双波长可切换方波类噪声锁模线形光纤激光器

耿 旭,汪徐德,潘婕妤,孙梦秋,杨思敏

(淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽 淮北 235000)

1 引 言

被动锁模光纤激光器作为一种理想的激光光源,广泛应用于医疗,材料处理,传感以及光通信等领域[1]。为了获得脉冲输出,人们提出了各种各样的可饱和吸收体应用于光纤激光器中以实现锁模操作。通常情况下,可饱和吸收体大致分为两类:真实材料可饱和吸收体和类可饱和吸收体。真实材料可饱和吸收体主要有半导体可饱和吸收镜以及以石墨烯为代表的二维材料可饱和吸收体[2-3]；类可饱和吸收体主要有非线性偏振旋转以及非线性放大环形镜[4-5]。借助于上述的锁模方法,在光纤激光器中已成功获得了各种类型的锁模脉冲[6-8]。随着光纤激光技术的发展以及高能量脉冲在材料加工等领域有着重要的实际应用价值,人们对利用光纤激光器获取高能量脉冲的研究兴趣日益浓厚。与真实可饱和吸收体相比,类可饱和吸收体具有全光纤结构、损伤阈值高等优点,被认为是产生高能量脉冲的可靠锁模方式。

到目前为止,人们已利用各种锁模机制获得高能量脉冲,如自相似脉冲,耗散孤子共振和类噪声脉冲[9-11]。与前两种脉冲相比,类噪声脉冲的形成对腔参数要求不高,因此更容易在光纤激光器中产生。通常情况下,类噪声脉冲具有高斯形脉冲轮廓,但近几年的研究发现,在长腔情况下,由于腔内高非线性和峰值钳制效应,类噪声脉冲往往呈现出方形轮廓[12]。随着泵浦功率的增大,脉冲宽度可以展宽至几十纳秒,而峰值功率几乎保持不变,这一演化特性与方波耗散孤子共振极为相似[13]。因此,与传统孤子脉冲相比,方形类噪声脉冲可以获得微焦量级的高能量[14],是产生高能量脉冲的有效方式之一。实验表明,方波类噪声脉冲的产生不受光纤激光器锁模方法、工作波长以及色散区域的限制。2014年,Zheng等人在“8”字形掺铒光纤激光器中报道了高能量类噪声方波脉冲,最大脉宽76 ns,单脉冲能量为135 nJ[15]。2018年,Zhao等人在“9”字形钬铥共掺光纤激光器中获得方波耗散孤子共振和方波类噪声脉冲[16]。2019年,Pan等人在掺镱光纤激光器中获得了6.5 ns的方波类噪声脉冲和阶梯状方形脉冲[17]。2020年,Dou等人通过搭建的哑铃形铒镱共掺光纤激光器得到了中心波长在1661 nm高能量的类噪声方波脉冲[18]。尽管方波类噪声脉冲已得到了大量研究,但大部分的研究主要集中在单波长环形腔(或“8”字腔)光纤激光器中,线形腔结构的光纤激光器中获得方波类噪声脉冲还少有报道。因此,在线性光纤激光器中获得具有其他动力学特性的类噪声脉冲,比如双波长可切换方波类噪声脉冲,值得进一步的探索和研究。

本文报道了基于非线性偏振旋转(NPR)技术的线形腔结构双波长可切换方波类噪声光纤激光器,该激光器可以在中心波长1530 nm和1563 nm处分别获得方波类噪声脉冲,方波脉冲的宽度随泵浦功率的增加而展宽,最大脉冲宽度分别可达12 ns和26 ns。通过调节腔参数,也可在1530 nm和1563 nm两波长处同时实现双波长锁模,锁模脉冲呈阶梯状,脉冲宽度达5 ns。实验结果为多波长高能量光源的设计提供了一定的借鉴。

2 实验装置

基于NPR技术的双波长可切换方波类噪声脉冲光纤激光器的实验装置如图1所示,与环形腔不同,激光器采用两个光纤反射镜(OFM)构成线形腔结构,OFM置于激光腔的两端,确保光在腔内来回反射。增益介质为约5 m长的掺铒光纤(EDF),铒纤的色散系数-18.5 ps/(nm·km),通过980 nm泵浦源对其进行泵浦。两个偏振控制器(PC)与一个起偏器组合构成锁模器件,实现非线性偏振旋转技术锁模。为了增加腔的克尔非线性和调节色散值,腔内还接入了一段300 m长的单模光纤(SMF)[19],单模光纤的色散系数为17 ps/(nm·km)。整个线性腔的长度为318.5 m,激光在腔内来回绕行一周经过的光纤长度约为637 m,净腔色散值为-6.67 ps2。输出端口为一个70:30的耦合器,可将30 %能量的激光输出腔外用于各种仪器的探测。

图1 基于线形腔结构的方波类噪声光纤激光器实验装置图Fig.1 Experimental setup of square noise-like pulse fiber laser based on linear-cavity configuration

3 实验结果与讨论

由于NPR具有类可饱和吸收效应,因此通过适当调节泵浦功率,激光器在阈值为120 mW时可达到锁模状态。图2(a)展示了激光器输出的光谱,光谱中心波长1530 nm,3 dB带宽为8 nm,光谱形状光滑,与典型的类噪声光谱相符合[20]。图2(b)是对应的脉冲序列,可以看出此时相邻脉冲间隔为3.1 μs,对应基频重复频率是322.5 kHz,与激光在线形腔中往返一周所需时间相一致。图2(b)的插图为单个方波脉冲,脉冲前后沿陡峭顶部平坦,测量得到脉宽为12 ns,脉冲能量为4.43 nJ。方波脉冲的射频谱如图2(c)所示,可以看到射频谱峰值位于322.5 kHz处,表明激光器工作在基频状态,此时信噪比约为48 dB,表明锁模工作稳定。图2(c)的插图是大扫宽范围下射频谱,在120 MHz的扫宽范围内,射频谱包络呈现出周期性的调制结构,调制周期约为83 MHz,与方波脉冲宽度成反比[21]。为了确定锁模的运作状态,我们采用自相关仪测量方波的自相关迹,如图2(d)所示。可以看出自相关迹由一个很宽的矩形基座和一个很窄尖峰组成,尖峰和基座的强度比约为2∶1,这是典型的类噪声脉冲的自相关迹曲线[22],表明此方波锁模状态为类噪声锁模。适当调节偏振控制器和泵浦功率,激光器可以切换到1563 nm处实现锁模,如图2(e)所示。图2(e)展示了泵浦功率500 mW时中心波长1563 nm的锁模光谱,光谱形状光滑,3 dB带宽为9 nm。图2(f)给出了对应的脉冲序列和单个方波脉冲,脉冲周期是3.1 μs,方波脉冲宽度为26 ns。脉冲输出功率和单脉冲能量分别为4.45 mW和13.7 nJ。

图2 方波类噪声脉冲Fig.2 Square noise-like pulses

频谱仪观察其信噪比约为47dB,大范围射频谱呈周期调制,调制周期约为38.4 MHz,与26 ns的方波脉冲宽度成反比。通过自相关仪测出的自相关迹是典型的类噪声自相关迹曲线,表明1563 nm处实现锁模状态仍然为类噪声锁模。

由于峰值功率钳制效应的影响,在泵浦功率变化时,方形脉冲幅度保持不变,而脉冲宽度随泵浦功率的变化而变化。图3展示了激光器在1530 nm和1563 nm处类噪声方波脉冲随泵浦功率增大时光谱和脉冲的演化过程。可以观察到随着泵浦功率从180 mW增大到500 mW,光谱的强度逐渐增强,而光谱轮廓几乎保持不变,其中心波长分别稳定在1530 nm和1563 nm,3 dB带宽始终保持在8 nm和9 nm附近。对应的时域演化中,方波脉冲宽度不断增大,同时脉冲幅度保持不变,脉冲形状始终保持为规则的矩形轮廓。图3(c)和图3(f)分别给出了两处中心波长脉冲宽度和输出功率随泵浦功率的变化关系,从图中可以看到类噪声脉冲的宽度和输出功率随着泵浦功率的升高几乎成线性增加的趋势。当泵浦功率从180 mW增大到500 mW,1530 nm方波脉冲宽度从5 ns展宽到12 ns,输出功率从0.59 mW增大到1.43 mW,对应单脉冲能量从1.82 nJ增大到4.43 nJ。考虑到30 %的能量输出,腔内最大的脉冲能量可达14.7 nJ。

图3 1530 nm和1563 nm处方波类噪声锁模的演化过程Fig.3 Evolution of square noise-like mode locking at 1530 nm and 1563 nm

根据测量的脉冲参数,可知腔内峰值功率保持在1.2 W左右；1563 nm方波脉冲宽度从5 ns均匀增加到26 ns。输出功率从0.85 mW增加到4.45 mW,对应的单脉冲能量从2.63 nJ增加到13.7 nJ。腔内最大的脉冲能量为45.6 nJ。峰值功率约为1.75 W。

除了在1530 nm和1563 nm处实现波长可切换锁模操作,光纤激光器还可以在两个波长处同时实现锁模。当泵浦功率调节到500 mW时,仔细调节偏振控制器,可观察到双波长类噪声锁模如图4所示。图4(a)展示了双波长类噪声脉冲的锁模光谱,中心波长分别位于1530 nm和1563 nm,3dB带宽分别为8 nm和4 nm,波长间隔为33 nm。光谱形状光滑。图4(b)给出了双波长类噪声脉冲的脉冲序列和单个脉冲,相邻脉冲间隔为3.1 μs,脉冲时域轮廓呈阶梯状,阶梯状脉冲形成的原因与文献[23]类似,主要是由两处不同中心波长的方波脉冲交叠在一起形成的。图4(c)展示了双波长类噪声锁模脉冲的射频谱,信噪比约为40 dB,表明锁模操作稳定。

图4 双波长类噪声脉冲Fig.4 Dual-wavelength noise-like pulses

图5(a)和图5(b)给出了光谱和脉冲随着泵浦功率变化的演化图,当泵浦功率从500 mW逐渐降低到340 mW,可以明显地观察到1563 nm波长处的光谱逐渐减弱,当泵浦功率为340 mW时,1563 nm处的光谱成分几乎完全消失。同时脉冲在时域上的演化表现为,随着泵浦的减低,一方面脉冲宽度逐渐变窄,另一方面脉冲轮廓由阶梯状逐渐演变为规则的方形脉冲,这正好也说明了脉冲在时域上呈阶梯状强度凸起,主要是由于1563 nm的脉冲成分而引起,两波长处的脉冲相互叠加,导致整体脉冲呈现左高右低,一旦某一波长处的光谱成分不参与贡献,脉冲恢复到规则的矩形状态[23]。脉冲宽度和输出功率随泵浦功率的变化关系如图5(c)所示,当泵浦功率从340 mW变化到500 mW,方波脉冲宽度从3.77 ns展宽到5 ns,输出功率从0.86 mW增大到1.15 mW,对应单脉冲能量从2.67 nJ增大到3.56 nJ,腔内最大的脉冲能量可达11.8 nJ。

图5 双波长类噪声锁模的演化Fig.Evolution of dual-wavelength noise-like mode locking

4 结 论

本文报道了在线形腔光纤激光器中实现双波长可切换方波类噪声锁模运作。光纤激光器腔长318.5 m,脉冲重复率为322.5 kHz。由于NPR诱导的梳状滤波效应,激光器在1530 nm和1563 nm处,实现了波长可切换类噪声方波锁模,输出的最大方波脉冲宽度分别为12 ns和26 ns,腔内最大的脉冲能量分别可达14.7 nJ和45.6 nJ。此外在这两个波长处,还获得了波长间隔为33 nm的双波长类噪声锁模,脉冲轮廓呈阶梯型,阶梯型的脉冲轮廓主要由两处不同中心波长的方波脉冲叠加而形成。实验结果有助于理解线形腔光纤激光器中方波类噪声脉冲的动力学特性,并为多波长高能量光源的设计提供了一定的借鉴。