976 nm类噪声锁模光纤激光器

陈鸿毅，王佳晨，董繁龙，，於林鹏，罗兴，王金章，闫培光，吕启涛，郭春雨，阮双琛，

1）深圳大学物理与光电工程学院，深圳市激光工程重点实验室，广东深圳 518060；2）深圳技术大学先进光学精密制造技术广东省普通高校重点实验室，广东深圳 518118；3）大族激光科技产业集团股份有限公司，广东深圳 518057

光纤激光器具有光束质量高和结构紧凑等优点，在科研以及工业加工等领域具有重要应用价值.波长为976 nm 的高功率光纤激光器可作为掺镱或掺铒光纤的优质泵浦源，产生可见光［1］、近红外［2］以及中红外［3］激光.976 nm 脉冲光纤激光器也可以通过非线性频率转换产生蓝光（480～490 nm）以及紫外（240～245 nm）激光，有望取代笨重的氩离子激光器或准分子激光器［4］，在水下通信与高精度加工领域具有潜在应用价值.

半导体可饱和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM）作为目前应用最广泛的锁模器件，其调制深度、饱和通量以及非饱和损耗均可以通过结构设计进行调控.OKHOTNIKOV 等［5］使用自制的SESAM 首次实现了980 nm 锁模光纤激光器，随后不断有基于SESAM 锁模的976 nm 光纤激光器的相关报道［6-8］.为提升激光器的稳定性，ALESHKINA 等［9］在基于全保偏光纤的谐振腔中加入SESAM 实现了首个全保偏的976 nm 锁模光纤激光器.976 nm锁模光纤激光器中也可以使用二维材料作为可饱和吸收体，如单壁碳纳米管（single-wall carbon nanotube，SWCNT）［10］、单层二硫化钼（MoS2）［11］及层状结构二元碱金属磷化体（KP15）［12］，进而实现脉冲输出.

然而，上述真实可饱和吸收体具有损伤阈值低以及制作工艺复杂的缺点，基于非线性效应的类可饱和吸收体，可以有效解决这个问题.LHERMITE等［13］基于非线性偏振演化（nonlinear polarization evolution，NPE）技术，在976 nm 处获得了耗散孤子（dissipative soliton，DS）输出，并通过腔外压缩将输出脉冲宽度压缩至286 fs.LI 等［14］也使用NPE 技术开发了976 nm 全光纤锁模激光器.为了进一步提高锁模激光器的自启动性能，基于NPE 以及SESAM 的混合锁模技术进一步被应用于976 nm 锁模光纤激光器中［15-16］.相较于NPE技术，采用基于Sagnac 干涉仪的非线性光纤环镜（nonlinear optical loop mirror，NOLM））和非线性放大环镜（nonlinear amplified loop mirror，NALM）作为锁模器件的976 nm 激光器较少报道.LI 等［17］在2018 年报道了基于NALM 锁模的“8”字腔光纤激光器，通过在腔内加入长度为165 m的无源光纤，获得了重复频率为1.14 MHz 的耗散孤子共振（dissipative soliton resonance，DSR）输出，并利用自行设计的脉冲啁啾系统研究了DSR 脉冲中的啁啾分布.相比于“8”字腔结构，“9”字腔中避免使用隔离器，使整个谐振腔结构更为紧凑.一般通过在环镜中加入非互易性的相移器［18］，以提高基于NOLM 或NALM 锁模激光器的自启动性能.目前尚未有基于“9”字腔结构976 nm锁模光纤激光器的公开报道.

976 nm 位于Hi1060 光纤的正色散区，较易产生DS 和DSR 型脉冲，而类噪声脉冲（noise-like pulse，NLP）鲜有报道.NLP是一系列超短脉冲组成的脉冲包络，具有脉冲能量高、光谱宽及相干性低的特点，在超连续谱产生、光纤传感及激光加工等方面具有广泛应用.目前仅有LI 等［19］在掺钕光纤激光器中，利用级联拉曼效应在980 nm 处实现了NLP输出.在掺镱光纤（ytterbium doped fiber，YDF）激光器中，利用下转换直接产生976 nm NLP 激光尚处空白，值得深入研究.

本研究基于NOLM 研制976 nm 锁模光纤激光器.激光器采用“9”字腔结构，将掺镱离子有源光纤置于“9”字腔的线型臂中，在环境中加入长度为30 m 的Hi1060 无源光纤，通过调整环内的偏振态得到稳定的NLP 输出，丰富了976 nm 波段的脉冲类型.在最大泵浦功率为300 mW 时，激光最大平均输出功率为13.35 mW，对应脉冲能量为2.79 nJ.该激光器没有使用隔离器及相移器，结构简单紧凑，为976 nm NLP 的产生提供一种经济实惠且操作简单的方案.

1 实验装置

基于NOLM 的976 nm 锁模光纤激光器结构如图1.泵浦源采用商用的915 nm 单模激光二极管（laser diode，LD），最大输出功率为300 mW.泵浦光通过1 个波分复用器（wavelength division multiplexer，WDM）注入到有源光纤中.有源光纤为8 cm长的单模掺镱光纤（Coractive，Yb501），纤芯和包层直径分别为6 μm 和125 μm，数值孔径（numerical aperture，NA）为0.14，915 nm处的纤芯吸收系数约为150 dB/m.有源光纤的长度选取需满足:①能够为激光器提供足够的增益；② 需要尽可能短以减小镱离子对976 nm 激光的重吸收.有源光纤后熔接1 个带宽为10 nm 的带通滤波器（band pass filter，BPF），该BPF既可以滤除剩余泵浦光，也能有效抑制镱离子在1 030 nm附近的自发辐射.将分光比为80/20 的光学耦合器（optical coupler，OC）的同侧两端连接在一起构成NOLM，作为激光器谐振腔的1 个端镜，反射率约为63%，该NOLM 的透射端作为激光器的输出端.环内加入长度为30 m 的Hi1060光纤，配合非对称的耦合比，有利于使环镜中相向传输的两路光获得足够的非线性相位差，从而实现非线性可饱和吸收.环镜中还加入1个三桨式偏振控制器（polarization controller，PC），用于调节腔内激光的偏振态.谐振腔的另一个端镜是刻写在Hi1060 光纤上的光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG），其反射谱中心位于975.9 nm，带宽为0.82 nm，反射率为99.92%.实验系统中除有源光纤外，其余光纤以及器件尾纤均为Hi1060光纤.有源光纤和Hi1060 光纤在976 nm 的群速度色散分别为25.3 ps2/km 和27 ps2/km，腔内群延迟色散为1.15 ps2，该激光器工作在全正常色散区.

图1 基于NOLM的976 nm锁模光纤激光器结构Fig.1 Experimental setup of 976 nm mode-locked fiber laser based on NOLM.

激光器的输出特性使用如下仪器表征:光谱仪（Yokogawa AQ6373）、示波器（Teledyne LeCroy SDA 820Zi-B，带宽为20 GHz）、射频谱分析仪（Rohde &Schwarz FSWP8）、光电探测器（EOT ET-5000F，带宽为12.5 GHz）、自相关仪（Femtochrome FR-103XL）及功率计（Thorlabs S130C）.

2 实验结果与分析

当泵浦功率超过30 mW时，系统输出连续激光（continuous wave，CW）.继续增加泵浦功率，直到泵浦功率大于240 mW时调整环内的PC，系统工作在稳定锁模（mode-locking，ML）状态.此时再降低泵浦功率，系统依旧可以输出稳定锁模脉冲，当泵浦功率降至70 mW以下时，系统失锁.以上现象符合NOLM锁模阈值相对较高且自启动性能较差的特点.通过在环内加入非互易性相移器，为相向传输的两路光提供额外相位差，使得NOLM工作在饱和吸收区，更有利于系统的自启动.输出激光功率随泵浦功率的变化曲线如图2.可见，当系统从CW状态切换到ML 状态时，输出功率会出现跳变，这是因为当系统工作于ML 状态时，输出光谱宽度会有一定程度展宽，只有处于FBG带宽内的光谱部分会被反射回谐振腔内，导致ML 状态下输出功率的下降.系统在锁模状态的最大输出功率为13.35 mW，最小输出功率为2.42 mW.输出功率随泵浦功率的增大线性增大，未观察到饱和现象.激光器的最大输出功率受限于泵浦功率，若泵浦光的功率进一步提升时，激光器的最大输出功率可以继续增长.

图2 输出功率随泵浦功率变化曲线Fig.2 Output power as a function of pump power.

图3 为泵浦功率为300 mW 时，系统的脉冲输出特性.图3（a）中实线代表输出端光谱，虚线代表FBG 端测得的光谱.可见，输出光谱中心波长为975.84 nm，谱宽为1.32 nm.图3（a）中虚线的谷值与实线的峰值不是完全重合，系统输出的中心波长与FBG的中心波长（975.9 nm）相比有所偏移.输出光谱宽度大于FBG 的带宽（0.82 nm），这是因为腔内具有较强的非线性，导致被FBG反射回谐振腔内的光谱发生展宽.图3（b）为脉冲的自相关（autocorrelation，AC）曲线.可见，曲线具有明显的双尺度结构，即在1 个较宽的底座上有1 个较窄的尖峰，这是NLP 的典型特征.AC 曲线底座部分的两边沿陡峭，这是由于输出激光的脉宽超出了自相关仪的量程（200 ps）.采用双曲正割函数对AC 曲线的尖峰进行拟合，拟合曲线如图3（b）中虚线所示，计算得到尖峰的半高全宽（full width at half maximum，FWHM）约为6.32 ps，表明NLP 包络中最窄的脉冲宽度约为6.32 ps.由于腔内加入了较长的光纤（30 m），净群速度色散较大导致脉冲展宽，因此，该尖峰宽度与其他波段报道的NLP 尖峰宽度［20-21］（百飞秒）相比较宽.尖峰高度与底座高度的比值可用来衡量输出脉冲的相干程度，比值越大，脉冲相干性越强［22］.图3（c）为使用光电探测器配合示波器得到单个脉冲包络波形.可见，脉冲包络的FWHM为313.76 ps，在300 mW的泵浦功率下，脉冲并未分裂.图3（c）插图为1 μs 范围内的一串脉冲序列，脉冲等间距分布，间距约为208.96 ns，与谐振腔的基频吻合.该脉冲序列的顶部平整没有明显的强度调制，表明系统锁模的稳定性较好.图3（d）为输出脉冲的射频谱.可见，输出激光的重复频率为4.79 MHz，与图3（c）中的脉冲间隔对应.信噪比为79 dB，与NLP 锁模中常见的信噪比［23］（50～60 dB）相比，本系统的锁模稳定性较高.据文献［24-25］报道，由于NLP 包络内随机的强度调制，在基频附近会出现对称的旁瓣，这也是NLP的典型特征之一，但本实验中并未观测到该现象，表明本实验系统工作在极其稳定的锁模状态.图3（d）插图是1 GHz 范围内的射频谱，其顶部平整，没有明显的调制，表明本实验系统在最高泵浦功率下依旧具有较高的锁模稳定性.

图3 泵浦功率为300 mW时的脉冲输出特性（a）光谱图；（b）自相关曲线；（c）脉冲包络，插图为脉冲序列；（d）基频频谱，插图为1 GHz频谱图Fig.3 (a) Spectrum,(b) AC trace,(c) pulse envelope,and (d) RF spectrum of output pulse under pump power of 300 mW.The solid line and dotted line in (a) are spectra detected at output and FBG ends,respectively.The dotted line in (b) is hyperbolic secant fitting curve of the peak in AC trace.The inset in (c) is the pulse train of output pulse.The inset in (d) is RF spectrum in 1 GHz span of output pulse.

图4 为激光器在不同泵浦功率下的输出光谱，其中，最顶部曲线是300 mW 泵浦下FBG 端测得的光谱，可以看作是FBG的透射谱.可见，随着泵浦功率的增大，输出光谱也随之展宽并且伴随着光谱强度的提升.值得注意的是，光谱的展宽幅度随着泵浦功率不断增加而有所放缓.在泵浦功率从70 mW 增加到150 mW 过程中光谱的展宽最明显，而当泵浦功率从150 mW 增加到300 mW 过程中，光谱展宽幅度较小，表明光谱的展宽过程是非线性的.但是在泵浦功率增大的整个过程中，光谱强度的增长幅度较为均匀.由图4可见，当泵浦功率为70 mW 时，光谱顶端有2 个小凸起，与图4 中的FBG 透射光谱主反射峰两边的2 个小反射峰对应，因此，这两个凸起是输出光谱被FBG 调制后的结果.随着泵浦功率的增大，腔内非线性及增益越来越大，导致凸起越来越不明显，最后光谱变得光滑.其中，靠近光谱中心的凸起在泵浦功率为100 mW 时就已经消失，而远离中心的凸起直到250 mW才消失.

图4 不同泵浦功率下的输出光谱Fig.4 Output spectra under different pump powers.From top to bottom is the FBG transmission spectrum and the spectrum are under 300,250,200,150,100 and 70 mW pump power,respectively.

图5为输出脉冲宽度及脉冲能量随泵浦功率的变化曲线.可见，脉冲宽度和脉冲能量均随泵浦功率的增大线性增大.最大脉宽为313.76 ps，最大脉冲能量为2.79 nJ.结合图2中平均输出功率也随着泵浦功率的增大而线性增大，表明系统在增益方面并未达到饱和，同时由NOLM形成的类可饱和吸收体也有潜力实现更大脉冲能量的输出.可通过使用额定功率更高的915 nm 激光器做为泵浦源，或在腔内加入更长的无源光纤降低重频，以得到更大的输出脉冲能量，

图5 脉冲宽度以及脉冲能量随泵浦功率变化曲线Fig.5 Pulse duration (solid line with triangle,left axis) and pulse energy (solid line with circle,right axis) as function of pump power.

为进一步探究不同泵浦功率下的NLP 脉冲特性，实验记录了泵浦功率由70 mW增至300 mW时的NLP 自相关曲线，如图6.由于图中对强度进行了归一化处理，所以AC 曲线间的强度差异不能很好的反映，这里主要探讨曲线双尺度结构的宽度随泵浦功率的变化.

图6 泵浦功率分别为（a）70 mW、（b）100 mW、（c）150 mW、（d）200 mW、（e）250 mW及（f）300 mW时的NLP脉冲自相关曲线Fig.6 AC traces under pump powers of (a) 70 mW,(b) 100 mW,(c) 150 mW,(d) 200 mW,(e) 250 mW and (f) 300 mW,respectively.The dotted curves are the corresponding hyperbolic secant fitting curves near the peaks.

由图6（a）可见，曲线底座宽度与尖峰宽度比较接近，尖峰宽度与底座宽度比为16.28∶69.93，自相关曲线的双尺度特征尚不明显，此时不能确定系统工作在NLP 状态.在图6（b）中，对比AC 曲线上下边沿的斜率，可以区分斜率较小的底座以及斜率较大的尖峰，表明在100 mW 泵浦下系统工作在NLP 锁模状态.由图6（c）至（f）可见，随着泵浦功率的增大，曲线底座宽度也不断增大，NLP典型的双尺度结构也越来越明显.当泵浦功率大于150 mW时，自相关曲线的底座宽度已经超过了自相关仪的量程，其变化特性在图5中已经体现.与底座宽度随着泵浦功率增大而不断增大不同的是，曲线中尖峰的宽度随着泵浦功率的增大而不断减小，在双曲正割拟合下，尖峰宽度从16.28 ps 减小到6.32 ps，与相关文献报道类似［26-28］.这个现象的产生也与非线性有关，腔内的非线性效应如自相位调制（self-phase modulation，SPM）和交叉相位调制（cross phase modulation，XPM）导致光谱展宽的同时，也使原来NLP包络中的子脉冲分裂成更多宽度更小的子脉冲［29］.

结语

本研究基于NOLM 实现了976 nm NLP 锁模光纤激光器，最大输出功率为13.35 mW，最大脉冲能量为2.79 nJ.该激光器的输出功率以及脉冲能量随着泵浦功率的提高线性增加，未观察到饱和现象，输出功率和脉冲能量还有较大的提升潜力.激光器的锁模阈值为70 mW，但是自启动性能较差，可以通过在环内加入非互易性相移器加以改善.输出的类噪声脉冲十分稳定，基频信噪比为79 dB.输出光谱以及脉冲宽度均随泵浦功率的增大而增大，同时其自相关曲线的尖峰宽度随着泵浦功率的增大而减小.研究结果为波长为976 nm 高稳定性NLP 的产生提供了一种简单紧凑、经济实惠的方案，在超连续谱产生以及NLP动力学的研究方面具有重要应用价值.