雙重復頻率鎖模Yb:YAG陶瓷激光器?

楊超 顧澄琳 劉洋 王超 李江 李文雪

1)(華東師范大學,精密光譜科學與技術國家重點實驗室,上海 200062)

2)(中國科學院上海硅酸鹽研究所,中國科學院透明光功能無機材料重點實驗室,上海 201899)

1 引 言

雙光梳精密測量技術在實時雙光梳光譜[1?4]、雙光梳測距[5,6]、異步光學采樣光譜探測[7]和光纖布拉格光柵傳感[8]等領域具有重要的應用.與傳統的依賴高精度機械動鏡掃描技術的傅里葉光譜儀相比,雙光梳光譜技術具有靜態光外差探測、超高光譜分辨率、高靈敏度、超高采樣速率等一系列突出優勢,近年來取得了飛速發展.原理上,雙光梳光譜技術是采用兩個重復頻率稍有差異的光學頻率梳拍頻產生一個穩定的微波梳,實現光學頻率一對一地下轉換到電學元件可探測的微波頻段,再通過光電探測器采集拍頻后的時域干涉圖,將該圖樣進行傅里葉變換等數據處理后,重建光學頻率梳的頻域光譜信息.應用上,目前多數雙光梳系統是基于兩臺獨立運行的鎖模激光器種子源搭建,且需要配套的穩定控制電路模塊、功率放大模塊和超連續譜產生模塊,因而,整套系統結構復雜、體積龐大、成本高昂、維護困難,這些缺陷極大地制約了雙光梳系統在實驗室之外環境的實用性.

為了簡化系統,并實現在復雜的開放環境中穩定運行,設計緊湊型、環境免疫型的雙光梳系統是其走向實用化的發展方向.一個簡單實現方法就是基于新型雙重復頻率鎖模激光器[9]進行雙光梳光譜探測,即用同一個諧振腔產生重復頻率稍有差異的兩套鎖模脈沖序列取代兩個獨立的鎖模激光器作為雙光梳系統的種子源.雙重復頻率鎖模脈沖共享同一個腔而具有內在相干性、相對穩定的重復頻率差、近似的激光參數、廉價的成本、易集成化等一系列優勢,其下轉換得到的微波頻率梳可以實現梳齒分辨精度,具有良好的快漂特征,是理想的實時雙光梳光源.基于雙重復頻率鎖模激光器的單腔雙光梳光譜已經成為研究熱點[10?13],對推動雙光梳系統小型化和集成化具有重要的意義.迄今為止,已報道的雙重復頻率脈沖激光器類型涵蓋有光纖激光器、半導體激光器和固體激光器.對于基于光纖的雙重復頻率鎖模激光器,2013年,中國科學院西安光學精密機械研究所[14]基于摻鉺光纖雙向環形腔獲得了重復頻率為11 MHz的穩定雙重復頻率鎖模脈沖輸出.2014年,Gong等[15]首次在摻鉺光纖環形腔激光器中加入一段全保偏光纖引入雙折射,通過平衡快、慢軸模式的增益和損耗實現了雙重復頻率鎖模.2016年,Kolano等[16]首次實現了基于全保偏光纖的雙重復頻率鎖模脈沖輸出.2017年,Liao等[17]實現了基于非線性放大環形鏡鎖模機制的2μm波段的雙重復頻率飛秒摻銩光纖激光器.上述雙重復頻率鎖模光纖激光器的重復頻率都較低,而重復頻率決定了雙光梳光譜的采樣速率和光譜測量范圍,高重復頻率在高速、寬譜雙光梳光譜等前沿領域具有獨特的實用性.固體激光器和半導體激光器是獲得單脈沖能量大、穩定性好的高重復頻率鎖模脈沖的極佳選擇.2015年,Link等[9]首次將半導體增益介質和半導體可飽和吸收體集成為芯片,在直線型腔內插入方解石晶體實現了1.8 GHz的雙重復頻率偏振正交的鎖模集成外腔面發射激光器.同年,Chang等[18]充分利用Yb:KYW晶體材料的雙折射效應和高非線性折射率特征,實現了重復頻率高達25 GHz的光學主軸Np和Nm偏振正交的雙重復頻率自鎖模脈沖輸出.2016年,Ideguchi等[12]在雙向環形腔鈦寶石激光器中實現了重復頻率為932 MHz的雙重復頻率自鎖模飛秒脈沖輸出,并驗證了雙重復頻率脈沖間的相對穩定性、良好的時間相干性以及應用于雙光梳光譜探測的可行性.

本文報道的雙重復頻率鎖模Yb:YAG激光器采用新型非水基流延成型制備的Yb:YAG透明陶瓷作為增益介質,該介質具有生長周期短、造價低、結構致密、允許復合結構生長、抗損傷閾值高、離子可摻雜濃度高、導熱性能優異和量子效率高等一系列優勢,適合產生高效的高重復頻率超短脈沖[19?22].同時,采用雙通道抽運技術,實現了雙脈沖光束在腔內空間光路徑分離,產生了雙重復頻率脈沖輸出,同時避免了雙重復頻率脈沖序列間的互相干擾,通過半導體可飽和吸收體鎖模機制實現了穩定的自啟動雙重復頻率鎖模皮秒脈沖輸出.空間完全分離的雙重復頻率脈沖的重復頻率分別為448.918和448.923 MHz,重復頻率差為5 kHz,相應的雙重復頻率脈沖寬度分別為2.8和2.6 ps,實驗結果驗證了雙通道抽運技術在雙重復頻率鎖模激光器應用中的可行性,且此新型的雙重復頻率振蕩器是一種可供選擇的緊湊型單腔基雙光梳光譜測量系統的種子源.

2 實驗裝置

雙重復頻率鎖模Yb:YAG陶瓷激光器的實驗裝置如圖1所示.為實現雙重復頻率鎖模脈沖運行,利用兩塊相同的偏振分束器(AR@940 mm,即鍍940 nm增透膜)和兩片半波片設計了雙通道抽運結構.實驗中,使用中心波長和尾纖芯徑分別為940 nm和105μm的激光二極管作為抽運源,其最大輸出功率為30 W,兩片消色差膠合透鏡對抽運光進行準直,準直后的抽運光功率在雙通道抽運結構中先被第一塊偏振分束器平分成Pump1和Pump2兩路,抽運光路在圖1中用紫色顯示,然后兩支路抽運光再經過另一塊偏振分束器進行合束,合束的雙通道抽運光通過一塊焦距為50 mm的消色差膠合透鏡分別聚焦在Yb:YAG陶瓷內兩處,在兩塊偏振分束器間插入的半波片作為抽運衰減器用來單獨控制入射陶瓷的分路抽運光的強度.實驗采用的五鏡腔結構由一塊半導體可飽和吸收鏡(SESAM)和四片腔鏡構成,其中M1是平面雙色鏡(AR@976 nm,在976 nm處透過率T>95%;HR@1020—1130 nm,即鍍1020—1130 nm波段高反膜,反射率R=99.99%),M2和M3(AR@976 nm,T>95%;HR@1020—1130 nm,R=99.99%)均為球凹面鏡,曲率半徑分別為200和100 mm,輸出鏡OC(HR@1020—1120 nm)的透射率是2%,SESAM的飽和能量密度和飽和吸收系數分別為70μJ/cm2和2%.Yb:YAG陶瓷樣品被銦箔均勻緊裹裝置在14?C的水冷純銅熱沉上以消除熱負荷,從而保證穩定高效的激光輸出.通過計算ABCD矩陣,可得腔模在陶瓷內部和SESAM表面的束腰直徑分別為113和59μm,通過優化陶瓷內和SESAM表面上的光斑束腰以及抽運光與腔模的重疊度,微調M2平衡雙脈沖光束在同一腔內的損耗,可使振蕩器產生穩定的雙重復頻率鎖模脈沖.

圖1 雙重復頻率鎖模Yb:YAG陶瓷激光器實驗裝置圖(Pump1和Pump2是抽運光的兩個通道;M1,M2,M3均為雙色鏡;LD為半導體二極管;SESAM為半導體可飽和吸收鏡;OC為輸出耦合鏡;λ/2為半波片)Fig.1.Schematic of the dual-comb mode-locked Yb:YAG ceramic laser.Where,Pump1 and Pump2,two path of pump lasers,respectively;M1,M2,M3,dichroic mirrors;LD,laser diode;SESAM,semiconductor saturable absorber mirror;OC,output coupler;λ/2,half wave plate.

3 實驗結果與討論

實驗中,首先,使Pump1單獨抽運,在足夠抽運功率下,精細優化諧振腔參數,先實現Pulse1穩定鎖模;其次,使Pump2單獨抽運,在足夠的抽運功率下,精細調節Pump2相對于Pump1的方位,實現Pulse2穩定鎖模;然后,對Pump1和Pump2合束進行抽運,并調整雙束抽運光的相對位置至聚焦光斑在陶瓷內部分離,輔助微調M2偏角平衡雙脈沖在腔內損耗,使得輸出雙脈沖激光光斑空間分離且亮度相當,反復優化,最終得到穩定的光束空間分離的雙重復頻率鎖模脈沖輸出.圖2所示為雙重復頻率鎖模脈沖平均輸出功率隨吸收抽運功率的變化曲線.由圖2可知,從連續激光起振到雙重復頻率脈沖鎖模的過程,先后共出現三種激光運轉狀態,當吸收抽運功率小于4.8 W時,激光器處于雙連續波運轉狀態,兩激光在實現連續運轉輸出時的閾值抽運功率分別為2.5和3.3 W,說明兩束光在諧振腔內運行時的損耗不同.Pulse1和Pulse2雙連續波運轉時的最大功率分別為45和34 mW;當吸收抽運功率在4.8—5.6 W時,激光器處于Pulse1鎖模狀態,此時Pulse2由于損耗較大仍舊處于連續運轉狀態;當吸收功率高于5.6 W時,激光器進入雙重復頻率鎖模狀態,Pulse1和Pulse2同時穩定鎖模,雙重復頻率同時鎖模,總輸出功率閾值為122 mW,且當吸收功率高于6.5 W時,激光器輸出功率逐漸趨于飽和,在吸收功率達到7 W時,雙脈沖輸出平均功率之和達到最大值170 mW,其中,Pulse1和Pulse2的平均功率分別為89和81 mW.相同的抽運功率下,Pulse1平均功率始終高于Pulse2,說明它們在腔內往復振蕩的損耗不同.雙重復頻率脈沖的輸出功率以相近的斜效率隨吸收抽運功率線性變化,且雙重復頻率鎖模脈沖的總功率等于兩列脈沖單獨鎖模時的功率之和,說明空間分離的雙重復頻率鎖模脈沖序列之間沒有發生增益競爭,彼此穩定運行互不串擾.在實驗中,還發現當兩束脈沖在Yb:YAG陶瓷內部部分相交時,雙脈沖之間發生增益競爭,造成雙重復頻率鎖模不穩定.此時,雙重復頻率同時鎖模時輸出總功率小于雙重復頻率脈沖在單獨鎖模時的功率之和.

圖2 雙重復頻率脈沖輸出平均功率隨吸收抽運功率的變化(Pulse1和Pulse2分別指代兩套重復頻率脈沖;DCW為雙連續波運轉狀態;PML為Pulse1單鎖模狀態;DML為雙重復頻率鎖模狀態)Fig.2.Average output power of dual frequency-rate pulses versus absorbed pump power.Where,Pulse1 and Pulse2,two mode-locked pulses with different repetition-rates;DCW,dual-continuous wave state;PML,Pulse1 single-mode-locked state;DML:dual repetition-rate mode-locked state.

將空間完全分離的雙重復頻率脈沖在腔外合束進行拍頻,利用數字示波器(RIGOL,DS6102)和頻譜分析儀(Agilent,N9010A)分別記錄下雙重復頻率鎖模脈沖序列和射頻頻譜.如圖3(a)所示,雙重復頻率鎖模脈沖的干涉信號時間周期約為0.2 ms,在5 h觀測時間內,鎖模狀態維持了良好的穩定性.圖4(b)所示為雙重復頻率脈沖的重復頻率及重復頻率差.Pulse1和Pulse2的重復頻率分別約為448.918和448.923 MHz,信噪比達60 dB,重復頻率差為5 kHz,重復頻率差主要來自于雙重復頻率脈沖在腔內光路之間微小的夾角;增益介質的非線性折射率隨抽運功率強度變化也會影響重復頻率差.在這里,定義雙脈沖之間夾角為θ,假設腔長為L,那么它的重復頻率f可以表達為f=c/(2L).考慮到球面全反鏡并不會使平行入射的兩束光產生光程差以及在腔內嚴格平行運轉的兩束光的光程相等,根據幾何關系,可以得到夾角為θ的雙光束在腔內往復運轉一次產生的光程差?L近似為

其中則(1)式進一步簡化為

從(2)式可知,當雙脈沖之間夾角θ不為零時,光程差?L也不為零,從而導致同一個腔內運行的兩列脈沖具有一定的重復頻率差,于是,雙重復頻率脈沖的重復頻率差?f可表達為

由(3)式可以看出,重復頻率差?f是雙光束夾角θ的二次函數,當θ=0,即雙光束在腔內平行時,最小重復頻率差值為0,在實驗中可通過調節Pump2通道的抽運光入射角度來改變雙脈沖之間的夾角θ,實現對重復頻率差連續調諧.此外,通過半波片衰減器調節抽運光功率,也可以對重復頻率差進行精細調諧.

實驗中,分別采用光譜儀(YOKOGAWA,AQ6370C)和自相關儀(APE,Pulse Check)測量了雙重復頻率鎖模脈沖的光譜和脈寬.圖4(a)所示為相同抽運功率下雙重復頻率鎖模脈沖Pulse1和Pulse2的光譜,光譜儀的分辨率為0.2 nm,兩束脈沖光譜形狀相似,中心波長略微不一致,分別為1029.6和1029.8 nm,且相對應的光譜半高全寬分別為1和1.16 nm.這是由于雙重復頻率脈沖列在腔內往復運轉損耗不同造成的.如圖4(b)所示,雙重復頻率鎖模脈沖的強度自相關信號與高斯線型良好擬合,得到Pulse1和Pulse2的脈沖寬度分別為2.8和2.6 ps,脈沖的時間帶寬積分別為0.79和0.85,借助色散補償技術可進一步同時壓縮雙重復頻率脈沖寬度.

圖3 雙重復頻率脈沖Pulse1和Pulse2的(a)鎖模脈沖序列和(b)重復頻率頻譜Fig.3.(a)Mode-locking pulse trains and(b)ratio spectra for Pulse1 and Pulse2 as dual frequency-rate pulses.

圖4 雙重復頻率鎖模脈沖Pulse1和Pulse2的(a)光譜和(b)自相關軌跡Fig.4.(a)Optical spectra and(b)autocorrelation traces of both dual repetition-rate Pulse1 and Pulse2.

4 結 論

本文報道了基于新型非水基流延成型制備的Yb:YAG透明陶瓷,采用雙通道抽運結構和SESAM鎖模技術,通過精細地優化腔型參數,在單一五鏡腔中實現了穩定的高重復頻率雙鎖模脈沖運行.脈沖序列Pulse1和Pusle2的重復頻率分別為448.918和448.923 MHz,重復頻率差約為5 kHz,雙重復頻率脈沖序列Pulse1和Pulse2的脈沖寬度分別為2.8和2.6 ps,各自對應的光譜寬度分別為1和1.16 nm.實驗結果證明了雙通道抽運技術在雙重復頻率鎖模激光器應用的可行性,與已有研究相比,我們的實驗方案兼具自啟動、高重復頻率和雙重復頻率脈沖空間分離輸出等特點,是一種可供選擇的單腔基雙光梳光譜系統的光源設計方案,將大大降低雙光梳系統的復雜性和成本,提升雙光梳光譜系統在復雜環境中的穩定性.今后,通過縮短腔長、利用高增益的介質結合啁啾鏡色散補償技術,有望獲得重復頻率更高、脈寬更窄和性能更加優異的雙重復頻率鎖模飛秒脈沖[23,24].

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