色散管理掺铥光纤激光器高能量脉冲的产生

赵 铭，王天枢

(1.厦门大学嘉庚学院 信息科学与技术学院,福建 漳州 363105;2.长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心,吉林 长春 130022)

引言

2 μm锁模光纤激光器紧凑，稳定性高并且成本低，在激光雷达[1-2]、生物医疗[3-4]、中红外光源[5-7]、材料加工[8]等领域具有广泛的应用价值。但这些应用需要脉冲能量达mJ以上的掺铥光纤激光器。由于光纤在2 μm波段表现出负色散，大多数关于2 μm光纤激光器的报道局限于传统孤子[9-10]。传统孤子是由光纤激光器内的色散与非线性效应的平衡而产生。根据孤子面积理论[11]，谐振腔直接输出的传统孤子的脉冲能量一般小于0.1 nJ，很难达到mJ以上。为此，研究人员采用主振荡功率放大以及啁啾脉冲放大结构对谐振腔直接输出脉冲的脉冲能量进行放大。然而，在保持高质量脉冲输出条件下实现脉冲能量放大到mJ量级，会对主振荡功率放大以及啁啾脉冲放大结构提出更高的要求，造成脉冲能量放大部分结构复杂，成本高昂的问题。因此，需要对光纤激光器谐振腔进行设计以提高其直接输出脉冲的脉冲能量。

为了能够进一步提高谐振腔直接输出脉冲的能量，研究者通过向谐振腔内加入正色散成分使脉冲在谐振腔内经历周期性展宽和压缩，而避免了过多非线性相移的积累，使得脉冲能量突破0.1 nJ的限制[12]。这种基于色散管理的光纤激光器产生的展宽脉冲由于具有相对高的脉冲能量以及窄的脉冲宽度，在2 μm波段得到了广泛研究。2008年，Haxsen等人补偿腔内色散至-0.002 ps2时，实现了展宽脉冲的输出，其输出的脉冲能量为4 nJ[13]。2010年，Wang Qingqing等人对谐振腔进行色散管理，在腔内色散为-0.01 ps2时，实现了具有4.8 nJ的展宽脉冲输出[14]。在色散管理掺铥光纤激光器中除了能够实现具有高脉冲能量的展宽脉冲外，还可以产生由孤子崩塌效应引起的类噪声脉冲[15]。由于类噪声脉冲具有高能量、低相干性、宽光谱的特点，因此引起了众多研究人员的兴趣。2016年，Grzegorz Sobon等采用正色散补偿光纤将腔内色散补偿至净零色散区域，实现了0.16 nJ的类噪声脉冲输出[16]；又采用集成器件和自制的正色散补偿光纤补偿色散获得了具有更高能量的类噪声锁模脉冲输出，其脉冲能量为1.3 nJ[17]。

在1.5 μm波段，由于色散补偿光纤(DCF)以及具有正色散的掺铒增益光纤制作工艺的成熟，近零色散区域的展宽脉冲和类噪声脉冲得到了充分的研究。在2 μm波段，由于光纤材料的限制，使得补偿谐振腔腔内色散变得困难。虽然可以通过由光栅以及凸透镜组成的具有正色散的Martinez结构[13]以及自制正色散光纤[14]来补偿谐振腔腔内色散，但Martinez结构会破坏锁模光纤激光器全光纤化结构的优点，降低了光纤激光器的稳定性，且自制正色散光纤会提高了结构的成本，降低了实用价值。近年来，研究人员发现通过增大光纤的数值孔径以及减小纤芯直径使得光纤零色散波长移到更长的波长处，进而使光纤在2 μm波段表现出正色散。因此，易于集成以及成本低廉的高数值孔径光纤可以用于2 μm波段处谐振腔的色散管理[18-20]。

本文提出了一种基于色散管理的掺铥光纤激光器。在泵浦功率为610 mW时，适当地调节偏振控制器(PCs)，首先实现了脉宽为482 fs的展宽脉冲的输出，直接输出功率最大为15 mW，对应的单脉冲能量为0.52 nJ。在泵浦功率为645 mW时候，实现了尖峰脉宽为285 fs的类噪声脉冲输出，最大输出功率为20.4 mW，对应的单脉冲能量为0.7 nJ。相比于传统孤子0.1 nJ的脉冲能量，展宽脉冲以及类噪声脉冲的脉冲能量提高了5倍和7倍。并且由于采用商业化的超高数值孔径进行色散补偿使得所设计的色散管理掺铥光纤激光器具有全光纤化、低成本的特点，降低了脉冲能量放大部分的结构复杂性，有助于提高2 μm锁模光纤激光器的潜在应用价值。

1 系统结构

图1为色散管理掺铥光纤激光器实验结构。工作在1 560 nm波长的半导体激光器(LD)经1 W的掺铒放大器(EDFA1)放大后通过波分复用器(WDM)泵浦一段长0.16 m高掺杂掺铥光纤(TDF)。在环形腔中，普通单模光纤(SMF)和超高数值孔径光纤(UHNA4)用于管理腔内的色散。两个偏振控制器(PC1、PC2)以及一个偏振相关隔离器(PD-ISO)构成了非线性偏振旋转锁模结构。其中，PD-ISO的另一个作用是确保激光在环形腔中单向传输。一个10∶90的耦合器(OC1)的10%输出端用于输出激光，90%输出端用于腔内反馈。在OC1后接一个10∶90的OC2，10%输出端用于监测从谐振腔输出的脉冲的光谱以及波形。为探测脉冲的自相关迹，OC2的90%端的输出脉冲需经过掺铥放大器提升功率，掺铥放大器包括LD、5 W的EDFA2、3.5 m长掺铥光纤以及隔离器(ISO)。通过控制SMF以及UHNA4的长度、控制谐振腔内色散近零。谐振腔内所有无源器件尾纤均为SMF-28。腔内净色散可由下式得到。

βNET=βSMF×LSMF+βTDF×LTDF-

βUHNA4×LUHNA4

(1)

式中:βNET为谐振腔腔内的净色散;βSMF，βTDF和βkUHNA4分别为SMF，TDF和UHNA4在2 μm波段的色散，其色散值分别为-0.05 ps2/m， -0.085 ps2/m，+0.091 ps2/m;LSMF，LTDF和LUHNA4分别为SMF，TDF和UHNA4光纤长度，其长度分别为3.74 m，0.16 m和3 m。本实验中，腔内净色散为-0.05 ps2，接近于0 ps2，相对应的总腔长为6.9 m。

图1 色散管理掺铥光纤激光器实验结构图

输出锁模脉冲的光谱通过光谱分析仪(OSA, YOKOGAWA AQ6375)观测，其在2 μm波段最高分辨率为0.05 nm。脉冲通过2 μm高速光电探测器探测，其带宽可达10 GHz以上，上升沿时间为28 ps。脉冲信号在时域上通过示波器(OSC, Agilent DSO9254A)观测，其带宽为2.5 GHz，最高采样率为40 GSa/s。脉冲信号在频域通过频谱分析仪(FSA, Agilent N1996A)观测，其频率探测范围为100 kHz～3 GHz。锁模脉冲的自相关迹通过自相关仪(Femtochrome, FR-103XL)观测。

2 实验结果和讨论

实验中，调节泵浦功率至270 mW时，产生连续光。当继续增加泵浦功率至610 mW时，达到锁模阈值。通过调节PC1和PC2，可以实现稳定的单脉冲输出。由于放大器的功率限制，在最大泵浦功率1 W下，仍能保持单脉冲运行。在锁模阈值610 mW时，输出脉冲的光谱如图2(a)所示，从其光谱可以看出光谱光滑，没有典型的Kelly边带产生，表明该激光器工作在典型的展宽脉冲锁模区域[21]。中心波长和3 dB谱宽分别为1 939.4 nm和21.3 nm。图2(b)是其脉冲序列图，可以看出脉冲序列稳定均匀地分布在整个空间，每个脉冲幅度基本一致，脉冲间隔为34.5 ns，对应的重复频率为28.9 MHz，与腔长相对应。图2(c)为对应的自相关迹图，当未使用UHNA4光纤压缩时，输出脉冲自相关迹的半高全宽为1.72 ps。假设高斯拟合时，其对应的脉宽为1.22 ps。通过计算可得输出展宽脉冲的时间带宽积(TBP)为2.05，表明该输出脉冲具有较大的啁啾。在腔外采用一段6 m长的UHNA4光纤进行压缩，如图2(c)中的虚线所示，经过压缩后其脉冲宽度为482fs。图2(d)为其频谱图，信噪比大于53 dB，从其大范围的频谱图可以看出该激光器能够输出稳定的锁模脉冲序列。

增加泵浦功率至645 mW时，调节PCs可以获得不同于展宽脉冲锁模的锁模脉冲输出。在泵浦功率为645 mW时，光谱如图3(a)所示，相比于展宽脉冲，其3 dB谱宽从21.3 nm增加到23 nm。中心波长红移至1 940.1 nm。图3(b)是其脉冲序列图，相邻脉冲的脉冲间隔为34.3 ns，对应的重复频率为29.1 MHz。图3(c)为压缩前的自相关迹图，采用高斯函数拟合时，其具有一个宽度为10.12 ps的基底以及一个宽度为826 fs的尖峰，表明该激光器工作在典型的类噪声脉冲锁模区域。同样使用6 m长的UHNA4光纤进行压缩，压缩后的自相关迹如图3(d)所示。压缩后的基底宽为7.15 ps，尖峰宽为285 fs。图4为类噪声脉冲的频谱图，信噪比大于41 dB，从其大范围的频谱图可以看出该激光器能输出稳定的锁模脉冲序列。从图4可以看出，类噪声脉冲的信噪比低于展宽脉冲的信噪比，这是由于类噪声脉冲包络里是由大量的超短飞秒脉冲组成，降低了类噪声脉冲的相干性，因此信噪比相比于展宽脉冲要低。

图5为展宽脉冲和类噪声脉冲的输出功率与泵浦功率关系图，从图中可以看出输出功率与泵浦功率之间呈线性关系。对于展宽脉冲，当泵浦功率从610 mW增加至1 W时，输出功率可以从3.8 mW增加至15 mW。对于类噪声脉冲，当泵浦功率从645 mW增加至1 W时，输出功率可以从4 mW增加至20.4 mW。对应的展宽脉冲和类噪声脉冲的脉冲能量分别为0.52 nJ和0.7 nJ，其脉冲能量都明显高于传统孤子的极限脉冲能量。

图2 展宽脉冲锁模

图3 类噪声脉冲锁模

图4 类噪声脉冲锁模频谱图

图5 展宽脉冲和类噪声脉冲的输出功率与泵浦功率关系图

在色散管理腔中，当腔内净色散趋近于0时，由于脉冲在腔内经历更明显的脉冲呼吸过程(即脉冲在负色散光纤和正色散光纤中经历压缩和展宽的过程)，使得脉冲的脉冲能量随着腔内净色散趋近于0而增大。然而，当我们继续增加腔内UHNA4光纤长度使腔内色散趋近于0时，展宽脉冲和类噪声脉冲的脉冲能量逐渐降低。这是由于UHNA4光纤的传输损耗以及与单模光纤的拼接损耗造成的。当脉冲在腔内经历多次循环后，虽然脉冲的脉冲能量能够得到提高，但所提高的脉冲能量低于由于过长的UHNA4光纤引入的传输损耗以及与单模光纤的拼接损耗。因此，展宽脉冲和类噪声脉冲的脉冲能量反而降低。为此，下一步可以采用具有更高正色散的光纤如微纳光纤以及新的拼接工艺降低腔内损耗，从而能够实现具有更高脉冲能量的脉冲输出。

3 结论

研究了一种色散管理掺铥光纤激光器，利用SMF以及UHNA4光纤管理谐振腔色散，使腔内色散处于净零色散区域。通过增加泵浦功率以及适当地调节PCs，实现了具有高脉冲能量的展宽脉冲和类噪声脉冲输出。经过UHNA4光纤压缩后，展宽脉冲的脉冲宽度为482 fs，类噪声脉冲的尖峰宽为285 fs以及基底宽为7.12 ps。展宽脉冲和类噪声脉冲的最大输出功率分别为15 mW和20.4 mW，对应的最大单脉冲能量分别为0.52 nJ和0.7 nJ。此外，可以采用具有大正色散的微纳光纤以及新的拼接工艺的方法降低谐振腔的腔内损耗，进一步提高展宽脉冲和类噪声脉冲的脉冲能量。相比于传统孤子，本文所实现的具有高脉冲能量的展宽脉冲和类噪声脉冲可作为理想的主振荡功率放大结构以及啁啾脉冲放大结构的种子源，提高2 μm光纤激光器在中红外光源、材料加工等应用中的潜在价值。