皮秒脉冲近红外超连续谱激光器

董航舟，葛廷武*，刘 伟，范 瑜，田卓承

（1.北京工业大学 材料与制造学部 激光工程研究院，北京 100124；2.北京市激光应用技术工程技术研究中心，北京 100124；3.光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471003）

1 引言

超连续谱（Supercontinuum，SC）光纤光源是一种新型宽谱激光光源，它不仅具有光纤激光器亮度高、相干性强、光束质量好、结构紧凑等优点，还具有超宽的光谱范围，在光电对抗、生物医学、高光谱激光雷达、光学相干层析成像等领域有着广阔的应用前景［1-3］。

将高强度激光注入非线性介质，在非线性效应与介质群速度色散的共同作用下，输出光谱中出现了许多新的频率成分，输出光谱得到极大展宽［4-7］，得到超连续谱激光输出。相比于利用光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）产生超连续谱，利用非线性光纤放大器直接产生超连续谱激光的方法结构简单、没有光子晶体光纤熔接损耗问题且可获得高功率输出［8-10］；2007年，法国Pioger等人对1 064 nm的纳秒种子源进行非线性放大，在双包层掺镱光纤放大器中产生了2.5 W的超连续谱，光谱范围由1 064 nm拓展到1 750 nm［11］；2012年，国防科技大学宋锐等人基于掺镱光纤放大器对1 064 nm的纳秒种子源进行非线性放大得到了输出功率为70 W，光谱范围为1 064～1 700 nm，平坦度为12 dB的宽谱输出［12］；2013年，该研究团队采用相同的结构，通过谐波锁模的方式将种子光的重频提高了一倍，并对熔接对准方式进行优化，最终在放大器中获得了百瓦量级的高功率超连续谱输出，光谱由1 064 nm展 宽 至2 000 nm，平 坦 度 为10 dB［13］；2014年，Hao等人利用非线性偏振旋转锁模（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）皮秒种子源进行非线性放大，在掺镱光纤放大器中获得了输出功率为2 W，光谱范围398～1 700 nm的超连续谱［14］。但以往的研究多集中在纳秒脉冲种子源直接产生超连续谱，利用皮秒脉冲直接产生超连续谱的报道较少。

本文实验研究了皮秒脉冲非线性掺镱光纤放大器中近红外超连续谱激光的产生。实验采用SESAM（Semiconductor Saturable Absorber Mirror）被动锁模得到的皮秒脉冲作为种子源，通过预放大和一级放大得到含有一级Stokes非线性频率成分的种子信号，在二级光纤放大器中对其进行非线性放大，最终获得了平坦度为10 dB、光谱范围为950～1 650 nm、输出功率为56 W的近红外超连续谱激光输出。放大过程中后向光功率始终处于较低水平且较为稳定。

2 实验装置

实验采用三级MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）结构（主控振荡器的功率放大器）的皮秒脉冲非线性放大器，实验装置如图1所示，该系统由种子源、一级预放大级和两级功率放大级构成。

图1 皮秒脉冲非线性放大器实验结构图Fig.1 Experimental structure of picosecond pulse nonlinear amplifier

种子源采用自行设计的SESAM被动锁模皮秒脉冲光纤激光器，其中泵浦源为输出中心波长976 nm的光纤耦合单模半导体激光器LD，通过工作波长为980/1 064 nm的波分复用器WDM，耦合进掺镱光纤YSF中，所用YSF为6/125 μ m高浓度掺镱光纤，光纤长度为10 cm，在976 nm处吸收系数为1 200 dB/m，数值孔径（Numerical Aperture，NA）为0.12。采用反射率为60%，反射带宽为4 nm，中心波长为1 064 nm的光纤布拉格光栅FBG作为输出镜，隔离器ISO可防止光纤端面反射回光对谐振腔造成损伤，维持种子源工作的稳定性。预放大级采用输出中心波长975 nm的单模半导体激光器LD1进行泵浦，泵浦光通过WDM1耦合进YSF1，YSF1芯径为6 μm，数值孔径为0.13，在975 nm处吸收系数为250 dB/m，长度为1 m，隔离器ISO1对输出光进行隔离。1∶99耦合器Coupler的1%端用来监测，前向端接光谱仪OSA监测种子信号光谱，后向端接功率计PM监测后向返回光。

一级放大器泵浦源LD2为输出功率10 W，中心波长915 nm的多模半导体激光器，输出尾纤芯包直径为105/125 μm，NA为0.22。泵浦合束器Combiner2为(2+1)×1结构；信号输入、输出 光 纤 芯 包 直 径 均 为10/130 μ m，NA为0.08/0.46；泵浦光纤芯包直径为105/125 μm，NA为0.22。增益光纤YDF2为双包层掺镱光纤，芯包直径10/130 μm，NA为0.08/0.46，吸收系数在975 nm处为3.9 dB/m，长度为10 m。包层光剥离器CPS2用于剥除包层中残余的泵浦光，避免包层中残余泵浦光对后续光纤器件造成损伤。隔离器ISO2工作中心波长为1 064 nm，最大工作功率为10 W。二级功率放大器泵浦源LD3、LD4均为输出功率为60 W的稳波长半导体激光器，输出中心波长为976±0.5 nm，输出尾纤芯包直径为105/125 μm，NA为0.22。泵浦合束器Combiner3为(2+1)×1结构，信号输入、输出芯包直径均为15/130 μm，NA为0.08/0.46，泵浦光纤芯包直径为105/125 μm，NA为0.22。增益光纤YDF3为双包层掺镱光纤，芯包直径15/130 μm，NA为0.08/0.46，吸 收 系 数 在975 nm处为5.4 dB/m，长度为4 m，掺杂光纤尾端是包层光剥离器CPS3。GDF为15/130 μm双包层无源光纤，长度为3 m，可匹配15/130 μm掺镱光纤。最后，无源光纤GDF输出端面切8°角，防止端面回光。

3 结果与讨论

3.1 非线性频率成分种子信号的获得

通过SESAM锁模，实验获得了可稳定输出的皮秒脉冲种子源，图2（a）、（b）分别为种子源的输出光谱图和脉冲的自相关曲线，种子光中心波长为1 064 nm，3 dB光谱带宽为0.42 nm，重复频率为32.74 MHz，输出脉宽9.19 ps，功率7 mW，峰值功率23 mW。种子源输出的脉冲激光经过预放大级后功率被放大到23.3 mW，峰值功率为56 mW。

图2 被动锁模光纤激光器输出光谱图及自相关曲线Fig.2 Passively mode-locked fiber laser output spectra and auto-correlation curve

在一级放大器中，泵浦功率为4.5 W时，脉冲峰值功率超过了受激拉曼散射（SRS）的阈值，输出光谱在1 120 nm处出现了一级Stokes峰，光谱展宽集中在一阶拉曼光谱区，相对种子光中心波长1 064 nm，频移量为13.2 THz，如图3所示。掺镱光纤的零色散波长为1.27 μm左右，种子光中心波长1 064 nm处于掺镱光纤的正常色散区，自相位调制也会导致光谱展宽，但是展宽能力不强，此时受激拉曼散射起主要的展宽作用。通过一级放大器，得到带有一级Stokes峰的信号输出。输出功率为2.9 W，1 064 nm处3 dB光谱带宽为1.84 nm，脉宽为2.09 ps，以此作为下一级的种子信号。

图3 一级放大器输出光谱图Fig.3 Output spectrogram of amplifier1

3.2 非线性放大实验

利用含有一级Stokes峰的一级放大器输出作为种子信号进行非线性放大，图4给出了二级放大器不同输出功率下的光谱图。可以看到，在输出功率达到9.88 W之前，随着二级放大器泵浦功率的增大，一级Stokes峰功率也在提高，此过程中输出光谱没有出现明显展宽。进一步增大泵浦功率，可观察到一级Stokes峰功率不再变化，高级Stokes峰逐级出现，输出光谱向长波方向展宽。这一现象的物理过程可以描述为：随着二级放大器泵浦功率的提高，一级Stokes光功率达到一定值，将作为泵浦光泵浦产生二级Stokes峰，以此规律，逐级泵浦出现更高级的Stokes峰，在这一阶段，光谱展宽主要受到级联受激拉曼散射的影响。当波长展宽到调制不稳定性（Modulation Instability，MI）产生孤子的反常色散区，在MI的作用下，皮秒脉冲会产生分裂，并演化为一系列的高阶飞秒孤子。而这些高阶孤子又会在高阶色散及高阶非线性效应的作用下分解出基态孤子。基态孤子的带宽较宽，能够与拉曼增益谱交叠，因此引起了脉冲内拉曼散射使孤子红移，即SSFS（Soliton Self Frequency Shift）。孤子与色散波相互作用产生孤子俘获效应［15-16］。孤子俘获效应会通过XPM（Cross-phase Modulation交叉相位调制）和FWM（Four-wave Mixing四波混频）来产生新的频率成分，从而使超连续谱进一步展宽及平坦化。

图4 二级放大器不同输出功率下的光谱图Fig.4 Spectrogram of amplifier2 at different output power

相较于普通的线性放大器，非线性放大器存在明显的效率拐点。图5为种子信号非线性放大后超连续谱输出功率随泵浦功率的变化曲线。结合图4可分析出，在输出功率达到14.30 W之前，二级放大器为信号光提供增益，提高其输出功率水平，对种子信号进行线性功率放大，放大器效率较高。随着泵浦功率的进一步提高，非线性放大效率曲线出现效率拐点，光-光转化效率下降。当信号光的功率水平达到非线性效应阈值后，可以激发出多种非线性效应，从而对信号光的光谱进行展宽，在效率拐点出现之后的非线性放大过程中，输出光谱向长波方向不断展宽，光谱展宽时量子亏损变大，能量以热的形式耗散，导致光-光效率下降。

图5 超连续谱输出功率随泵浦功率的变化曲线Fig.5 Curve of SC output power versus the pump power

在二级放大过程中，对后向回光进行实时监测，图6为不同种子信号在二级非线性光纤放大器中放大展宽时回光的变化曲线。可以看到，带一级Stokes峰的种子信号在整个二级放大过程中回光并未发生明显变化，维持在一个较为平稳水平。

图6 不同种子信号的回光随泵浦功率的变化曲线Fig.6 Variation curve of return light of different seed signals with pump power

二级光纤非线性放大器采用两个60 W半导体激光器泵浦，最终输出光谱如图7所示，当泵浦功率达到116.8 W时，获得了10 dB光谱范围为950 nm～1 650 nm的超连续谱激光，输出功率为56 W，光-光效率为48%。

图7 二级放大器不同泵浦功率输出光谱图Fig.7 Output spectrogram of different pump power of amplifier2

4 结论

采用SESAM被动锁模皮秒脉冲种子源，搭建了皮秒脉冲非线性光纤放大系统。通过调控光纤长度和泵浦功率使一级放大输出带有一级Stokes频率成分的信号光，将该信号光在二级放大器中进行非线性放大，最终获得了后向光功率较小且相对稳定的近红外超连续谱输出。在泵浦功率116.8 W时，激光输出10 dB光谱范围为950 nm～1 650 nm（泵浦波长除外），输出功率为56 W，光-光效率为48%。