基于锁模技术的光纤脉冲激光研究

李晓辉,杨昌兴,赵 阳,王亚民,王 鹏

(陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119；西安市光信息调控与增强技术重点实验室，陕西 西安 710119)

具有极窄脉冲宽度的超短光脉冲，在物理、生物、化学以及半导体等领域中的微观超快过程中具有潜在的应用价值；又因其具有高能量和宽光谱特点，在激光微处理、激光打标、激光治疗以及高速光通信等领域也有重要应用[1-4]。近年来，超短脉冲光纤激光器已经成为众多研究学者青睐的研究方向。一般来说，锁模是得到超短光脉冲激光最有效的方法,其中主动锁模结构复杂，成本高，且由于调制器调制频率的限制其很难实现飞秒(fs)量级脉宽；而被动锁模因为依靠谐振腔自身锁模，因而可以产生飞秒(fs)量级的超短脉冲，且其谐振腔具有结构简易、体积小、易启动等特点。2003年，Oilday等[5]提出利用非线性光学环镜(NOLM)技术实现脉宽50 fs的无光波分裂脉冲输出。此外，被动锁模技术可以产生高重复频率的谐波锁模脉冲输出，自1992年Grudinin等[6]首次报道了铒镱共掺光纤激光器被动谐波锁模的实验观察以来，这方面取得了一些重要进展。例如，使用重掺杂或双包层有源光纤来缩短整个激光腔的长度，使用半导体可饱和吸收体或相位调制器来缩放和稳定重复率[6-9]；2020年，Feng等[10]将二维韧性过渡金属硫属化合物Ag2S集成到光纤激光器中作为可饱和吸收体实现了谐波锁模，并首次实现了基于SnS可饱和吸收体的谐波锁模[11]。

在获得超短光脉冲技术中，较传统激光器而言，基于NPR效应的被动锁模光纤激光器具有精简紧密的谐振腔、高损伤阈值以及短响应时间等优势[12-13]。1992年英国科学家Matsas等[14]第一次把NPR技术运用到自启动被动锁模光纤环型激光器中，得到了稳定的纳秒量级的孤子脉冲输出；2007年，Tang等[15]利用NPR锁模的掺铒光纤激光器，通过有效控制腔内非线性，获得了脉宽窄至47 fs的脉冲输出；Ma等[16]搭建了非线性偏振旋转被动锁模掺铒氧化锆光纤激光器，实现了脉冲宽度为0.32 ps的脉冲输出。与此同时，利用NPR技术来获得谐波锁模脉冲输出也取得了一定的进展。2007年，Zhang等[17]展示了一种基于NPR效应的被动谐波锁模掺铒光纤环型激光器，实验证明其可伸缩重复频率高达1.2 GHz，且在439 MHz和1.145 GHz下，谐波锁模脉冲串的超模抑制率分别为40 dB和30 dB。此外，学者对NPR 锁模光纤激光器还实现了展宽脉冲、自相似脉冲和耗散孤子脉冲的输出[18-20]。调节NPR锁模光纤激光器相关参数可以实现如孤子分子、耗散孤子共振等各类孤子的动力学特性[21-24]。

本文利用NPR 锁模掺铒光纤激光器，实现了中心波长为1 568.4 nm、脉宽为675 fs、 3 dB带宽为10 nm、重复频率为27.8 MHz 的典型传统孤子脉冲输出。随泵浦功率的上升，获得了重复频率为139 MHz、脉冲持续时间为535 fs的五次谐波脉冲输出，同时从其光谱和自相关轨迹表明它是四阶束缚态五次谐波锁模脉冲输出。

1 实验结构和原理

利用非线性偏振旋转锁模技术搭建的环状掺铒光纤激光器，实验光路图如图1所示。采用中心波长为980 nm 的半导体激光当作泵浦源；利用波分复用器 (WDM：980/1 550 nm) 来耦合980 nm 的光，并将耦合后的光注入激光器腔中运转；利用长为0.8 m 的增益掺铒光纤(Er110-4/125，110 dBm)，使整个腔内的增益大于损耗，实现粒子数反转；其余光纤采用标准单模光纤 (SMF-28) 来积累更多的非线性相移。该非线性偏振旋转锁模激光腔全长约为7.2 m，锁模稳定时对应脉冲序列的基频重复率27.8 MHz。偏振相关隔离器(PD-ISO)用来确保激光在整个腔内顺时针定向输送，防止额外的激光损坏其他光学设备，与此同时使激光的偏振态变成线偏振光。偏振控制器(PC)用来优化输出激光的偏振态和调整腔内的双折射。最后激光经过一个30∶70的输出耦合器(OC)，其中30%的激光输出腔外用于探测分析，而剩余70%的激光继续在腔内持续来回振荡。采用1 GHz 数字示波器(Rigol DS6104)和2 GHz 光电探测器(Thorlabs DET01 CFC)测量输出激光的脉冲序列，利用光谱分析仪(Anritsu MS9710C)测量输出激光的光谱特性，并利用自相关仪(autocorrelator FR-103XL, FEMTOCHROME)检测脉冲持续时间。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device diagram

谐振腔中可饱和吸收体对弱光的大量吸收，以及对强光的大量透射是被动锁模机制产生锁模脉冲的核心[25-26]。NPR锁模光路中的偏振相关隔离器产生等效可饱和吸收效应。利用同一脉冲的自相位调制(self-phase modulation，SPM)和交叉相位调制(cross-phase modulation，XPM)效应，引起该脉冲的偏振态对强度的依赖，让不同强度光脉冲积累不同的非线性相移，从而造成不同强度的光脉冲的偏振态有不同程度的偏振旋转，即偏振旋转角与强度相关。最后经过起偏器的作用，从而产生等效可饱和吸收效应来完成锁模脉冲窄化，这是非线性偏振旋转技术的核心环节[27]。在图1中，经过掺铒光纤后的激光，由于偏振相关隔离器的作用使激光的偏振态变为线偏振态，接着又因PC 的作用产生相位延迟，使光的偏振态又从线偏振光变成椭圆偏振光，从而继续在光纤中输送。脉冲在光纤中输送时，由SPM和XPM 效应让不同强度的光脉冲积累不同的非线性相移作用到椭圆偏振光的两个垂直分量上，使不同强度脉冲各个部分的偏振态有着大小不同的偏振旋转，最后产生不同于之前偏振态的脉冲。我们可以通过调节PC，让脉冲中部的偏振态变成线偏振态且与偏振相关隔离器中检偏器的主轴保持一致，这样就能使脉冲中部经过检偏器时的损耗最小，而脉冲边缘部分经过检偏器后被吸收，即脉冲通过NPR系统后被不断窄化，从而实现锁模输出。

2 实验结果与分析

实验中，观察到激光器开始输出连续光时，泵浦功率为25 mW，当泵浦功率增加到约146 mW 时，通过调节PC 至合适的角度，得到了重复频率为27.8 MHz的稳定传统孤子锁模脉冲输出。中心波长为1 568.4 nm的锁模脉冲光谱如图2a所示，该光谱的3 dB 带宽为10 nm，光谱两侧分布的克利边带表示该锁模光纤激光器运转在传统孤子状态，且观察到在光谱中心的左侧出现连续波(CW)分量。传统孤子激光由光纤中的非线性效应和色散的平衡所造成，而克利边带的形成由谐振腔内的连续光和孤子脉冲干涉所导致[6]。如图2b所示，用高斯拟合得到宽为1.039 ps的半高全宽，对应的脉冲持续时间为675 fs，且输出脉冲的时间带宽积(TBP)约为0.823，该结果表明腔内脉冲有轻微的啁啾。输出激光的脉冲序列如图2c所示，可以看到腔内均匀分布着脉冲强度基本相等的孤子脉冲，且相邻脉冲的时间间隔约为36 ns，与7.2 m腔长对应的基频锁模重复频率约27.8 MHz 相匹配，进一步表明该脉冲序列为传统孤子脉冲，激光器运转在传统孤子锁模状态下。

图2 激光器输出的传统孤子特性光谱(a)、自相关曲线(b)及脉冲序列(c)Fig.2 Traditional soliton characteristics of laser output spectrum(a), autocorrelation curve(b) and pulse sequence(c)

继续增加泵浦功率，仍能保持锁模状态，其光谱衍化图如图3a所示。从图中我们可以明显的观察到，当泵浦功率增加到249.6 mW 时，脉冲光谱图上面开始出现毛刺，这是典型的束缚态锁特征。原因是随着泵浦功率的增加，孤子脉冲分裂。中心波长为1 570 nm且光谱的调制周期为0.34 nm 的四阶束缚态锁模脉冲的光谱如图3b所示，该调制周期与相邻子脉冲间的时域间隔相匹配，可以观察到克利边带和出现在光谱中心左侧的连续波(CW)分量，连续波分量与脉冲的相互作用也有助于激光腔内脉冲的均匀分布。与此同时，也观察到了该脉冲为五次谐波锁模，该锁模脉冲的脉冲序列如图3c所示，相邻脉冲的时域间隔为7.2 ns，与其相匹配的重复频率为139 MHz。图3d为该脉冲的自相关曲线，可以观察到该脉冲的自相关曲线是对称分布且中心具有极大值，有4个均匀分布的脉冲，为四阶束缚态。高斯拟合得到该脉冲的半高全宽为0.824 ps，对应的脉冲宽度为535 fs，相邻脉冲之间的间隔为24.07 ps，光谱的调制周期为0.34 nm，与实验光谱中观察到的调制周期相匹配。束缚态光谱的调制周期与T子脉冲之间的时域间隔Δλ满足下列关系[28]

图3 激光器的光谱随泵浦功率的演化(a)束缚态锁模状态下的光谱(b)、脉冲序列(c)、自相关曲线(d)Fig.3 The vaiation of pulse spectra with pump power(a), spectrum(b) and pulse sequence(c) and autocorrelation curve(d) of harmonic mode-locked state

(1)

其中:λc为中心波长;c为真空中光速。

继续增加功率，发现在一定功率范围内脉冲能够稳定存在，且光谱的调制周期保持不变。泵浦功率增加到368 mW时还能观察到谐波锁模现象，表明它不依赖于泵浦光功率，是一种稳定的工作模式。对此分析发现，脉冲是由基本腔频的多脉冲群聚演化而来的四脉冲群聚的谐波锁模，即在一个聚束多脉冲包络下，存在多个脉冲随机分布和自调整位置。

通过本次实验，发现NPR系统的结构简单紧凑，成本低，且可以观察到多种脉冲现象，得到了孤子脉冲、四阶束缚态的五次谐波锁模脉冲，并且它在获得飞秒级别的脉冲输出时具有很大的优势。在此基础上，可以考虑通过对整个锁模激光器引入色散管理，调节谐振腔内的色散，利用色散补偿作用使输出的光谱更加平坦；也可以采用反向泵浦结构，使激光器具有更强的稳定性。

3 结 论

本文基于非线性偏振旋转技术，在非线性偏振旋转锁模掺铒光纤激光器中获得了中心波长位于1 568.4 nm处、脉冲持续时间为675 fs、重复频率为27.8 MHz的传统孤子脉冲输出。同时，随着泵浦功率的上升，还观察到了重复频率为139 MHz和脉冲宽度为535 fs的四阶束缚态五次谐波锁模脉冲输出。无源谐波锁模中的一种机制为由基本腔频的多脉冲群聚演化形成谐波锁模，其频率为腔基频的倍数。在将来的工作中，可以继续利用NPR技术，通过改变腔长、调整增益光纤的长度来获得多脉冲聚束的谐波锁模，从而获得更高重复频率的谐波锁模输出。