掺铒单模光纤飞秒脉冲激光器和放大器

2021-01-20曾和平

光学仪器 2020年6期

曹顺，郝强，曾和平

（1．上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2．华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062）

引言

处于人眼安全波段以及通讯窗口的1.5 μm波段超短脉冲激光器在太赫兹产生、光通信、生物光子学等领域有着重要的应用[1-4]。超短脉冲光纤激光器大多依赖于被动锁模技术来搭建[5]，诸如非线性放大环形镜（nonlinear amplification loop mirror, NALM）锁模[6]、半导体可保和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror, SESAM）锁模[7]和非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation, NPR）锁模[8]。NALM具有可靠性高、背景噪声低优点，但其对非线性相位累积需求较高，致使锁模阈值较高[9]。2018年，高婉丽等利用NALM锁模获得重复频率257 MHz、脉冲宽度44.6 fs、输出功率104 mW的超短脉冲[10]。NPR具有装置简单、易于搭建、锁模自启动等优点，但NPR采用非保偏结构，工作状态易受外界环境影响[11]。尽管已有基于保偏光纤NPR锁模的报道，但温度对光纤折射率的影响这一因素并未解决，仍然会影响锁模[12-13]。2019年，马挺等利用NPR锁模获得重复频率100 MHz、脉冲宽度39 fs、输出功率94.5 mW的超短脉冲[14]。SESAM锁模技术具有阈值低、自启动、结构简单等优点[15]，在实际应用中备受关注。2017年，陈炯等通过腔内色散补偿方法，采用透射式SESAM实现了重复频率82.84 MHz、输出功率10 mW、脉冲宽度381 fs的脉冲[16]。2016年，Yu等利用饱和吸收体锁模经过双级放大以及后续压缩结构得到了重复频率200 MHz、输出功率320 mW、脉冲宽度34 fs的超短脉冲[17-18]。

太赫兹（THz）作为21世纪最重要的新兴学科之一，在人体安检、无损检测、医学检测等领域有着重要应用[19]。在THz时域光谱技术研究和应用上，超短脉冲激光激发光电导天线是较为常用的方案。光电导天线的激发功率通常为平均功率30 mW、脉冲宽度小于100 fs。因此，需要小型化、集成化、满足THz时域光谱测试技术的掺铒光纤激光器。本文搭建了基于全保偏光纤的掺铒光纤锁模振荡器，并通过一级单模光纤放大器，获得了重复频率100 MHz、输出功率30 mW、脉冲宽度80 fs的超短脉冲。放大器部分的实验结果与理论模拟结果相符。此外，将1 550 nm飞秒脉冲在PPLN晶体中进行光学倍频，进一步获得了输出功率5 mW、中心波长780 nm的飞秒脉冲。

1 实验装置

实验装置如图1所示，其中SESAM为半导体可饱和吸收镜；WDM为波分复用器；CP/ISO为耦合器和隔离器的复合器件，Coupler 1的分光比为20∶80，Coupler 2的分光比为5∶95；ESF为负色散掺铒单模光纤；LD1、LD2、LD3为激光二极管，中心波长为974 nm，最大输出功率为400 mW；ISO为隔离器；Tap为监测激光器锁模端口；WDM/CP3为波分复用器和耦合器的复合器件，Coupler 3的分光比为50∶50；EDF为正色散掺铒单模光纤；PM1550为保偏单模1 550 nm光纤；Output为激光器输出端口；L1为镀1 550 nm增透膜的聚焦透镜，焦距为5 mm；PPLN为周期极化铌酸锂晶体，极化周期20.9 μm，厚度0.3 mm；L2为镀780 nm增透膜的准直透镜，焦距为5 mm。

图1 光路实验装置图Fig. 1 Schematic of the optical experimental setup

该全保偏SESAM被动锁模光纤振荡器的工作原理为：当脉冲经过SESAM时，脉冲中心部分能量高，SESAM处于“漂白”状态，透过率高，脉冲中心部分被反射回腔内；相反，脉冲边沿部分能量低，被SESAM吸收，实现脉冲窄化。经过无数次循环后，最终形成稳定锁模脉冲。由976/1 560 nm WDM将974 nm的抽运光耦合进谐振腔的增益光纤ESF上，该ESF光纤的色散为-20.5 fs2/mm，纤芯直径为7 μm、数值孔径为0.15。通过分光比为20∶80的Coupler，将20%的能量作为种子脉冲输出，种子脉冲经过ISO后，进入掺铒单模光纤放大器（EDFA）。放大器采用双向泵浦放大技术，选用EDF作为放大器的增益介质，该EDF的色散为33 fs2/mm，纤芯直径为5 μm、数值孔径为0.27。之后，通过分光比为50∶50的Coupler将其分成两路，分别经过色散值为-22 fs2/mm的单模光纤（SMF）进行色散补偿。其中，一路为Output1，输出1 560 nm超短脉冲；另外一路为Output2，通过PPLN晶体倍频输出780 nm波长的超短脉冲。

2 结果与讨论

2.1 振荡器实验结果

搭建重复频率为100 MHz的锁模光纤振荡器，根据腔长计算公式f=c/nL，其中c为光速，n为光纤折射率，L为振荡器腔长，计算出对应总腔长为2.05 m。增益光纤的长度对激光器的状态和参数有较大的影响。当增益光纤过短时，造成振荡器的增益不足，不容易达到振荡器的锁模阈值；当增益光纤过长时，会产生增益介质的自吸收，同样难以实现锁模。实验中，发现当ESF长度为70 cm时，振荡器较容易实现锁模。考虑到ESF和SMF的色散值分别为-20.5 fs2/mm和-22.0 fs2/mm，可得出腔内净色散为-0.044 ps2。泵浦功率小于锁模阈值时，增益小于腔内损耗，腔内形成不稳定的调Q脉冲；当泵浦功率达到100 mW锁模阈值时，振荡器可实现自启动锁模，输出功率为4 mW。图2（a）是通过示波器显示的锁模脉冲序列图，可以看出振荡器重复频率约为100 MHz。当泵浦功率大于锁模阈值时，增加泵浦功率将导致基频脉冲分裂，形成多脉冲锁模。新产生的脉冲在孤子引力作用下向中心移动，当腔内孤子脉冲等间隔分布时，相互作用力停止，此时出现高次谐波锁模现象[20]。图2（b）是由自相关仪测得振荡器输出脉冲的自相关曲线。当采用双曲正割拟合时，脉冲宽度τ为1.27 ps。图2（c）是用光谱仪测得的输出光谱，中心波长为1 563 nm，半高全宽为11 nm。由于振荡器为全负色散振荡器，光谱两边出现了较为明显的一阶克利边带，是典型的孤子锁模脉冲。依据脉冲宽度和光谱宽度得知，种子脉冲的时间带宽积为1.72，约为变换极限的5.5倍。

图2 锁模振荡器输出的脉冲序列、脉冲宽度和光谱Fig. 2 Pulse characters of mode-locked oscillator, pulse duration and spectrum

2.2 放大器数值模拟

超短脉冲在光纤中传输演化过程遵循非线性薛定谔方程[21]。

式中：A为脉冲包络变化振幅；α为光纤的增益或损耗系数；γ为非线性系数；β2为二阶群速度色散（GVD）；ω0为入射超短脉冲的中心频率。为了实现输出功率30 mW、脉冲宽度80 fs的参数指标，我们对脉冲在光纤中的传输过程进行了数值模拟。在数值模拟超短脉冲在光纤中的传输过程时，需要设定传输光纤的主要参数，包括光纤的增益系数、非线性系数、光纤长度、二阶色散值，以及入射超短脉冲的主要参数，包括脉冲宽度、单脉冲能量。本文主要模拟了脉冲放大和压缩两个过程，这两个过程分别在两段光纤中进行。第一个为脉冲在增益光纤中放大过程，光纤参数：α=4 dB/m、γ=4 W-1·km-1、光纤长度为2.9 m的正色散掺铒增益光纤，β2=33 fs2/mm。输入脉冲的脉冲宽度为1.27 ps、单脉冲能量为0.04 nJ。通过调节初始脉冲的群色散延迟，图3（a）是脉冲经增益光纤放大后的脉冲宽度，脉冲宽度为3.52 ps。图3（d）是相应的输出光谱，光谱的半高全宽为14.1 nm。依据脉冲宽度和光谱宽度得知，时间带宽积为6.11，约为变换极限的19.4倍，说明放大后的脉冲是可以被压缩的。第二个为放大后的脉冲在单模光纤中的压缩过程，光纤参数：α=-0.2 dB/km、γ=2 W-1km-1、长度为2.82 m的负色散单模光纤，β2=-22 fs2/mm。输入脉冲的脉冲宽度为3.52 ps、单脉冲能量为0.6 nJ。图3（b）是脉冲经单模光纤压缩后的输出脉宽，脉冲宽度为83 fs。图3（e）是相应的输出光谱，光谱的3 dB带宽为42.7 nm。依据脉冲宽度和光谱宽度得知，时间带宽积为0.437，约为变换极限的1.39倍。我们采用控制变量方法深入研究脉冲宽度随单脉冲能量和光纤长度的变化关系，如图3（c）所示，保持压缩光纤长度不变，改变入射脉冲的单脉冲能量。当光纤长度不变时，压缩系统中GVD总量不变，初始输出脉冲经增益放大后带有正啁啾，随着入射脉冲能量的增加，非线性效应增强，自相位调制（SPM）积累的频率正啁啾逐渐增强，当其与系统的负GVD相抵消时，获得最窄输出脉冲。继续增加入射脉冲的单脉冲能量，此时SPM积累的频率正啁啾超过了压缩系统的负GVD，导致输出脉冲被展宽。仅改变单模光纤长度时，如图3（f）所示，脉冲在SPM和GVD的共同作用下，呈现出先压缩后展宽的状态。在实际实验过程中，可以通过调节泵浦功率改变入射脉冲的单脉冲能量，进而改变光纤非线性强度；通过调节单模光纤长度，改变GVD，当二者达到平衡时，可以获得最窄输出脉冲。

2.3 放大器实验结果

为了验证数值模拟结果，我们搭建了双向泵浦的光纤放大器，如图1所示。放大器选用2.9 m EDF作为增益光纤，通过调节泵浦功率的大小和改变SMF的长度，当前向和后向泵浦功率各为130 mW、SMF长度为2.82 m时，放大器输出功率为32 mW，如图4（c）所示，对实验进行了14 h的功率稳定性测试：1min内功率抖动为0.6%；10min内功率抖动为0.9%；14 h内功率抖动为1%。图4（a）是用自相关仪测到相应输出脉冲的自相关曲线，当采用双曲正割拟合时，脉冲宽度为85 fs。从脉冲自相关曲线中计算出，拟合后脉冲主峰能量占实际脉冲主峰能量的85.35%。图4（b）是用光谱仪测得的相应输出光谱，光谱的3 dB带宽为38.3 nm、中心波长为1 560 nm。依据脉冲宽度和光谱宽度得知，时间带宽积为0.401，约为变换极限的1.27倍，已经接近变换极限。数值模拟超短脉冲传输时，忽略了三阶色散效应对脉冲传输的影响。在实际操作过程中，由于选用光纤的非线性系数和模拟参数不同，加上光纤熔接损耗等因素的影响，导致实验结果与数值模拟存在差异但大致吻合。

图3 放大器数值模拟结果Fig. 3 amplifier numerical simulation results

将1 560 nm超短脉冲激光在PPLN晶体中进行光学倍频，通过调节聚焦到PPLN晶体上的位置和PPLN晶体的倍频通道，获得最大倍频功率为5 mW。图5（a）是采用自相关仪测得的倍频输出脉冲的自相关曲线。当采用双曲正割拟合时，脉冲宽度为100 fs。图5（b）是用光谱仪测到相应的输出光谱，可以看出中心波长为780 nm。