基于多通单元的高能量耗散孤子锁模光纤振荡器
间距可控的耗散孤子分子锁模光纤激光器
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新型功能化光纤微腔光频梳
第50卷第5期V〇1.50No.5红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年5月May2021新型功能化光纤微腔光频梳谭腾，姚彳百承(电子科技大学光纤传感与通信教育部重点实验室，四川成都611732)摘要：微腔光频梳以其独特的时频输出特性和集成化优势，正逐渐成为当代信息系统的基石。
近 期，全光纤的微腔光频梳迎来了新的进展。
来自电子科技大学和南京大学的研究者们，以超高Q值光 纤法珀谐振腔为栽体，实现了激光、克尔和布里渊光频梳的产生。
凭借其低损耗、可调谐、强稳定的独 特优势，将有望在服务光纤系统的正时、通信、微波和感知应用中发挥新的潜力。
关键词：光频梳；光纤；微谐振腔中图分类号：0436 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211025Novel functionalized frequency combs based on fiber microcavitiesTan Teng,Yao Baicheng(Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communication (MOE), University ofElectronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)Abstract:With its unique time-frequency characteristics and integrated advantages,micro combs have gradually become the cornerstone of modem information system.Recently,all fiber microcavity combs made a progress. Researchers from the University of Electronic Science and Technology of China and Nanjing University realized the generation of laser,Kerr and Brillouin optical frequency combs by using ultra-high Q-value fiber Fabry Perot resonators.They demonstrate unique advantages such as low loss,dynamic tunability and ultrahigh stability,may play new potentials in timing-standard,communication,microwave and sensing applications for fiber systems. Key words:frequency comb;optical fiber;microresonator光频梳，是指由一系列均匀间隔且具有稳定相位 关系的离散频率分量组成的光谱[1]，根据傅里叶变换, 同时提供稳定间隔的时域脉冲,是天然的时频基准和 高度稳定的脉冲激射源。
被动锁模光纤激光器多孤子脉冲形成机理
被动锁模光纤激光器多孤子脉冲形成机理
被动锁模光纤激光器是一种先进的光纤激光器，它能够发出更强大、更稳定的多孤子脉冲，并有更好的空间结构，可以较好地满足应用需求。
本文将介绍其多孤子脉冲形成机理，深入分析其在中国应用和发展的情况，以期帮助读者更好地理解、使用该光纤激光器。
被动锁模光纤激光器是一种采用被动锁模技术的光纤激光器，其多孤子脉冲形成机理是通过一种叫做“被动锁模多孤子脉冲”的技术来实现的。
这种技术利用一种叫做“自锁模”的物理过程，使激光器中的激光波形限制在一个稳定的状态，从而产生多孤子脉冲。
这种技术的主要特点是信号稳定性好，多孤子脉冲可以调制、拉长、收缩，可以得到高空间结构的多孤子脉冲。
被动锁模光纤激光器在中国有很多应用，比如用于激光加工行业，用于激光显示和投影行业，用于激光测量计量行业，用于激光通讯行业，用于激光医学诊断行业等等。
在这些行业中，被动锁模光纤激光器能够发出更强大、更稳定的多孤子脉冲，并且具有更好的空间结构，使应用更加方便，获得了一定程度的成功。
此外，目前国内也正在大力开展被动锁模光纤激光器的研究和开发工作，为量子光子学、量子信息处理、量子传感和量子通信等领域提供了重要技术支持。
总之，被动锁模光纤激光器的多孤子脉冲形成机理具有良好的实用性，并在国内外得到广泛应用，帮助人们更好地解决了应用问题。
由于其优越的技术性能，被动锁模光纤激光器被认为是未来光纤激光器的发展方向，也是未来量子通信领域的重要技术支撑。
全正色散耗散孤子掺镱光纤激光器
[ 1~ 4]
) , 男 , 博士 , 副教授 , 主要从事光纤激光器和全光信号处理等 方面的研究。
2february2011全正色散耗散孤子掺镱光纤激光器张祖兴戴国星江西师范大学物理与通信电子学院江西省光电子与通信重点实验室江西南昌330022摘要研究了一种基于非线性偏振旋转被动锁模没有进行色散管理的全正色散掺镱光纤激光器在无外加滤波器的情况下实验产生了锁模耗散孤子脉冲
第 31 卷 第 2 期 2011 年 2 月
3
实验结果及分析
虽然激光腔没有色散管理和用滤波器来补偿激 光器的正常光纤色散, 调节偏振控制器, 激光器仍可 产生输出稳定的啁啾脉冲。图 2 所示是抽运功率为 226 m W 时 , 典型的全正色散被动锁模耗散孤子脉 冲的输出特性。图 2( a) 是在对数坐标下从两个不 同端口输出脉冲的光谱, 图 2( b) 是从端口 1 输出脉 冲在线性归一化坐标下的光谱。可以看到从两个端 口的输出光谱都具有陡峭的光谱边沿, 这是全正色 散激光器的典型特性。边沿至边带宽是 14. 2 nm 。 图 2( c) 所示是对应的自相关曲线。假定脉冲具有 高斯形轮廓, 脉冲 宽度是 10. 6 ps, 时间 带宽 积是 40. 3。图 2( d) 所示是激光输出射频谱 , 边带抑制比 大于 70 dB, 从射频谱可以得到锁模激光脉冲的重 复频率是 34. 3 M H z。从图 2( a) , ( c) 可以看出, 从 输出端口 1 和端口 2 输出的脉冲光谱和形状差别很 小。然而 , 从图 2( a) 可以看出从两个端口输出的脉 冲强度则发生了急剧变化 , 这两个输出端口一个在 偏振相关隔离器前 , 一个在偏振相关隔离器后, 可以 推测偏振相关隔离器对啁啾脉冲具有压缩作用。 实验中, 还研究了抽运功率和偏振对脉冲性能 的影响 , 实验结果如图 3 和图 4 所示。从图 3( a) 中 可以发现脉冲光谱边沿至边沿宽度随抽运功率的减 小而变窄, 这表明增益饱和及增益窄化对脉冲的形 成发挥了重要作用。锁模耗散孤子产生的阈值抽运 功率是 137 mW 。图 3( b) 所示是不同抽运功率下的 激光器输出脉冲平均功率。受使用的抽运激光器最
正色散掺铒光纤激光器耗散孤子共振脉冲特性研究
正色散掺铒光纤激光器耗散孤子共振脉冲特性研究张丽强;高丛丛;王贝贝;张丙元【摘要】报道了一种工作在正色散区的耗散孤子共振脉冲锁模光纤激光器.详细研究了泵浦功率及偏振控制器状态对输出脉冲特性的影响.耗散孤子共振脉冲中心波长1 575nm,光谱宽度约6.66nm.当泵浦功率从220mW升高到554mW时,脉冲宽度从0.78ns增加到3.16ns,脉冲能量变化范围为3.5nJ至16.9nJ.泵浦功率409mW时,改变偏振控制器状态,脉冲宽度在1.6ns至3.2ns范围之间变化.实验中还研究了获得的耗散孤子共振纳秒矩形脉冲的啁啾特性,脉冲经过25m单模光纤传输,脉冲宽度无明显变化,脉冲为非线性啁啾.%The generation of dissipative soliton resonance pulses in a passively mode-locked net-normal dispersion Er-doped fiber laser is demonstrated.The dependence of pulse characteristics on pump power and the state of polarization controllers is investigated detailed.The central wavelength is 1 557 nm, with the 3 dB bandwith of 6.66 nm.By purely increasing the pump power from 220 mW to 554 mW, the pulse duration extends from 0.78 ns to 3.16 ns, while the pulse energy ranges from 3.5 nJ to 16.9 nJ.At the pump power of 409 mW, by carefully adjusting of the polarization controller's oriention, pulse duration varies from 1.6 ns to 3.2 ns.Moreover, the chirp properties of the pulses is checked.No obvious change on the pulse profile was observed after propagation in a 25 mstandard single mode communication fiber.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(031)004【总页数】6页(P42-47)【关键词】耗散孤子共振;锁模;正色散;光纤激光器【作者】张丽强;高丛丛;王贝贝;张丙元【作者单位】聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059;聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059;聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059;聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059【正文语种】中文【中图分类】TN2480 引言锁模脉冲激光器峰值功率高,脉冲宽度窄,在材料科学、生物医学、高速光通信等领域有重要应用[1-4].与固体激光器相比,光纤锁模激光器脉冲质量高,散热效果好,结构紧凑,成本低廉.但光纤非线性效应的存在,限制了脉冲能量的提高.为提高锁模光纤激光器的脉冲能量,人们提出各种脉冲演化机制,比如正色散光纤激光器中的耗散孤子和自相似脉冲.但由于非线性相移的积累,当单脉冲能量较高时,耗散孤子及自相似脉冲锁模激光器中仍存在脉冲分裂现象.2008年,Chang等[5]在用金兹堡-朗道方程研究耗散孤子系统脉冲特性时发现,在特定方程参数下,单脉冲能量可无限增大而不会出现脉冲分裂,这种脉冲行为称之为耗散孤子共振(dissipative soliton resonance,简称DSR).DSR脉冲为矩形脉冲,随泵浦功率的提高,脉冲宽度增大,单脉冲峰值功率保持不变[6-8].2009年,Xu等[9]在掺铒光纤激光器中观察到DSR脉冲,证实这种脉冲的存在.随后,DSR引起人们广泛关注[10-13].非线性偏振旋转锁模的DSR光纤激光器[14-18],8字形光纤激光[19-22]以及使用碳纳米管[16]或石墨烯[10]作为锁模器件的DSR激光器相继被报道.激光器波长也覆盖了1 060 nm波段[10,14,23]、1 550nm波段以及掺铋光纤激光器的1 170 nm[19]波段.在1 550 nm波段,掺铒光纤DSR锁模激光器的研究,大多集中在负色散区域[15-18].2011年,Duan等[15]首次报道了负色散掺铒光纤激光器中的矩形脉冲,并对输出脉冲的啁啾特性进行了研究.随后,Luo等[12]实验研究了工作在耗散孤子共振状态的负色散掺铒光纤激光器中的脉冲的动力学特性，随着泵浦功率的提高，脉冲形状从类双曲正割型演化为矩形,脉冲宽度的调制范围也覆盖到了脉冲在腔内循环一周的时间.2015年,Liu等[24]在8字形光纤激光器内加入5.5 km普通单模光纤,获得了135 ns至2 272 ns宽度可调的DSR脉冲.2017年,Lyu等[17]研究了负色散掺铒光纤激光器中的多脉冲现象.Krzempek[20]及Semaan[11,13,21]则对Er：Yb 共掺负色散光纤激光器中DSR脉冲的光谱特性、多脉冲特性及其他特性进行了研究.普通通信光纤在1 550 nm波段为负色散,因此,相比于负色散DSR激光器,正色散区掺铒光纤DSR激光器的报道非常少.Wu等[9]报道了使用非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤全正色散激光器中的DSR现象,Yang等[25]则研究了8字形锁模激光器的DSR特性.正色散掺铒光纤激光器中DSR现象的脉冲演化特性、脉冲随偏振控制器状态的变化特性及输出脉冲在负色散单模光纤中的传输特性均未见报道.正色散锁模激光器中,脉冲在腔内展宽,峰值功率降低,从而降低了光纤非线性效应的影响,有望输出更高的脉冲能量,有必要对正色散掺铒光纤DSR激光器进行深入研究,以便更好地理解耗散孤子共振脉冲激光器以及正色散锁模光纤激光器的工作特性.本文报道了一种正色散区掺铒光纤DSR激光器.调节偏振控制器，激光器可分别工作在耗散孤子及耗散孤子共振状态.耗散孤子共振脉冲重复频率922 kHz,激光器中心波长1 575 nm,光谱宽度约6.66 nm.研究发现,泵浦功率升高时,脉冲宽度增加但峰值功率不变,但当泵浦功率不变,改变偏振控制器状态时,脉冲宽度增加,峰值功率降低.同时,对输出脉冲在普通单模光纤中的传输特性进行了研究.1 实验装置图1 实验装置图实验中搭建的DSR锁模光纤激光器的结构如图1所示,锁模方式为非线性偏振旋转.增益介质为一段0.8 m掺铒光纤,976 nm泵浦光通过波分复用器(WDM)耦合至增益光纤.两个偏振控制器(PC1及PC2)及其中间的偏振相关隔离器(ISO)用来实现非线性偏振旋转锁模,偏振相关隔离器同时用来保证光单向传输.激光器的输出由10/90的耦合器(10/90 OC)提供,10%的光输出至腔外.为使激光器工作在正色散区,加入190 m正色散光纤(NDF).WDM、输出耦合器OC及偏振相关隔离器的尾纤为普通单模光纤SMF-28e,总长度约5.5 m,在1 550 nm附近的色散值为-23ps2/km,偏振控制器及色散位移光纤的总长度约200 m,在1 550 nm附近的色散为1.2 ps2/km,掺铒光纤在1 550 nm附近的色散为13.5 ps2/km,腔内总色散约0.124 ps2,激光器工作在正色散区.实验中使用光谱仪AQ6370D记录光谱形状,使用探测器(ET-3000)及示波器DSO54832b记录脉冲形状.2 实验结果及讨论实验过程中通过调节泵浦功率及偏振控制器状态可分别获得耗散孤子脉冲及DSR 脉冲.图2给出了泵浦功率267.3 mW时,激光器输出的耗散孤子的特性.图2(a)为示波器显示的单脉冲形状.图2(b)为对应的光谱,光谱边缘陡峭,为耗散孤子的典型特征.中心波长1 561.4 nm,3 dB带宽17.4 nm.实验中重点关注DSR现象,详细讨论DSR脉冲的特性.图2 激光器输出的耗散孤子特性 (a) 示波器记录的单脉冲形状; (b) 光谱图3为泵浦功率491 mW时激光器输出的DSR脉冲特性.图3(a)为单脉冲形状,脉冲宽度为2.8 ns.图3(b)为脉冲序列,脉冲重复频率922 kHz,与脉冲在腔内循环一周的时间一致.图3(c)为对应的光谱图,中心波长1 575 nm,3 dB带宽6.66 nm.文献[12]与[17]报道的工作在负色散区的DSR脉冲的光谱形状与传统孤子类似，光谱具有明显的边带.本文获得的DSR脉冲的光谱则与文献[9]报道的一致,光谱没有调制边带,而类似于掺铒光纤激光器的放大的自发辐射光.与图2相比,脉冲形状及光谱均明显不同.图3(d)为扫描范围50 MHz时脉冲的频谱图，信噪比约30 dB.图3 输出的耗散孤子共振脉冲特性 (a)单脉冲形状， (b)脉冲序列， (c)光谱， (d)频谱图4 脉冲及光谱形状随泵浦功率的变化 (a) 脉冲形状， (b) 光谱形状图5 220 mW时脉冲形状及曲线拟合结果DSR脉冲的典型特征为当泵浦功率增大时,脉冲宽度增加,但峰值功率不变.为证实激光器工作在DSR状态,研究了脉冲形状随泵浦功率的演化情况.图4给出了当泵浦功率从220 mW增加到554 mW时,脉冲及光谱的变化情况.从图4(a)可以看出,泵浦功率较低时,脉冲并非矩形,随着泵浦功率的增大,脉冲逐渐演化为矩形.当泵浦功率继续增大时,矩形脉冲的峰值功率不变,脉冲宽度增加.Duan等[15]及Lyu[17]搭建的DSR激光器,泵浦功率增大时,脉冲从类双曲正割型演化为矩形,而Zhao等[19]报道的掺铋光纤DSR激光器,脉冲形状则从高斯型演化为矩形.为分析实验获得的低功率时DSR脉冲的形状,对220 mW时脉冲进行曲线拟合.图5为分别用高斯曲线和双曲正割曲线拟合的结果,从图中可以看出,泵浦功率较低时,输出脉冲的形状更接近高斯型.图4(b)为泵浦功率变化时,光谱的变化情况,光谱宽度及形状没有明显的变化.光谱的这种特性使其能够克服增益带宽的限制,有望获得超高能量的脉冲[15].脉冲及光谱形状的演化结果证实获得的是耗散孤子共振脉冲.图6为激光器的输出功率、峰值功率、脉冲宽度以及单脉冲能量随泵浦功率的变化情况.当泵浦功率从220 mW升高到554 mW时,输出功率从3.2 mW增大到15.6 mW,而峰值功率保持在5 W左右.当泵浦功率554 mW时,激光器输出功率15.6 mW,此时脉冲峰值功率5.35 W,考虑到输出耦合比为10%,此时激光腔内脉冲的峰值功率约50 W.随着泵浦功率的增加,输出脉冲宽度和单脉冲能量线性增大.当泵浦功率从220 mW升高到554 mW时,脉冲宽度从0.78 ns增加到3.16 ns,脉冲能量变化范围为3.5 nJ至16.9 nJ.受限于泵浦源的最大输出功率,泵浦功率没有继续增大.图6 输出特性随泵浦功率的变化(a)输出功率及峰值功率，(b)及脉冲宽度和单脉冲能量实验过程中发现,矩形脉冲的宽度除了与泵浦功率有关外,还与偏振控制器状态有关.当泵浦功率一定时,小范围内连续改变偏振控制器状态,激光器能持续保持在稳定的DSR状态,脉冲峰值功率降低,宽度增大.图7(a)为泵浦功率409 mW时,激光器输出脉冲随偏振控制器状态的变化.脉冲宽度的变化范围为1.6 ns至3.2 ns.继续改变偏振控制器状态,激光器输出脉冲不稳定,脉冲分裂为2-3个小脉冲,小脉冲的宽度及形状随机变化,图7(b)随机记录了3个分裂后的脉冲.图7 脉冲形状随偏振控制器状态的变化图8 经2 m及25 m单模光纤传输后的脉冲具有线性啁啾的脉冲在负色散光纤中传输时,脉冲会被压缩.DSR脉冲边缘陡峭,中间平坦,有必要确定这种脉冲中心部分是否为线性啁啾.Duan等[15]使负色散掺铒光纤激光器输出的DSR脉冲经过10 m及20 m色散补偿光纤,脉冲宽度几乎不变,脉冲无法被压缩.为确定实验过程中获得的DSR脉冲能否被压缩,研究了输出脉冲在普通负色散光纤中的传输特性.使输出脉冲分别经过2 m,6 m以及25 m单模光纤,其提供的色散值分别为-0.046 ps2,-0.138 ps2及-0.575 ps2.图8给出了光纤经过2 m及25 m负色散光纤后的结果,脉冲宽度基本保持不变.说明实验中获得的DSR脉冲具有非线性啁啾,脉冲无法被压缩.3 结论详细研究了工作在正色散区耗散孤子共振脉冲的输出特性.获得的脉冲重复频率922 kHz,中心波长1 575 nm,光谱宽度约6.66 nm.泵浦功率554 mW时,输出的平均功率15.6 mW,脉冲宽度3.16 ns,单脉冲能量16.9 nJ.实验中探索了泵浦功率和偏振状态对DSR脉冲的影响.当泵浦功率从220 mW升高到554 mW时,脉冲宽度从0.78 ns增加到3.16 ns.泵浦功率409 mW时,改变偏振控制器状态,脉冲宽度在1.6 ns至3.2 ns范围之间变化.研究结果对于更好地理解耗散孤子共振激光器及正色散锁模光纤激光器的工作特性有重要意义.参考文献【相关文献】[1] Keller U. 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一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器[发明专利]
![一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/8071023a76a20029bc642ddd.png)
专利名称：一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器专利类型：发明专利
发明人：曹涧秋,陈毛妮,李昭德,刘爱民,杜赫庭,田源,黄值河,陈恒,陈子伦,王小林,陈金宝
申请号：CN202011314846.4
申请日：20201120
公开号：CN112290364A
公开日：
20210129
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，目的是解决研发成本高、制作难度大问题；本发明由增益模块、两个泵浦模块、两个包层光滤除器、两个光纤光栅和输出耦合端组成；增益模块由两个光纤泵浦合束器和双包层掺镱光纤组成；光纤泵浦合束器将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤中，对双包层掺镱光纤中的镱离子泵浦，产生980nm波段的光场；光纤泵浦合束器包含多个泵浦光输入端；泵浦模块中的泵浦子模块是尾纤输出900～960nm波段的半导体激光器；包层光滤除器由包层光滤除器或多个子包层光滤除器串联而成；光纤光栅中心波长为970～985nm波段。
本发明具有50W量级功率输出能力，结构简单，成本低。
申请人：中国人民解放军国防科技大学
地址：410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
国籍：CN
代理机构：湖南兆弘专利事务所(普通合伙)
代理人：陈晖
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倏逝场作用氧化石墨烯大能量耗散孤子锁模双包层光纤激光器
倏逝场作用氧化石墨烯大能量耗散孤子锁模双包层光纤激光器吴端端;黄义忠;罗正钱;蔡志平;许惠英【摘要】报道了倏逝场作用氧化石墨烯的可饱和吸收体用于锁模掺镱双包层光纤激光器,产生大能量151.54 nJ耗散孤子.利用熔锥光纤倏逝场诱导沉积氧化石墨烯方法,所制备的可饱和吸收体不仅拥有耐高功率、光纤兼容等优点;而且,熔锥光纤引入光带通滤波,有益于耗散孤子在光纤激光腔中形成.同时结合光纤包层泵浦技术,高脉冲能量耗散孤子在锁模掺镱双包层光纤激光器中被获得,产生的耗散孤子单脉冲能量高达151.54 nJ,重复频率271.4 kHz,信噪比57 dB.【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(053)005【总页数】4页(P666-669)【关键词】熔锥光纤;氧化石墨烯;耗散孤子;大能量;锁模【作者】吴端端;黄义忠;罗正钱;蔡志平;许惠英【作者单位】厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门 361005;厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门 361005;厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门 361005;厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门 361005;厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门 361005【正文语种】中文【中图分类】TN248.1石墨烯因其独特的二维原子结构表现出优异的光可饱和吸收性能,可作为优越的锁模或调Q器件，因此,近几年来基于石墨烯锁模/调Q光纤激光器的研究备受关注,是最近激光器研究领域的热点之一．相比较地,氧化石墨烯不仅具有与石墨烯相媲美的可饱和吸收特性[1],同时,由于官能团的存在,还具有很强的亲水性,且直接制备氧化石墨烯水溶液的工艺比石墨烯更为简单、制作成本更低．因此,使用氧化石墨烯可能将更有益于实现锁模激光器的商业化．2009年,剑桥大学研究小组[2]与新加坡南洋理工大学研究小组[3]分别率先报道了石墨烯锁模掺铒光纤激光器．随即掀起了国际上对石墨烯锁模光纤激光器的研究热潮[4-12]．石墨烯锁模从正色散腔至负色散腔，从近红外1 μm至中红外2 μm，从稀土增益光纤至非线性拉曼增益光纤等等,各方面的研究工作均已展开．其中,石墨烯锁模的反常色散腔因易于产生传统的光孤子,限制了孤子脉冲能量(通常小于1 nJ);为获得大脉冲能量锁模脉冲,研究者们通常采用正常色散腔锁模来获得耗散孤子[13]．然而,目前基于石墨烯锁模产生耗散孤子的能量仍不够高[14],主要归咎于:1) 使用端面型石墨烯饱和吸收器件,因腔内激光直接穿透石墨烯,易导致石墨烯热损伤,不利于高能量锁模脉冲的产生．2) 使用单模稀土掺杂光纤导致增益易饱和;Zhao 等[14]使用端面型石墨烯饱和吸收体实现了石墨烯锁模耗散孤子,但其单脉冲能量仅为0.41 nJ．如果采用锥形光纤,石墨烯与表面倏逝光相互作用,散热性能好,益于高功率运转．因此,若采用倏逝场作用石墨烯或氧化石墨烯构成耐高功率可饱和吸收体将是可行的方案之一．另一方面,若采用大模场面积光纤作为增益光纤,易于大泵浦功率注入,获得足够大光增益,即可产生超大能量锁模脉冲[9,15-16]．利用石墨烯锁模掺镱双包层光纤激光器,Liu等[9]已成功获得单脉冲能量163 nJ脉冲,但锁模脉冲并未表现出耗散孤子特征．本文利用975 nm大功率半导体激光器泵浦正色散掺镱双包层光纤激光器,采用倏逝场作用的氧化石墨烯作为可饱和吸收体,得到了151 nJ高能量耗散孤子脉冲输出．大能量耗散孤子的形成主要归因于熔锥光纤带通滤波特性、光纤增益带宽限制、正色散和腔内非线性效应等共同作用的结果．1 实验装置和原理分析大能量耗散孤子锁模掺镱双包层光纤激光器的实验装置如图1所示．最大输出功率9 W的975 nm LD通过980/1 064 nm合束器泵浦一段10 m长的保偏双包层掺镱光纤(YDF,5/130,包层吸收1.7 dB/m @975 nm,工作波长1 060～1 115 nm)．350 m长的单模掺磷光纤插入腔内 (色散值约-4 ps/nm/km波长1 064 nm,截止波长1 000 nm),其主要作用为:1) 加长腔长,降低锁模脉冲的重复频率,从而易于获得大脉冲能量输出;2) 长腔有利于降低锁模阈值[17]．偏振控制器用于调节腔内偏振态优化锁模运转,氧化石墨烯沉积的熔锥光纤作为可饱和吸收体．2个耦合器构成宽带光纤环形反射镜(FLM1、FLM2),形成激光线性谐振腔．其中,FLM1是耦合比为50∶50的耦合器构成的全反镜;FLM2是耦合比为80∶20的耦合器构成,光透射率为36%．我们采用线形腔结构(腔体有效腔长是环形腔的2倍),能增加有效腔长使输出激光的重复频率降低,更加有利于增加单脉冲能量．激光输出的脉冲通过1 GHz的光电探测器连接到示波器和频谱分析仪监测,同时利用光谱分析仪观察其锁模光谱特性．图1 实验装置图Fig.1 Experimental setup实验中,氧化石墨烯沉积的熔锥光纤至关重要．氧化石墨烯制备方法如下:首先采用改进的Hummers法从天然石墨中获得氧化石墨粉体,然后通过高强度超声波震荡制成氧化石墨烯水溶液[18]．经过熔锥光纤倏逝场将溶液中氧化石墨烯片沉积至锥腰部位,这部分的详细过程参见我们之前的工作[19]．本实验所用熔锥光纤是拉伸16 mm后得到的,锥腰直径为7 μm,沉积后的锥体损耗约为2 dB．图2是熔锥光纤氧化石墨烯器件的透射谱和YDF的放大自发辐射光．从图中可以看出,熔锥光纤氧化石墨烯器件对光波长具有选择性,具有梳状带通滤波作用,这起源于熔锥部位存在多模干涉传输效应．尽管YDF具有较宽的增益带宽,然而从图中放大自发辐射光可知,其在1 080 nm附近增益最强．结合熔锥光纤自身的带通滤波特性与YDF的增益特性,这将有利于耗散孤子的形成．图2 熔锥光纤氧化石墨烯器件透射谱(a)和YDF增益谱(b)Fig.2 Transmission spectrum of fiber taper grapheme component and gain spectrum of YDF 2 实验结果分析激光器阈值约为290 mW,锁模阈值398 mW．当泵浦功率达到537 mW时,通过PC调节腔内偏振态,可以获得稳定的锁模脉冲,图3为实验测量得的基波锁模典型脉冲序列图．可以看出，脉冲周期为3.5 μs,重复频率271.4 kHz,为激光腔的基本振荡频率．图3插图为1 ms范围的锁模脉冲序列图,从图中可以看出激光器运行在稳定的锁模状态．通过光谱分析仪(分辨率为0.01 nm)测量了激光器的输出光谱,如图4所示．该光谱的中心波长约为1 085 nm,谱宽约为4 nm．光谱两边各有1个峰,边沿陡峭,说明这是一个典型的耗散孤子锁模光谱．插图为1 ms范围的锁模脉冲序列图.图3 耗散孤子基频锁模的脉冲序列图Fig.3 Pulse train of dissipative-soliton mode-locked pulse at the fundamental frequency图4 耗散孤子锁模输出光谱Fig.4 Output spectrum of dissipative-soliton mode-locked YDF laser为进一步观察锁模的稳定状态,实验中同时通过频谱分析仪测量耗散孤子锁模的频谱,如图5所示．锁模基频为271.4 kHz,信噪比约为57 dB,说明锁模工作在稳定的状态．插图为各次谐波的频谱图,从图中可以看出,激光器处于连续波锁模状态,频谱中包含较强的基底噪声是仪器(GWINSTEK GSP-930)自带的电噪声．插图为耗散孤子锁模各次谐波频谱图.图5 耗散孤子锁模基频频谱图Fig.5Frequency spectrum of dissipative-soliton modelocked pulse at the fundamental frequency当泵浦功率从398.2 mW逐渐上升到676.1 mW时,测量了激光器输出功率和耗散孤子锁模单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线,如图6所示．耗散孤子锁模的输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的增加接近线性增加．当泵浦功率为676.12 mW时,激光器获得了最大39 mW的输出功率,计算可得最大单脉冲能量约为151.54 nJ.激光器获得高能量脉冲的主要原因是:1) 采用包层泵浦技术,以高功率泵浦YDF,获得高增益;2) 使用线形腔增加腔长,降低重复频率；3) 采用倏逝场作用的氧化石墨烯可饱和吸收体,易于耐高功率．图6 单脉冲能量、输出功率与泵浦功率的关系Fig.6 Relationship between single pulse erergy, output power and pump power3 结论本文实现了倏逝场作用型氧化石墨烯的可饱和吸收体用于锁模掺镱双包层光纤激光器产生大能量耗散孤子．利用熔锥光纤倏逝场诱导沉积氧化石墨烯方法,制备了熔锥光纤可饱和吸收体．同时,结合光纤包层泵浦技术,我们在掺镱双包层光纤激光器中获得了大能量耗散孤子,其单脉冲能量最高可达151.54 nJ，重复频率271.4 kHz、信噪比57 dB．大能量耗散孤子的形成是包层泵浦、倏逝场作用型可饱和吸收体、熔锥光纤自身的带通滤波特性、光纤增益带宽限制、腔内光学非线性及色散等因素相互作用的结果．【相关文献】[1] Sobon G,Sotor J,Jagiello J，et al.Graphene oxide vs reduced graphene oxide as saturable absorbers for er-doped passively mode-locked fiber laser[J].OptExpress,2012,20(17):19463-19473.[2] Hasan T,Sun Z P,Wang F Q,et al.Nanotube-polymer composites for ultrafast photonics[J].Advanced Materials,2009,21(38/39):3874-3899.[3] Zhang H,Tang D Y,Zhao L M,et rge energy mode locking of an erbium-doped fiber laser with atomic layer graphene[J].Optics Express,2009,17(20):17630-17635.[4] Luo Z Q,Zhou M,Cai Z P,et al.Graphene-assisted multiwavelength erbium-doped fiber ring laser[J].IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(8):501-503.[5] Martinez A,Fuse K,Xu B,et al.Optical deposition of graphene and carbon nanotubes in a fiber ferrule for passive mode-locked lasing[J].Optics Express,2010,18(22):23054-23061. 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光纤激光器中矩形类噪声多脉冲的行为研究
D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2024.1.083收稿日期:2022-07-21基金项目:安徽省自然科学基金(2008085M F 211);安徽省光通信技术基础教学示范课(2020S J J X S F K 2140);安徽省研究生联合培养示范基地(2022l h p y s f jd 046).第一作者:李凯芯,女,1997-,硕士研究生;研究方向:光纤激光器;E -m a i l :l i k a i x i n 197@163.c o m.通信作者:汪徐德,男,1980-,博士,副教授;研究方向:光纤激光器;E -m a i l :w a n gx u d e m a i l @126.c o m.光纤激光器中矩形类噪声多脉冲的行为研究李凯芯, 汪徐德, 陆梦想, 耿 旭(淮北师范大学物理与电子信息学院,235000,安徽省淮北市) 摘要:报道了基于非线性光纤环形镜(N O L M )锁模的掺铒光纤激光器中矩形类噪声多脉冲演化行为.在基频重复率为2.19MH z 下,可以获得稳定的矩形类噪声脉冲,脉冲宽度从1.25n s 到4.35n s 可调,单脉冲能量可达7.72n J .通过改变泵浦功率和偏振状态,矩形类噪声可分裂成多脉冲,并随着腔参数的不同演化成多种形态,如脉冲间距不等的矩形类噪声脉冲簇,脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声脉冲.实验结果表明,类噪声脉冲具有与孤子脉冲类似的脉冲分裂特性,并随着腔内脉冲数的增加,单个矩形类噪声脉冲宽度逐渐减小.实验结果有助于进一步理解矩形类噪声脉冲的产生机理与多脉冲的动力学特性.关键词:光纤激光器;类噪声;矩形脉冲;多脉冲;非线性光纤环形镜中图分类号:T N 248 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2024)01-0083-060 引 言被动锁模光纤激光器由于具有结构紧凑㊁稳定性高㊁成本小㊁易产生超短脉冲等优势,在光通信㊁军事㊁医疗㊁精密加工等领域有着潜在的应用前景[1-3].到目前为止,人们利用各种锁模方式在光纤激光器中实现锁模脉冲输出,比如利用非线性偏振旋转技术㊁ 8 字腔㊁真实可饱和吸收体㊁M a m y s h e v 再生器㊁多模光纤混合结构等等.借助这些锁模技术,各种不同类型的锁模脉冲已被报道,比如孤子脉冲㊁耗散孤子㊁耗散孤子共振㊁自相似脉冲㊁类噪声脉冲等[4-6],因此,被动锁模光纤激光器为研究各种锁模脉冲的演化特性提供一个理想的平台.一般来说,在被动锁模光纤激光器中产生的脉冲具有高斯或双曲正割形状,但在特定的腔参数条件下,也会产生纳秒尺度的矩形脉冲.相对于传统的孤子脉冲来说,矩形脉冲可以随着泵浦功率的升高而增加其脉冲宽度,同时保持其振幅不变.因此矩形脉冲可以避免脉冲分裂并有效地提高脉冲能量.目前,在光纤激光器中形成矩形脉冲的主要机理有两种:一种是耗散孤子共振,其形成的矩形脉冲是一个单脉冲,脉冲内部没有精细结构,脉冲具有高度相干性;另一种是利用激光腔的峰值功率钳制效应获得方脉冲,典型的有矩形类噪声脉冲,其脉冲行为与耗散孤子共振脉冲具有相似性,不同之处在于,矩形类噪声脉冲是一种部分相干的特殊脉冲,本质上由大量随机变化的小脉冲组成的混沌波包,缺乏时间相干性.由于类噪声脉冲易于产生,具有大的脉冲能量,宽而平滑的光谱,低相干性等特点,已经广泛应用于超连续谱产生㊁材料微加工和低相干光谱测量等领域[7,8].到目前为止,人们已在掺铒㊁掺镱和掺铥光纤激光器中获得了矩形类噪声脉冲,并对其脉冲动力学行为进行了实验研究,比如矩形类噪声脉冲与孤子分子共存㊁矩形类噪声脉冲与耗散孤子共振共存㊁矩形类噪声脉冲双波长可切换操作以及调Q 锁模矩形类噪声脉冲等[9,10].此外,多项研究表明,在具有高非线性的谐振腔中,与耗散孤子共振具有无限增大脉冲宽度不同,矩形类噪声脉冲通过调节偏振控制器或增加泵浦功率,脉冲会发生第50卷 第1期2024年1月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .50 N o .1J a n .2024分裂,形成多个脉冲,并演化出谐波锁模操作.虽然已有关于矩形类噪声脉冲的相关报道,但目前对非线性光纤环形镜(N O L M)锁模光纤激光器产生的类噪声脉冲特性还没有深入的研究.考虑到矩形类噪声脉冲潜在的应用前景以及其丰富的动力学特性,有必要对类噪声多脉冲演化行为进行进一步研究,这既有助于加深类噪声机制原理的理解,也促进其在超快激光器领域的发展和应用.本文利用N O L M作为可饱和吸收体搭建了 8 字形谐振腔激光器.实验中,通过调节腔内参数可以获得脉冲宽度从1.25n s到4.35n s可调,单脉冲能量可达7.72n J的矩形类噪声脉冲.此外,随着腔内非线性的积累,矩形类噪声脉冲分裂为脉冲间距不等㊁脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声多脉冲.实验结果有助于进一步理解矩形类噪声脉冲的本质特性.1实验装置实验中所用的光纤激光器装置如图1所示,由左右两环构成,呈 8 字形腔结构.在整个激光谐振腔中,一个最大输出功率为515mW的980n m半导体激光器作为泵浦源,通过波分复用器(WD M)对2.8m长掺铒光纤(E D F)进行泵浦.一个偏振无关隔离器(P I-I S O)确保激光在左侧环内单向传输.一个30/70的光纤耦合器(O C2)用于连接左右两环,从而形成 8 字形腔结构.右环是由30/70的光纤耦合器构成的N O L M,由于耦合器分光比的不同,N O L M内两路强度不同的光相向传输,在环内往返一周后获得的非线性相移不同,从而形成强度相关的透射特性,以实现锁模.环内加入80m单模光纤(S M F)用来增加腔长并提高腔内非线性,使其有利于矩形类噪声的产生.两个偏振控制器(P C1和P C2)用来调节腔内激光偏振态的状态,一个10/90的耦合器(O C1)作为输出端口,将10%的激光能量输出腔外用于各种仪器的探测.实验所用掺铒光纤的尺寸为6/125μm,数值孔径(N A)为0.23,其在1550n m处群速度色散为-18.5 p s/(n m㊃k m),在980n m处泵浦吸收系数为3.86 d B/m.单模光纤的尺寸为9/125μm,在1550n m 处衰减系数和群速度色散分别为0.19d B/k m和17 p s/(n m㊃k m).整个谐振腔长度为93.8m,谐振腔总的净腔色散约为-1.907p s2,表明整个谐振腔工作在反常色散区域.实验中,输出脉冲的光谱特性使用光谱分析仪(A n r i t s u,M S9740A)进行测量,时域脉冲序列使用带宽4G H z,采样率20G S a/s的高速数字示波器(K E Y S I G H T,M S O S404A)进行观测,脉冲宽度使用自相关仪(F e m t o c h r o m e,F R-103X L)来探测.同时,使用光功率计(J o i n w i t,J W3209)测量输出脉冲的平均功率.图1基于非线性光纤环形镜锁模光纤激光器实验装置图2实验结果与分析2.1典型类噪声锁模实验中,N O L M发挥类可饱和吸收效应[11],通过调节偏振控制器P C1与P C2的角度,升高泵浦功率到119.5mW,被动锁模激光器可以获得稳定的类噪声锁模,如下页图2所示.图2(a)为典型类噪声脉冲的光谱,光谱宽且光滑,无明显凯利边带,其中心波长为1563.1n m,光谱3d B带宽为10n m.图2(b)为锁模脉冲序列,相邻脉冲间距为460n s.图2(c)为扫描带宽2MH z㊁分辨率1k H z时的射频谱图,最大强度信号与2.19MH z频率对应,与总腔长93.8m对应的时间周期相一致,说明激光器处于基频锁模状态.射频谱中46d B的信噪比,表明激光器工作在稳定状态.图2(c)插图为2G H z范围的射频谱,可以看到射频谱在大范围内表现为周期调制,约为1G H z调制周期,这与1n s的矩形脉冲宽度成反比.为了验证该锁模脉冲为类噪声脉冲,图2 (d)给出了对应的自相关迹,可以看到一个狭窄的尖峰坐落于宽的能量基座上,尖峰的宽度为0.643p s,与典型类噪声脉冲特点相符.由于传统的光谱仪测出的是时间平均光谱,其掩盖了类噪声脉冲的实际光谱信息,可通过采用色散傅里叶变换技术获得类噪声脉冲的实时光谱演化48曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年特性[12],如图3所示,可以看出类噪声脉冲光谱表现出混沌的演化过程,具有低相干性,也进一步验证了光纤激光器处于类噪声锁模状态.(a )光谱;(b )时域脉冲序列及单个矩形脉冲;(c )射频谱,插图是扫描范围为2G H z 的射频谱;(d)自相关曲线图2矩形类噪声脉冲图3 矩形类噪声脉冲的光谱演化当类噪声单脉冲形成后,保持偏振控制器P C 1与P C 2不变,逐渐增加泵浦功率,类噪声脉冲的能量会逐渐增加并且脉冲包络不产生分裂.表现为输出的矩形脉冲脉宽会随着泵浦的增强而展宽,但是脉冲振幅基本保持不变,脉冲光谱和脉冲宽度的演化如图4(a )所示.随着泵浦功率的升高,光谱3d B带宽有轻微变化,从10.5n m 到11n m.值得注意的是,泵浦功率变化过程中,光谱中心波长始终处于1566.9n m 不变.图4(b)表示脉冲宽度随着泵浦功率的演化关系,随着泵浦功率逐渐升高,矩形脉冲脉宽也相应展宽,展宽过程中脉冲一直未分裂.图4(c )是随着泵浦功率的增加,脉冲宽度与输出功率的演化图,泵浦功率从120mW 升高到448mW ,脉冲宽度由1.25n s 增宽到4.35n s ,输出功率也随之从4.8mW 增大到16.9mW ,其腔内单脉冲能量相应从2.19n J 增加到7.72n J.(a )光谱演化;(b)脉冲演化;(c)泵浦功率与脉冲宽度㊁输出功率变化关系图4 类噪声锁模演化2.2 相邻脉冲间距不等的类噪声脉冲簇一般来说,泵浦功率增加到一定程度,腔内非线性相移会积累过量,锁模脉冲容易发生分裂,从而形成多脉冲.为了获得丰富的多脉冲演化行为,升高泵浦功率到460mW ,矩形类噪声脉冲开始分裂,由单脉冲分裂为3个次脉冲,相邻脉冲间距不相等,脉冲序列如下页图5(a )所示.保持泵浦功率460mW不变,通过改变腔内偏振控制器P C 1与P C 2的状态,周期时间内所对应的脉冲数量由原来的3个变为4个和6个,如图5(b )和5(c )所示.插图是多脉冲状态下单个类噪声脉冲的放大图,每个脉冲波包形状均为矩形,随着脉冲簇内次脉冲数目的增加,脉宽从1.7n s 减小到0.5n s .在整个调节偏振控制器的过程中,由脉冲序列图中可知,脉冲簇中的脉冲个58第1期 李凯芯,等:光纤激光器中矩形类噪声多脉冲的行为研究数逐渐增多,脉冲宽度逐渐减小,且相邻脉冲间的间距不相等,随机分布.这种随机变化的脉冲间距可能源于脉冲之间的相互作用.(a)3脉冲;(b)4脉冲;(c)6脉冲图5多个脉冲间距不规则的矩形类噪声2.3相邻脉冲间距相等的类噪声脉冲簇进一步仔细调节偏振控制器P C1,固定P C2的角度不变,当泵浦功率达到480mW时,由于相位关系的改变,在示波器上可以观察到另一种多脉冲运行状态,如图6所示.图6(a)给出的是矩形类噪声单脉冲分裂为2个脉冲,这2个脉冲形成脉冲簇,整体作为一个单元以基频的方式在腔内传输.固定偏振控制器P C1,轻微调节P C2,并逐渐增大泵浦功率到495mW㊁515mW,脉冲继续发生分裂,在相等时间间隔的位置分裂出第3个次脉冲与第4个次脉冲,如图6(b)和6(c)所示,因此,这3种情况下脉冲簇内的次脉冲之间具有相等的时间间隔,大约为9n s.内插图为锁模脉冲序列中的单个脉冲放大图,可以观察到每个脉冲形状均为矩形,脉冲宽度由1.1n s减小到0.55n s.所有脉冲峰值强度近似相等,说明时域波形稳定性较好.(a)2脉冲;(b)3脉冲;(c)4脉冲图6多个脉冲间距一致的矩形类噪声2.4谐波类噪声实验中,升高泵浦功率到446mW,固定偏振控制器P C1,微调P C2的角度,在适当的偏振状态下,谐振腔可以实现基频矩形类噪声脉冲输出,锁模脉冲序列如下页图7(a)所示.脉冲与脉冲之间的间距约为460n s,对应基频2.19MH z,这是由谐振腔的总长度决定的.保持偏振控制器P C1与P C2的角度均不变,逐渐升高泵浦功率到469mW㊁492mW,可以观察到锁模脉冲发生分裂,获得谐波锁模输出.68曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年如图7(b)为2次谐波锁模脉冲序列图,一个时间周期内单脉冲分裂为2个次脉冲,相邻脉冲间距减小到230n s,对应脉冲的重复频率为4.38MH z.4次谐波的脉冲序列如图7(c)所示,在一个时间周期内,脉冲数目由2个增加到4个,脉冲间隔减小为115n s,相应重复频率增大到为8.76MH z.插图为锁模脉冲序列的单个脉冲展示,脉冲形状保持矩形不变,脉冲宽度由1.23n s减小到0.45n s.整个演化过程中,锁模光谱形状无明显变化,所有脉冲峰值强度几乎保持一致.与前述的脉冲簇不同的是,脉冲序列中所有脉冲保持一致的间距.本质上,谐波锁模的产生与谐振腔内的损耗和增益恢复所导致的群速度失谐相关,进而使相邻脉冲之间产生相互排斥作用.实验中,随着脉冲分裂数目的变化,宽且光滑的光谱轮廓始终保持不变.多脉冲自相关迹表现为典型类噪声锁模特征,表明激光器工作在类噪声状态下不变.(a)基频;(b)2次谐波;(c)4次谐波图7矩形类噪声谐波锁模在被动锁模光纤激光器中,非线性效应是导致脉冲演化与动力学过程产生的关键.虽然类噪声在示波器上呈现为一个 单脉冲 ,实际上矩形类噪声是一个大的脉冲包络,由许多振幅和脉宽不相同的超短脉冲束缚在一起的波包.此外,泵浦功率或者偏振控制器的改变都会造成腔内非线性效应的改变,从而导致脉冲之间的相互作用也会改变.矩形类噪声脉冲与耗散孤子共振脉冲不同,能量不会持续增大,而是在特定条件下产生脉冲分裂,分裂出来的小脉冲通过随机地重构会重新演化成其他的矩形类噪声脉冲.因此,通过改变这些已经形成的矩形类噪声多脉冲之间的非线性相互作用,多脉冲在腔内进行重组,从而演化出不同形态的矩形类噪声多脉冲.这一极为特殊的性质,有助于我们进一步理解矩形类噪声脉冲的物理机制.3结论本文基于非线性光纤环形镜的 8 字形腔结构被动锁模掺铒激光器实现了稳定的类噪声锁模.脉冲间距不等㊁脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声多脉冲可以通过仔细调节偏振控制器与泵浦功率相继实现.我们发现随着腔内脉冲数的增加,单个矩形类噪声脉冲宽度逐渐减小.实验结果有助于进一步理解矩形类噪声多脉冲的机理与动力学特性.另外,S a g n a c环形镜作为实验中激光器的锁模器件,它既可以作为一个可饱和吸收体,也可以发挥梳状滤波的功能.通过适当地调节环内光纤的双折射,在此腔形结构中,多波长矩形类噪声脉冲将有望被实现.参考文献:[1]R I C HA R D S O N DJ,N I L S S O N J,C L A R K S O N W A.H i g h p o w e r f i b e r l a s e r s:c u r r e n t s t a t u sa n df u t u r e p e r-s p e c t i v e s[J].JO p t S o cA m B,2010,27(11):63-92.[2]P H I L L I P SK C,G A N D H IH H,MA Z U R E,e t a l.U l-t r a f a s t l a s e r p r o c e s s i n g o fm a t e r i a l s:Ar e v i e w[J].A d vO p tP h o t o n i c s,2015,7(4):684-712.[3]董自凯,宋晏蓉.光纤激光器被动锁模技术研究进展[J].中国激光,2021,48(5):98-113.[4]HO R OW I T Z M,B 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物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,No.5(2013)054203基于多通单元的高能量耗散孤子锁模光纤振荡器*谢辰胡明列†张大鹏柴路王清月(天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)(2012年7月22日收到;2012年10月12日收到修改稿)为了在有限抽运功率条件下探索基于大模场面积光子晶体光纤的耗散孤子锁模振荡器的能量提升潜力,本文利用多通单元将基于掺镱大模场面积光子晶体光纤锁模振荡器的腔长延展,消除了有限抽运功率的限制,使得该系统能够在较低平均功率水平下获得更高的单脉冲能量.实验上构建了重复频率低至15.58MHz 的高能量光子晶体光纤锁模脉冲振荡器,并通过分别使用6nm 带宽和12nm 带宽的两种不同带宽的光谱滤光片,能够直接输出平均功率分别为3.73W 和4.9W 的啁啾脉冲,对应单脉冲能量分别为239nJ 和314nJ.经过光栅对去啁啾后,最窄脉冲宽度分别为56fs 和75fs,对应峰值功率均超过3MW.关键词:多通单元,耗散孤子,飞秒,光纤激光器PACS:4265Re,4255.Wd,42.65.Tg,07.60.Vg DOI:10.7498/aps.62.0542031引言飞秒激光器现已广泛应用于研究化学反应中的超快过程、超短脉冲微纳加工、生命科学以及超精密测距等诸多前沿科学技术领域,目前最为广泛使用的高能量飞秒激光系统大多仍是基于固体激光技术的钛宝石锁模激光放大系统.而由于该系统对环境的要求较高、操作维护复杂,同时钛宝石Kerr 透镜锁模需要昂贵高质量的抽运源以及复杂的振荡-放大系统进一步推高了系统的成本,极大阻碍了超短脉冲技术的普及.而光纤锁模激光系统的出现能够大大缓解甚至完全解决上述问题,但起初光纤激光系统输出的功率与能量一直无法很高.随着科技的进步,各种研究结果指出:光纤内过大的非线性是对光纤锁模振荡器直接输出脉冲能量的一个基本限制,如果能够成功解决该问题,甚至仅利用光纤振荡系统即可输出以往振荡-放大系统才能达到的高功率高能量脉冲指标,这就进一步降低了系统的复杂性和成本,同时也能够大大提高系统的稳定性,为超短脉冲技术的进一步普及和推广铺平了道路.为了探索光纤锁模振荡器脉冲能量提升的潜力,Frank Wise 小组从增大脉冲在激光腔内的时间宽度进而降低高峰值功率带来的过高非线性这一方案入手开展了广泛而深入的研究.首先由Chong 等人于2006年基于普通单模光纤(SMF)在全正色散域(ANDi)利用非线性偏振旋转(NPR)锁模机理研制成功耗散孤子锁模光纤激光器[1].到了2007年,他们甚至将基于SMF 的ANDi 激光器输出的单脉冲能量提升至了26nJ 的水平[2].深入的研究表明,基于全正色散域的耗散孤子锁模光纤振荡器是迄今为止由光纤振荡器直接输出单脉冲能量最高的一种锁模方案.到了2010年,Wise 小组又使用了模场直径更大(33µm)的大模场面积光子晶体光纤,从而将输出的单脉冲能量水平提高至百纳焦耳量级[3].而Baumgartl 等随后从提高单模场面积这一方案入手降低光纤内非线性对脉冲能量的限制,利用两种特殊设计的超大模场直径(分别为41µm 和70µm)的大气孔间隙光子晶体光纤,先后于2011年和2012年构建了两台工作于全正色散域的耗散孤子锁模振荡器,更是将基于NPR 锁模方案*国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CB808101,2010CB327604)、国家自然科学基金(批准号:61078028,60838004)、全国优秀博士论文作者专项资金(批准号:2007B34)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20110032110056)资助的课题.†通讯作者.E-mail:huminglie@c ⃝2013中国物理学会Chinese Physical Society 网络出版时间：2013-01-08 09:31网络出版地址：/kcms/detail/11.1958.O4.20130108.0931.002.html光纤振荡器输出的单脉冲能量水平提升至534nJ和867nJ 的世界纪录[4,5].值得注意的是,虽然目前基于NPR 方案锁模振荡器的最高单脉冲能量水平(867nJ)还未超过Baumgartt 等于2009年基于棒状大模场面积光子晶体光纤和半导体可饱和吸收镜(SESAM)构建的振荡器所输出的927nJ 水平,但其亚百飞秒的去啁啾脉宽远窄于基于SESAM 锁模方案的百飞秒量级脉宽[6,7],脉冲质量也远明显优于基于SESAM 方案的脉冲[8],对应的峰值功率高达7MW,数倍于只能压缩到711fs 的基于SESAM 锁模光纤激光器输出的最高峰值功率水平[9].至此,超短脉冲光纤振荡器的单脉冲能量指标已经达到部分放大系统的水平,完全可以基于此高能量、高峰值功率超短脉冲系统构建结构更加简单,成本更为低廉的飞秒加工、超连续光源及太赫兹系统.首个使用NPR 方案并基于约33µm 模场直径大模场面积光子晶体光纤的锁模振荡器输出了142nJ 的单脉冲能量[3],本小组之前基于30µm 模场直径光子晶体光纤的工作报道了202nJ 单脉冲能量的输出[10],这些系统的输出能量指标均被有限泵浦功率所限制.为充分探索该方案输出能量的潜力,本文利用一个多通单元基于模场直径30µm 的商用掺镱大模场面积光子晶体光纤构建了两台重复频率低至15.58MHz 的锁模激光脉冲振荡器.实验中分别探索了使用两种带宽滤光片的系统输出特性:在使用6nm 滤光片的情况下获得了最高239nJ 的单脉冲能量(平均功率3.73W),而使用带宽更宽的12nm 滤光片能够将直接输出的单脉冲能量提高至314nJ (平均功率4.9W);经过腔外光栅对压缩后,输出峰值功率均超过了3MW.该输出指标可以替代一些放大系统构成结构简单、低成本且高稳定性的高能量高峰值功率超短脉冲光源.2实验装置基于之前的工作[10]改进成的基于多通单元的激光振荡器实验装置如图1所示.整个系统基于环形腔结构,以一段1.1m 长的掺镱双包层大模场面积光子晶体光纤(Yb-LMA-PCF)作为增益介质,作为抽运光波导的内包层直径为170µm,数值孔径为0.62;直径40µm 的单模纤芯对976nm 抽运光的吸收系数为13dB/m.实验中利用了一个最高输出功率35W 的976nm 激光二极管(LD)提供抽运光,通过两个非球面透镜将抽运光准直并耦合入Yb-LMA-PCF.为防止光纤端面形成的寄生振荡,将两个端面分别进行了气孔塌陷并打磨成8◦角.由于本文工作所采用的大功率激光二极管抽运源的输出功率有限,为了探索该方案的脉冲能量提升潜力,因此以一对相距0.81m 、曲率半径为2m 的高反球面镜构成一个多通单元(MPC)放置于激光腔内延展腔长以降低重复频率,这样能够充分利用有限抽运功率,从而在相同的输出平均功率水平下得到对应更高单脉冲能量的锁模脉冲序列.而仅由高反射球面镜构成的多通单元不会引入任何脉冲能量提升机理,因此可以用其在实验室现有条件下研究腔内其他物理机理对脉冲能量提升的影响.此外,低重复频率对于超短脉冲的后续应用也是一种优势,尤其在超短脉冲加工领域能够有效减少高重复频率脉冲带来的热量累积效应.图1实验装置图(LD,大功率激光二极管;DM,双色镜;Yb-LMA-PCF,掺镱大模场面积光子晶体光纤;HWP,1/2波片;QWP,1/4波片;PBS,偏振分束器;ISO,光学隔离器;HR,高反镜;MPC,多通单元;SF,滤光片)由光纤纤芯输出的激光经过非球面透镜准直后,在自由光路内经过两个双色镜(DM)和两个高反镜(HR)耦合进入多通单元(MPC),期间由1/2波片(HWP)、1/4波片(QWP)和偏振分束器(PBS)构成的装置用以将脉冲在光纤内的非线性偏振旋转转化成等效快速可饱和吸收体的振幅调制,PBS 的反射端口作为振荡器的输出端口,而另一部分的透射脉冲能量经过一个1/2波片和一个保证脉冲在激光腔内单向运转的40dB 光学隔离器(ISO)后,由一个高反射镜注入多通单元;脉冲在多通单元内经过18次反射后输出至后续自由光路,再经过一个带宽有限的滤光片和1/4波片后由若干高反镜、双色镜以及非球面透镜注入回光纤纤芯,构成闭环反馈.3实验结果与分析由于激光腔内没有任何引入负色散的器件,并且在腔内引入了一个提供耗散作用的滤光片,因此该激光器是一台工作于全正色散域内的耗散孤子锁模光纤振荡器.在一定的抽运功率下,通过仔细调节各个波片的取向,能够获得稳定的锁模脉冲序列.而引入了多通单元后,锁模脉冲序列的重复频率低至15.58MHz.此时提高抽运功率能够增加输出锁模激光脉冲的功率,对于使用6nm 滤光片的情况,最高输出功率可达3.73W,对应单脉冲能量239nJ,这已经突破之前工作中有限抽运功率对能量指标的限制[10];当使用12nm滤光片时,最高输出功率更是达到了4.9W(单脉冲能量314nJ);实验中还尝试使用了20nm带宽的滤光片以及不使用任何滤光片的情况,但这两种情况下均难以获得稳定的锁模状态,且对应锁模瞬间输出的脉冲光谱形状及宽度相似,其原因是引入过宽带宽的滤光片(比如20nm)甚至不引入滤光片时,腔内脉冲没有遇到任何滤波耗散的作用,因此在由全正色散分布的激光腔内难以获得稳定的自洽循环.分别使用两种带宽的滤光片所获得的稳定最高能量锁模脉冲在腔外经过一个光栅对进行时域压缩,得到去啁啾后的脉冲自相关曲线如图2(a)和(b)所示.使用6nm滤光片时,根据图2(c)中实际测量的光谱可以得到变换极限脉冲的半高全宽(FWHM)约为56fs;而使用12nm滤光片时,由相应光谱得到的变换极限脉冲宽度约为75fs.该激光系统使用较窄滤光片时的光谱更宽,即对应的去啁啾脉宽更窄,这一特性是全正色散域内的耗散孤子锁模激光器的固有属性[11].由测量光谱得到的变换极限脉冲自相关曲线与相应实际测量得到的去啁啾脉冲自相关曲线非常符合,仅在曲线的旁瓣处有微小的差异.这是由于光栅对和光纤分别引入的高阶位相不匹配造成的,但该高阶不匹配对脉冲半高全宽的影响可以忽略,这说明经过光栅对去啁啾后的脉冲基本达到了对应光谱的变换极限脉冲.考虑到光栅对压缩器约80%的系统透过率以及脉冲旁瓣部分残留的能量,两种情况下去啁啾后对应的峰值功率均超过了3MW.图2(d)中给出了使用6nm滤光片下进一步增加抽运功率至输出功率达4.61W时的光谱演化.进一步提高抽运功率会导致脉冲序列中的直流成分变高,并且仔细调节波片取向无法将直图2振荡器输出:使用(a)6nm和(b)12nm带宽滤光片时,经光栅对去啁啾后脉冲及由(c)相应光谱得到变换极限脉冲的自相关曲线;(d)使用6nm滤光片时,不同输出功率水平下的光谱流成分抑制.虽然这种情况下还能够提高输出功率,但由于较高的直流成分占据了大量的能量,无法正确计算单脉冲能量,并且直流成分还会和脉冲成分竞争增益,导致锁模状态不稳定,因此这样的指标毫无意义.使用12nm滤光片的情况类似,因此并未列出.实验中使用了最大延迟为50ps的自相关器与一个响应时间小于35ps的快速探测器以及两个不同带宽(400MHz和20GHz)的示波器确定系统的单脉冲运转.在使用两种不同带宽滤光片并输出各自最高单脉冲能量的情况下,在50ps延迟的自相关器上以及400MHz和20GHz示波器(图3(a)和(b),由于两种滤光片下的示波器图像几乎无差别,仅列出12nm滤光片最高输出功率下的示波器时域序列图像)上均未看到任何子脉冲.更为详细的稳定性可以通过频谱仪测量,图3(c)和(d)分别为使用两种滤光片时脉冲时域序列的射频噪声谱,二者的信噪比均超过了70dB.图3脉冲的稳定性:使用12nm滤光片时,以(a)400MHz示波器(500ns/格)和(b)20GHz示波器(10ns/格)测得的输出4.9W平均功率下的脉冲时间序列;使用(c)6nm和(d)12nm滤光片时的最高输出功率下的射频谱4结论本文利用多通单元延展腔长降低重复频率,克服了以往工作中有限功率抽运源对振荡器输出单脉冲能量指标的限制,构建了基于掺镱大模场面积光子晶体光纤的低重复频率耗散孤子锁模振荡器.该系统工作于全正色散域内,重复频率为15.58 MHz.探索了使用两种不同带宽滤光片时的系统输出特性,使用6nm滤光片能够获得单脉冲能量较低(239nJ)而去啁啾后时域宽度较窄(56fs)的脉冲;使用12nm滤光片能够获得单脉冲能量较高(314nJ)而去啁啾后时域宽度较宽(75fs)的脉冲.两种情况下对应去啁啾后的峰值功率相当,均超过3MW,且均可实现信噪比超过70dB的稳定锁模运转.输出如此高能量、高峰值功率的窄脉冲振荡器可以替代一些输出指标较低的放大系统,同时降低了系统的复杂性及成本,能够进一步实现低成本、小型化、高稳定性的高能量超连续光源、太赫兹系统以及飞秒加工系统.感谢天津大学电子信息工程学院于晋龙教授和王菊博士在高速示波器测量上的协助.[1]Chong A,Buckley J,Renninger W,Wise F2006Opt.Express1410095[2]Chong A,Renninger W H,Wise F W2007Opt.Lett.322408[3]Lefranc¸ois S,Kieu K,Deng Y,Kafka J D,Wise F W2010Opt.Lett.351569[4]Baumgartl M,Jansen F,Stutzki F,Jauregui C,Ortac¸B,Limpert J,T¨u nnermann A2011Opt.Lett.36244[5]Baumgartl M,Lecaplain C,Hideur A,Limpert J,T¨u nnermann A2012Opt.Lett.371640[6]Song Y J,Hu M L,Xie C,Chai L,Wang Q Y2010Acta Phys.Sin.597105(in Chinese)[宋有建,胡明列,谢辰,柴路,王清月2010物理学报597105][7]Fang X H,Hu M L,Song Y J,Xie C,Chai L,Wang Q Y2011ActaPhys.Sin.60064208(in Chinese)[方晓惠,胡明列,宋有建,谢辰,柴路,王清月2011物理学报60064208][8]Baumgartl M,Ortac¸B,Lecaplain C,Hideur A,Limpert J,T¨u nnermannA2010Opt.Lett.352311[9]Ortac¸B,Baumgartl M,Limpert J,T¨u nnermann A2009Opt.Lett.341585.[10]Zhang D P,Hu M L,Xie C,Chai L,Wang Q Y2012Acta Phys.Sin.61044206(in Chinese)[张大鹏,胡明列,谢辰,柴路,王清月2012物理学报61044206][11]Chong A,Renninger W H,Wise F W2008J.Opt.Soc.Am.B25140High energy dissipative soliton mode-lockedfiber oscillator based on a multipass cell∗Xie Chen Hu Ming-Lie†Zhang Da-Peng Chai Lu Wang Qing-Yue(Ultrafast Laser Laboratory,College of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering,Key Laboratory of Opto-electronics Information Technology(Ministry of Education),Tianjin University300072,China)(Received22July2012;revised manuscript received12October2012)AbstractTo investigate the energy scaling level of large-mode-area photonic crystalfiber-based dissipative soliton mode-lockedfiber os-cillators under limited pump power,a multipass cell is inserted in the cavity to lower the repetition rate of the system,and thus higher single energy level can be mapped under the same average power level.High energy mode-lockedfiber lasers based on two spectral filters with different bandwidths are demonstrated both working in the all-normal dispersion regime at a repetition rate of15.58MHz. Employment offilters with FWHMs of6nm and12nm can achieve stable mode-locked pulses with average powers of3.73W and4.9 W,corresponding to single pulse energies as high as239nJ and314nJ,respectively.The FWHM durations of the dechirped pulses by a transmission grating pair can reach56fs and75fs,which can generate pulses with peak powers exceeding3MW in both cases.Keywords:multipass cell,dissipative soliton,femtosecond,fiber laserPACS:4265Re,4255.Wd,42.65.Tg,07.60.Vg DOI:10.7498/aps.62.054203 *Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant Nos.2011CB808101,2010CB327604),the National Natural ScienceFoundation of China(Grant Nos.61078028,60838004),the Foundation for the Author of National Excellent Doctoral Dissertation(FANEDD)(Grant No.2007B34),and the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(Grant No.20110032110056).†Corresponding author.E-mail:huminglie@。