩(wěn)定性為2.5 %,較小的波動(dòng)說明該結(jié)構(gòu)光纖激光器性能穩(wěn)定。綜上,我們通過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試激光的自啟動(dòng)、光譜、平均功率和基頻頻譜信噪比證明了激光器諧振腔的高度穩(wěn)定性。

(a)光譜

(b)功率

(c)信噪比圖4 10小時(shí)激光器穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Long term stability test results over 10 hours period

4 結(jié) 論

本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、高穩(wěn)定性的全保偏“9”字腔光纖激光器。在22.18 MHz重復(fù)頻率下,脈沖能量為2.27 nJ,脈沖寬度為538 fs,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的自啟動(dòng)鎖模脈沖。由于非互易移相器提供了足夠的非線性相位偏置,使得基于NALM的鎖模結(jié)構(gòu)能夠在如此高的重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng),這是產(chǎn)生超短脈沖的關(guān)鍵前提。該激光器結(jié)構(gòu)完全由保偏光纖和保偏器件組成,經(jīng)過2000次自啟動(dòng)測(cè)試和10 h激光輸出測(cè)試,顯示了該激光器鎖模脈沖的優(yōu)良穩(wěn)定性。我們認(rèn)為,該結(jié)構(gòu)激光設(shè)計(jì)有很多應(yīng)用潛力,可以作為超快激光光源,應(yīng)用于頻率梳,生物醫(yī)學(xué)成像和太赫茲波產(chǎn)生。