自启动、长期稳定锁模的飞秒掺铒光纤激光源实验研究

张龙，张颜艳，姜海峰，张首刚

自启动、长期稳定锁模的飞秒掺铒光纤激光源实验研究

张龙1，2，张颜艳1，2，姜海峰1，2，张首刚1，2

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600）

基于实用化光学频率梳的应用需求，开展了自启动、长期稳定锁模的飞秒掺铒光纤激光源实验研究。该激光源主要由激光振荡器和光纤放大器组成，其中激光振荡器是基于全保偏光纤结构和半导体可饱和吸收镜构成的，具有高实用性和高可靠性等优势，输出锁模脉冲的重复频率为116 MHz，平均功率为3 mW，脉冲宽度为385 fs；为了提高激光输出的参数指标，实验上研究了全保偏光纤放大系统，进一步将激光输出功率提升至218 mW，相应的单脉冲能量近1.9 nJ，并通过优化脉冲压缩器中光纤长度，最终获得脉宽为42 fs的超短脉冲激光输出。该实用化飞秒掺铒光纤激光源非常适用于极端环境下光频计量研究。

锁模激光；掺铒光纤；光学频率梳；孤子激光

0　引言

20世纪末，光学频率梳凭借高分辨率、高精确度的梳齿频率和高稳定度的频率传递特性，为光频测量[1-2]，光频传递及比对[3-4]，精密光谱学[5]，量子频标[6]，天文定标[7]等众多研究领域带来了革命性进展。正是由于在多研究领域的突出贡献，光学频率梳获得了2005年诺贝尔物理学奖的表彰[8-9]。光学频率梳的核心结构是一台锁模飞秒激光源[10]，其时域上输出的超短脉冲序列经过傅立叶变换，可以在频域上获得具有一定频率间隔的光频梳齿。由于受到外界环境的扰动，这些光频梳齿并不是稳定分布的，它主要受两个参数的影响——激光重复频率（frep）和载波包络相移频率（fceo）[11-12]，因此必须在实验上利用锁相环电路对这两个参数进行锁定和控制，从而获得频率稳定的光学频率梳并用于相关研究。在光学频率梳的系统结构中，锁模飞秒激光源的性能首先决定光学频率梳的整体性能。在研究初期，光学频率梳的激光源主要依靠飞秒钛宝石激光[12]，这主要是由于钛宝石激光的锁模技术成熟，并具有极短的脉冲宽度和合适的超连续光谱扩展介质[13]。但是固态钛宝石激光的搭建主要依赖于空间光路结构，其启动和日常运转经常需要专业人员的调试和维护，而且系统的结构相对复杂，研制成本昂贵，以上方面都不利于钛宝石激光频率梳向实用化的方向发展。

近年来，光纤激光材料及相关技术迅速发展，光纤激光的锁模研究受到众多研究领域的密切关注，特别是在光纤通信飞速发展的激励下，锁模掺铒光纤飞秒激光首先受到人们的青睐并取得优异成绩[14-16]。由于具有结构紧凑，高性价比及长期运行稳定等特点，掺铒光纤飞秒激光源的出现极大地促进了光纤激光频率梳的发展，特别是在实用化应用研究方面提供了强有力的支持。在实验研究中，掺铒光纤激光频率梳的激光源多数是基于非线性偏振演化的原理而实现的[15-16]，其锁模脉冲输出具有高重复频率、高脉冲能量和色散特性可控的优势。但是该类锁模激光源更适合应用于实验室环境中，主要原因首先是由于锁模的启动需要通过波片的旋转来实现；其次是激光系统光纤光路全部由非保偏光纤构成；而且某些非线性偏振演化的激光源也含有空间光路结构。这些不足使激光的锁模状态容易受到环境的影响而降低光学频率梳的实用性和可靠性。因此，为了满足实验室外环境的应用研究需求，构建实用化、高可靠性的锁模飞秒激光源是光学频率梳研究首要解决的内容。在这方面，国外的几个研究单位已获得了阶段性的成果，包括德国MenloSystems公司研究的“9字形”锁模掺铒光纤激光源，日本国立先进工业科学与技术部和美国IMRA公司研究报道的基于全保偏光纤和可饱和吸收体的掺铒光纤飞秒激光源[17-18]，美国国家标准技术研究所研究的全保偏光纤结构锁模掺铒光纤激光源[19-20]等。这些飞秒激光源不仅可以实现锁模的自启动，还具有较强的环境适应能力，在实用化、高可靠性的光纤频率梳研究中具有较大的应用潜力。

基于上述研究背景及研究组在实用化光学频率梳的应用研究需求，本文针对锁模自启动、免调节维护、长期稳定运转的飞秒掺铒光纤激光源展开实验研究。该锁模激光源由激光振荡器和光纤放大器两部分组成，其中激光振荡器的主要结构包括全保偏光纤光路和半导体可饱和吸收镜，系统结构紧凑、可靠性高，仅通过简单开启泵浦光源即可实现锁模飞秒激光脉冲输出，其重复频率约为116MHz，直接输出的脉冲宽度为385 fs，输出平均功率为3mW；其次为了提升激光振荡器的输出功率及压缩时域脉宽，进一步开展了非线性光纤放大的实验研究，经过全保偏光纤结构的脉冲展宽、光纤放大和脉冲压缩的参数优化，最终输出激光功率提升至218mW，单脉冲能量近1.9nJ，脉冲宽度压缩至42fs的量级。该飞秒掺铒光纤激光源的发展为后续实用化光学频率梳搭建提供了重要的研究基础。

1　实验装置

飞秒掺铒光纤激光源的实验结构如图1所示，主要由锁模飞秒激光振荡器（图1上半部分）和全保偏光纤放大器（图1下半部分）组成。锁模飞秒激光振荡器主要为全保偏光纤的线性腔结构，其中左端镜为保偏光纤反射镜，尾纤长度约为15cm，该长度也是尽量保证光纤元件可以满足光纤熔接机进行保偏熔接的最短尾纤要求，后续光纤元件的尾纤长度也是基于此方面考虑。信号光经过光纤反射镜返回后，进入掺铒保偏增益光纤（PM-ESF-7/125，Nufern）中，该增益光纤在1530nm处的吸收为55dB/m，实验选择的长度约为22cm左右，同时该保偏光纤的模场直径为8.8μ m，与普通保偏传输光纤（PM-1550 PANDA）的模场直径相近，因此它们之间的熔接损耗可以很好地控制在0.2dB以内。泵浦光（波长为974 nm）通过耦合拉锥式波分复用器反射入保偏增益光纤中，使其粒子数反转而产生足够的增益，同时该波分复用器的耦合拉锥端可以将产生的一部分信号光（～10%）导出，作为飞秒激光振荡器的输出端口。这样的结构配置不仅可以使腔内减少一个输出耦合器件，提高系统的重复频率，而且还减少腔内负色散的引入。剩余90%的信号光经过非球面透镜聚焦至半导体可饱和吸收镜（semiconductor saturableabsorption mirror，SESAM）上。为了增强系统的稳定性，聚焦到SESAM上的非球面透镜使用了保偏尾纤式封装，通过选择非球面透镜的焦距决定入射到SESAM上的光斑直径大小，从而改变入射到SESAM上的能流密度而优化激光锁模的阈值或锁模状态。SESAM同时也作为谐振腔的另一端镜将产生的激光反射，实现激光的共振。

激光锁模的实现与SESAM的参数密切相关，其中包括饱和能流密度、调制深度、恢复时间等。实际能流密度与SESAM的饱和能流密度的关系需要在实验中多次优化。如果入射到SESAM的能流密度超过饱和能流密度时，激光的连续运转就会转化为锁模。由于能流密度又与入射光斑直径的平方成反比关系，因此可以通过聚焦到SESAM上的光斑大小来改变激光的能流密度。我们首先选择了聚焦光斑直径约10μ m的非球面透镜，并将SESAM置于非球面透镜的聚焦光斑位置处，通过优化SESAM端镜以及适当增加泵浦功率，激光的锁模可以很好地启动并长期保持，但是实现锁模的泵浦光阈值和输出功率都相对较低，这主要是由于聚焦光斑过小导致SESAM上的能流密度过高的原因所致。若要提高振荡器的锁模阈值和激光输出功率，需要在实验中进一步扩大聚焦光斑的直径。经优化，最终我们实验所用非球面透镜的聚焦光斑大约为20μ m。SESAM的调制深度则需要提前确定，实验中我们选择了5组SESAM辅助锁模，其调制深度分别是5.5%，6%，7%，8%和9%。实验研究表明，调制深度为9%的SESAM实验结果最好，激光的输出光谱、输出功率以及锁模状态的长期稳定性都是最优的。而SESAM的恢复时间则尽量选择较短的时间（～2ps），这更有利于超短脉冲激光的建立以及锁模的启动。综合上述分析以及实验优化，实验所选用SESAM的具体参数如下：调制深度为9%，恢复时间为2ps，饱和能流密度为60μJ/cm2，SESAM上的聚焦光斑直径约为20μm。

图1　飞秒掺铒光纤激光源的实验结构示意图

激光振荡器的锁模脉冲经过10%的耦合拉锥端输出后，首先进入到3.2m保偏传输光纤（PM-1550，PANDA）构成的光纤展宽器中，传输光纤所提供的负色散可以在时域上展宽飞秒脉冲宽度，较宽的脉冲在光纤放大过程中具有较低的峰值功率，从而减少自相位调制等非线性效应的积累，还可以降低高峰值功率引入的器件损坏的可能[21]。随后，展宽脉冲经过集成于波分复用器内的光纤隔离器传输至保偏光纤放大器（图1下半部分）中，该光纤隔离器可以阻止有害的回光进入振荡器内影响锁模的稳定性。光纤放大器为正、反向混合泵浦配置，每个泵浦都可以提供高达680mW的泵浦功率。相比于正向泵浦，反向泵浦结构具有较高的光光转化效率。在保偏光纤放大器中，保偏增益光纤（ER80-4/125-PM，nLight Photonics）的长度约为85cm，该光纤在1530nm的吸收可以达到80dB/m，但其1550nm处的模场直径（～5.6μ m）与保偏传输光纤的模场直径相差较大，这种模场直径间的不匹配会增加光纤熔接间的模场失配损耗（～0.5dB）；值得一提的是，该保偏增益光纤可以在1550nm处提供正色散，加上光纤放大过程引入的非线性效应，最终使放大后的光脉冲具有正色散的特性，这为后续压缩器的研究提供了便利，仅选择可以提供负色散的保偏传输光纤（PM-1550 PANDA）即可实现脉冲的时域压缩。实验研究证明，脉冲压缩器的光纤长度约50cm时，输出脉冲具有最窄的时域宽度。

2　实验结果及讨论

2.1飞秒激光振荡器

组成飞秒激光振荡器的保偏光纤光路长度约为85cm，其中包括22cm长的掺铒保偏增益光纤。在实验中，激光谐振腔的调节主要依赖于SESAM的俯仰和左右倾斜以及非球面透镜与SESAM间的距离。一旦激光谐振腔达成共振，除了适当增加泵浦激光的功率外，还需要改变非球面透镜与SESAM间的距离来实现激光的锁模。图2的曲线为锁模脉冲输出的光谱图，此时泵浦光功率为230mW，锁模激光输出功率约为3mW，光谱的中心波长在1557nm处，半高全宽为7.4nm左右。就锁模光谱的对数坐标来看（实线），Kelly边带较明显地出现在激光光谱的两侧，证明该锁模机制为传统孤子锁模[22]，即激光谐振腔内的净色散为负；而根据实验所用光纤的色散参数分析，谐振腔内的净色散量约为-0.04ps2且无正色散提供，符合传统孤子的脉冲演化条件。图3（a）为锁模脉冲序列的射频谱曲线，实验所用的光电探测器带宽为2GHz。图3（a）中可以看到锁模脉冲的重复频率约为116MHz，其频谱的谐波整齐排列且无杂波出现。为检测锁模的长期稳定性，我们记录了重复频率的长期漂移情况，如图3（b）所示。在未封装情况下，激光振荡器在12h的运转过程中，重复频率漂移500Hz且未有失锁模的情况出现，这证明了该激光系统具有长期稳定锁模的特性。

图2　飞秒激光振荡器的输出光谱图

图3　飞秒激光振荡器锁模脉冲序列的射频谱曲线和12h的重复频率漂移曲线

我们也通过实验分析了锁模激光的输出功率随泵浦功率的变化情况。图4（a）为输出激光的光光转化效率曲线，产生激光的泵浦光阈值约为40mW，但较低的内腔功率使振荡器的锁模很难实现；当泵浦功率增加至110 mW左右时，激光从直流状态变化至锁模状态，随着泵浦功率的提升，光谱宽度不断增加，两侧Kelly边带也逐渐出现并越发明显。当泵浦功率为230mW时，激光输出功率为3mW左右，至此锁模都为稳定的基波锁模，进一步增加泵浦功率会导致输出光谱出现直流成分甚至破坏锁模状态；当泵浦功率提升至250mW时，锁模光谱重新变窄并且曲线光滑，光谱宽度随着泵浦功率的提高而再度增加，但此时的射频谱变得参差不齐，这主要是由于脉冲较高的峰值功率使其在谐振腔内传输时发生孤子裂变的原因，这一阶段的实验现象会随着泵浦功率继续增加而反复出现，即表明孤子裂变的数目也随着腔内峰值功率的升高也增加。当泵浦光功率为最大680mW时，振荡器的最大输出功率为8.5mW，这时的孤子裂变较为严重，不利于后续光纤放大和光学频率梳的载波包络相移频率产生的研究，因此我们将振荡器的泵浦功率降低回230 mW，在稳定的基波锁模状态进行后续实验研究。我们进一步利用自相关仪测量振荡器直接输出的脉冲宽度，图4（b）是强度自相关曲线，假设脉冲形状为双曲正割（sech2）类型，可以得知输出脉冲的宽度约为385 fs，计算所得的时间带宽积为0.352，稍大于理论值0.315，这可能是由于输出激光经过一段保偏光纤传输而引起了时域展宽的原因。

图4　飞秒激光振荡器输出光的光光转化效率曲线图和锁模脉冲宽度的自相关曲线

如上所述，实验实现了飞秒激光振荡器的长期锁模运转，锁模脉冲的重复频率为116MHz，输出功率约为3mW，脉冲宽度为385fs。激光振荡器的结构由全保偏光纤熔接构成，可以有效地抵抗环境干扰；锁模状态也可实现自启动且可以保持稳定运转。光路中仅有的SESAM空间聚焦光路也可以利用光纤元件的封装来实现系统的全光纤化，最终实现自启动、免维护、长期稳定锁模的飞秒激光振荡器研究。

2.2全保偏光纤放大器

飞秒激光振荡器输出的种子激光经过光纤展宽后，脉冲宽度增加到600fs左右，并进一步进入到放大器中实现光纤放大。放大的光光转化效率曲线由图5（a）给出，曲线中明显的斜率增大的位置是由于正向和反向泵浦配置的效率不同所致，光纤放大开始时使用的是正向泵浦方式，其放大的效率相对较低，随后利用反向泵浦则具有较高的效率。最终经过光纤放大后，输出功率最高可达218mW，相应的单脉冲能量近1.9nJ，整个放大的光光转化效率约为16%。

图5　全保偏光纤放大器的放大效率曲线图和放大脉冲输出光谱图

图5（b）为放大脉冲的输出光谱曲线。相比振荡器输出光谱，光纤放大光谱具有明显的调制，这主要是由于光纤放大过程中自相位调制等非线性效应所致[23]。在脉冲的功率升高过程中，实验中可以明显观察到光谱调制逐渐出现及光谱宽度逐渐增加的过程，而较宽的光谱在理论上可以支持更窄的脉冲，但是脉冲在光纤放大过程中经历了增益光纤提供的正色散以及非线性效应后具有一定的正啁啾，需要后续提供适当的负色散将脉冲压缩回较窄的宽度。根据理论计算及实验上多次尝试，脉冲压缩的光纤长度约为50cm时，输出脉冲具有最窄的脉宽，同样假设脉冲形状为双曲正割（sech2）型，脉冲的时域宽度最窄为42fs，图6为最窄脉冲宽度时的强度自相关曲线，由于压缩后脉冲的二阶色散补偿接近于0，三阶色散的作用表现越加明显，加上非线性效应的作用结果，最终脉冲的时域基底很难压缩干净，因此自相关曲线的两侧旁瓣稍显突出，该现象是不可避免的。

图6　全保偏光纤放大器输出脉冲宽度的自相关曲线图

总之，鉴于激光振荡器的输出脉冲具有较低的功率和较宽的脉宽，我们进一步利用全保偏光纤放大对振荡器输出的种子激光进行放大，最终输出脉冲的平均功率约为218mW，单脉冲能量将近1.9nJ；经高效率的光纤压缩后，脉冲宽度最窄可达42fs，该结果为后续超连续光谱的扩展及光学频率梳研究打下了良好基础。

3　结论

本文针对光学频率梳的实际应用需求，在实验上开展了自启动、长期稳定锁模的飞秒掺铒光纤激光源研究。该激光源主要由激光振荡器和全保偏光纤放大器组成，其中激光振荡器为线性腔结构，主要基于全保偏光纤和半导体可饱和吸收镜搭建，经实验参数的优化，最终激光振荡器输出脉冲的重复频率为116MHz，输出功率为3mW，直接输出的脉宽为385fs。后续光纤放大器为全保偏光纤配置，实验中通过光纤展宽、光纤放大及脉冲压缩等参数的优化，将激光振荡器输出的种子激光放大至218 mW，单脉冲能量近1.9nJ的量级，并利用最优长度的保偏光纤对放大脉冲进行时域压缩，最终输出最窄脉宽达到42fs。该激光系统具有结构紧凑、环境适应能力强以及锁模长期稳定等特点，不仅满足实验室内多研究领域对超短脉冲激光源的需求，还可以进一步扩展至实验室外环境的应用研究中，特别为光学频率梳的应用研究提供了实用化的光频梳齿产生激光源。

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Self-starting,long-term stable mode-locked femtosecond erbium-doped fiber laser source

ZHANG Long1，2，ZHANG Yan-yan1，2，JIANG Hai-feng1，2，ZHANG Shou-gang1，2（1.National Time Service Center，ChineseAcademy of Sciences，Xi′an 710600，China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，National Time Service Center，ChineseAcademy of Sciences，Xi′an 710600，China）

We demonstrate a self-starting，long-term stable mode-locked femtosecond erbium-doped-fiber laser in this paper，which includes a laser oscillator and a fiber amplifier.The laser oscillator consists of polarization maintaining fibers and a semiconductor saturable absorption mirror，possessing the superiority of high practicability and high reliability.It starts mode-locked state whenever the power is on.The direct output of the oscillator is about 3 mW with a repetition rate of 116 MHz and pulse duration of 385 fs.To improve the laser power，we develop an all polarization maintaining fiber amplifier，which increases the laser power to 218 mW，corresponding to～1.9 nJ of single pulse energy.The pulse duration is compressed to 42 fs by the nonlinear opticalamplifier and compressor.This laser source is a good candidate for the research of optical frequency metrology in critical environments.

mode-locked laser；erbium-doped fiber；optical frequency combs；soliton laser

TN21

A

1674-0637（2015）04-0193-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-04-0193-08

2015-05-26

国家自然科学基金资助项目（91336101，61127901）；中国科学院“西部之光”人才培养计划西部博士资助项目（2013ZD02）

张龙，男，博士，助理研究员，主要从事超短脉冲激光产生及应用，光学频率梳的研究。