高功率全光纖1.6 微米類噪聲方形脈沖激光器*

竇志遠 張斌2)3) 劉帥林 侯靜2)3)?

1) (國防科技大學前沿交叉學科學院, 高能激光技術研究所, 長沙 410073)

2) (脈沖功率激光技術國家重點實驗室, 長沙 410073)

3) (高能激光技術湖南省重點實驗室, 長沙 410073)

1 引 言

被動鎖模摻鉺光纖激光器可用于獲得從飛秒到微秒各時間尺度的脈沖, 其在光通信、精密計量、激光加工等領域有著廣泛的應用[1?3]. 傳統的摻鉺光纖激光器主要工作波長位于C 帶(1530—1565 nm)[4?7], 由于L 帶(1565—1625 nm)激光在密集波分復用系統、生物醫療等方面有著極其重要的應用, 因此在L 帶也涌現出了許多研究成果[8,9]. 然而相比于C 帶, 摻鉺光纖在1.6 μm 以上發射區的有效增益系數非常小, 很難獲得激光發射, 其激光放大也將受到很強C 帶自發輻射的影響[10,11]. 基于上述原因, 對L 帶光纖激光器的研究主要集中在短波L 帶(1565—1600 nm), 無論是連續光激光器還是脈沖光激光器, 發射波長在1.6 μm以上的摻鉺或鉺鐿共摻光纖振蕩器的報道都非常少.

使用光纖光柵、濾波器等波長選擇元器件作可以獲得對應波長的振蕩激光. 另外, 理論證明, 摻鉺激光器的發射波長與腔損耗、所使用增益光纖的長度、鉺離子摻雜濃度有直接關系[12?14]. 通過合理控制三個參數, 在無波長選擇元器件的激光腔中仍可獲得1.6 μm 以上的激光發射. 文獻[15]中報道, 當摻鉺光纖保持適度的能級粒子數反轉水平(30%—40%), 有利于在1.6 μm 獲得較高的增益. 通過插入一個可調節衰減器, 優化調整腔內線性插入損耗, 可以使粒子數反轉維持在一個合適的水平, 從而獲得1.6 μm 波長輸出. 一般較低的腔內損耗有利于長波發射[13]. 基于對腔內插入損耗的控制, 利用石墨烯、拓撲絕緣體等材料類可飽和吸收體可獲得1.6 μm 波段諧波傳統孤子鎖模脈沖輸出[16,17].使用較長的摻鉺光纖也是獲得1.6 μm 發射的一種有效方式[18]. 較長的增益光纖可以抑制短波發射,增強長波發射. 2016 年, Yan 等[18]利用較長的摻鉺光纖在1602 nm 處獲得了耗散孤子輸出. 同年,Wang 等[11]通過級聯一段高摻雜摻鉺光纖保證適中的粒子數反轉, 以限制C 帶發射, 獲得了1.6 μm波段的全光纖自相似子輸出. 事實上, 鉺鐿共摻光纖的帶內吸收作為增益光纖極為重要的一項參數,直接影響C 帶的吸收和發射, 進而影響L 帶的發射, 但目前沒有關于帶內吸收調控對輸出波長影響的直接研究報道.

在反常色散全光纖鎖模激光器中, 傳統孤子容易受到非線性積累的影響而分裂, 因而很難獲得高功率大能量的脈沖輸出[19]. 近年來, 耗散孤子諧振作為一種新型的脈沖形式, 受到峰值功率鉗制效應的影響, 脈沖時域包絡一般為矩形. 隨著泵浦功率的升高, 脈沖寬度相應變寬而不易分裂[20?22].2014 年, Zheng 等[23,24]發現了一種類噪聲方形脈沖, 不同于耗散孤子諧振, 這種脈沖是由大量飛秒-皮秒量級子脈沖構成的脈沖包絡, 在光學相干層析、超連續譜產生、微加工等領域應用廣泛, 其脈沖演化過程與耗散孤子諧振脈沖極其相似, 同樣不易分裂. 方形脈沖的出現為在凈反常色散區實現高功率大能量全光纖鎖模激光器提供了全新的解決思路. 目前工作波長在1.6 μm 以上的鉺鐿共摻全光纖脈沖激光器輸出功率局限在百毫瓦量級[10,11,15,16,18].

本文為了獲得工作波長在1.6 μm 以上的瓦量級高功率大能量鉺鐿共摻全光纖鎖模激光器, 利用緊湊的啞鈴形結構腔設計, 結合大模面積雙包層鉺鐿 共 摻 光 纖(Er-Yb co-doped double-clad fiber,EYDF), 使得激光器可以高效地工作在較大泵浦功率下. 實驗中使用兩種具有不同帶內吸收系數的EYDF, 首次直接證明了帶內吸收調控可作為一種有效的波長控制方法, 高帶內吸收有利于長波的發射. 實驗中獲得了高穩定1.6 μm 高功率大能量類噪聲方形脈沖, 最大平均輸出功率和單脈沖能量分別為1.16 W 和1.26 μJ. 首次研究了附加插入損耗對類噪聲方形脈沖鎖模激光器輸出特性的影響,證明利用高帶內吸收系數的EYDF 設計的激光器對1.6 μm 輸出波長具備極強的魯棒性.

2 實驗結構

啞鈴形結構全光纖EYDF 鎖模激光器裝置如圖1 所示. 泵浦源為一個高穩定商用976 nm 多模半導體激光器(LD), 最大輸出功率為8 W. 泵浦光通過一個(2+1) × 1 合束器(Combiner)進入到大模面積EYDF 中. 為了研究帶內吸收對激光器輸出波長的影響, 作為對比, 采用了兩種具備不同帶內吸收系數的EYDF 作為增益介質. 兩種光纖在1530 nm 處的特征帶內纖芯吸收系數分別100 dB/m(EYDF1)和50 dB/m(EYDF2).兩 種光纖具有相同的長度、纖芯/包層直徑、數值孔徑以 及976 nm 處 泵 浦 吸 收 系 數,分 別 為4.1 m、10/125 μm、0.21 和9 dB/m. 殘余的976 nm 泵浦光以及泄露到包層中的信號光通過包層光功率剝除器(cladding power stripper, CPS)進行濾除,以避免其對鎖模輸出穩定性造成影響. 結構兩側分別為兩個Sagnac 光學環形鏡, 由于整體結構外形近似于啞鈴, 所以稱這種結構為啞鈴形結構. 通過靈活設計左右兩側的Sagnac 反射環, 可以在這種腔內獲得不同類型的脈沖激光輸出. 對比經典的八字環形腔結構, 啞鈴形結構具備更強的設計靈活性. 左側為非線性光學環形鏡(nonlinear optical loop mirror, NOLM), 由耦合器(coupler1)、兩個偏振控制器(PC)、一段200 m 長的SMF28e+光纖構成. 此環形鏡在整個結構中起著極其重要的作用, 其不僅可以作為反射鏡和耦合輸出端, 而且作為快速可飽和吸收體起到了啟動鎖模激光器的作用. 耦合器(coupler1)的分束比為10∶90. 右側為一個簡單Sagnac 反射環, 由一個分束比為50∶50的耦合器構成, 環長約為1.5 m. 用一個1610 nm連續激光器測試其實際的分束比約為48∶52, 由于接近50∶50 分束比, 使得進入耦合器的相向傳輸的激光無法積累足夠的非線性相移差, 即無法起到飽和吸收體的作用, 因此右側的Sagnac 反射環僅僅起到了高反射鏡的作用. 線性腔為嚴格的全光纖結構, 無隔離器, 降低了腔內損耗, 提升激光器整體光光效率, 進而降低腔熱負載. 同時結合大模面積EYDF, 使得激光器可以高效的工作在較高的泵浦功率下, 進而獲得高功率、大能量脈沖激光輸出.激光在腔內繞行一周經過的光纖的長度約為221 m. 激光器工作在大凈負色散區.

圖1 啞鈴形全光纖EYDF 激光器結構示意圖Fig. 1. Experiment setup of dumbbell-shaped all-fiber modelocked EYDF fiber laser.

3 實驗結果與分析

實驗主要研究增益光纖帶內吸收、附加插入損耗對輸出脈沖特性的影響, 基于對二種因素的討論, 獲得高穩定1.6 μm 高功率大能量類噪聲方形鎖模脈沖輸出.

3.1 帶內吸收對輸出波長的影響

為了研究帶內吸收對輸出波長的影響, 依次分別將EYDF1 與EYDF2 接入腔內, 測試不同增益光纖條件下的輸出特性. 首先將EYDF1 接入激光器內, 隨著泵浦功率的升高至150 mW, 觀察到激光器放大自發輻射(amplified spontaneous emission, ASE)光譜. 圖2(藍色線)為測得的ASE 光譜圖形. 其中心位于1.61 μm, 表明激光器在此波長附近可獲得較高的增益. 進一步增加泵浦功率, 激光器輸出1.61 μm 連續光(continuouswave, CW), 光譜如圖2(紅色線)所示. 精細調節偏振控制器, 同時增加泵浦功率, 可以獲得穩定的鎖模脈沖輸出. 圖3(a)和3(b)為測得的脈沖包絡和光譜隨泵浦功率升高的演化過程. 脈沖寬度隨著泵浦功率的升高持續變寬, 脈寬從2.3 ns 近線性增至118 ns, 脈沖形狀始終保持為標準的矩形. 增大泵浦功率的過程中, 沒有觀察到脈沖分裂、畸變等不穩定現象. 隨泵浦功率的升高, 光譜一直保持穩定的平滑類超高斯形, 強度逐漸升高, 輸出光譜中心 波 長 穩 定 在1612 nm, 3 dB 譜 寬 始 終 保 持 在7.8 nm 附近. 圖3(c)為在泵浦功率為8 W 時的頻譜圖, 激光器重復頻率為923.3 kHz, 信噪比達70 dB.插圖為100 MHz 范圍的頻譜圖, 具有8.5 MHz 的固定調制周期, 此周期與輸出脈沖的脈寬有關, 其值為脈沖寬度的倒數. 以上測量結果表明激光器實現了穩定的單脈沖鎖模運轉. 耗散孤子諧振與方形類噪聲脈沖有著類似的時域變化特點, 其主要的差異為耗散孤子為單一脈沖, 而方形類噪聲脈沖是由一系列超短脈沖組成脈沖包絡, 其自相關軌跡會出現一個尖峰[25,26]. 為了確認激光器是否工作在類噪聲脈沖狀態, 圖3(d)給出了50 ps 范圍內的自相關結果, 窄的干涉峰位于寬底座中央, 證明獲得的方形脈沖為類噪聲脈沖. 由于包絡為脈寬在百納秒量級方形脈沖, 因此在50 ps 范圍內, 包絡的自相關底座為一條平坦的直線. 插圖為5 ps 范圍內的自相關軌跡, 假設脈沖為Sech 型脈沖, 擬合后的脈寬為510 fs, 此脈寬反應類噪聲脈沖波包中超短脈沖的平均脈寬[27].

圖2 對 應EYDF1 和EYDF2 的 放 大 自 發 輻 射 和 連 續 光輸出光譜Fig. 2. The output optical spectra of ASE and CW of EYDF1 and EYDF2.

為了研究帶內吸收對輸出波長的影響, 用EYDF2 將EYDF1 進行替換. 增加泵浦功率至140 mW, 觀察到明顯的ASE, 如圖2(橙色線)所示. ASE 光譜中心波長移到1567 nm 附近. 繼續增加泵浦功率, 獲得1566 nm 處的穩定CW 輸出, 其光譜如圖2(紫色線)所示. 進一步增大泵浦功率同時調節偏振控制器, 可以獲得穩定鎖模輸出. 時域和光譜隨泵浦功率的演化, 如圖3(e)和圖3(f)所示. 隨著泵浦功率的升高, 由于左側NOLM 誘導的峰值功率鉗制效應, 峰值功率無法增大, 脈沖寬度從4.6 ns 近似線性展寬至112 ns, 脈沖形狀始終保持矩形. 演化過程中, 脈沖始終保持穩定, 沒有觀察到脈沖分裂等不穩定現象. 光譜中心波長始終位于1566 nm, 3 dB 譜寬穩定在5.4 nm 附近. 信噪比可以達到65 dB, 觀察到其自相關軌跡同樣出現一個窄干涉峰, 假設干涉峰為Sech 型脈沖, 干涉峰寬度為650 fs, 說明利用EYDF2 獲得的方形脈沖也為類噪聲方形脈沖.

圖3 對應EYDF1 的輸出脈沖 (a)時域、(b)光譜演化過程; (c)一次諧波射頻譜和100 MHz 范圍的射頻譜(插圖); (d) 50 ps 范圍的自相關跡和5 ps 自相關跡(插圖);對應EYDF2 的輸出脈沖的(e)時域、(f)光譜演化過程Fig. 3. (a) Output pulse waveforms, and (b) optical spectra evolution at different pump power of EYDF1; (c) autocorrelation trace over a 50 ps span for EYDF1 (the inset shows the autocorrelation trace with 5 ps span); (d) RF spectrum at the fundamental frequency for EYDF1 (the inset shows broadband RF spectra with 100 MHz span); (e) output pulse waveforms, and (f) optical spectra evolution at different pump power of EYDF2.

EYDF1 和EYDF2 帶內吸收系數有很大的差異, 對于EYDF1, 較強的帶內吸收增加了C 波段的損耗, 使得1.61 μm 獲得足夠的增益. 相反EYDF2帶內吸收較小, 強烈的增益競爭導致長L 帶很難獲得足夠的增益. 實驗結果直接證明, 帶內吸收的大小對輸出波長有極其重要的影響. 同時此實驗也可以直接指導1.6 μm 鎖模激光器的設計.

圖4 為使用EYDF1 和EYDF2 作為增益介質的激光器的輸出功率和峰值功率隨泵浦功率變化曲線圖, 可以發現二者的輸出功率都呈現近線性增長, 沒有出現明顯的功率飽和效應. 受限于泵浦LD 的泵浦功率, 通過EYDF1 和EYDF2 獲得最大的輸出功率分別為1.16 W 和1.21 W, 對應最大單脈沖能量分別為1.26 μJ 和1.32 μJ, 光光效率分別為14.5%和15.1%. 通過優化熱管理, 如用導熱膠覆蓋整個激光腔并且增加水冷散熱, 同時提升泵浦功率, 輸出功率可以獲得進一步提升. 通過EYDF1 獲得的1.16 W 輸出是首次在工作波長1.6 μm 以上的全光纖EYDF 鎖模激光器中實現的瓦量級輸出. 一般而言, EYDF 在1.56 μm 處的增益高于1.61 μm, 同時1.56 μm 的量子效率更高,可以獲得更高功率的輸出. 但在本實驗結果中,1.56 μm 處獲得的輸出功率基本和1.61 μm 持平.由于實驗中, 為了達到對C 帶輸出波長的抑制, 使用了4.1 m 長的增益光纖, 總吸收達到了36 dB,注入的泵浦光在前兩米增益光纖內就已經吸收殆盡. 可以認為后兩米增益光纖, 不僅無法起到對信號光的有效放大, 而且對信號光有較大的損耗, 所以導致了1.56 μm 激光輸出功率偏小. 而對于1.61 μm 輸出激光而言, 在腔內形成1.61 μm 激光振蕩后, 未泵浦的增益光纖對1.61 μm 吸收很弱,導致損耗相對較小. 最終導致兩個輸出功率非常相近. 在泵浦功率增大的過程中, 峰值功率基本保持恒定, 分別為10.3 W 和11 W. 由于輸出峰值功率相似, 說明左側NOLM 的開關功率很接近. 因此證明在長腔的啞鈴形結構中, 增益光纖自身的增益特點對輸出脈沖峰值影響較小. 激光器腔長達到200 多米, 增益光纖本身的色散和非線性對輸出結果影響很小, 所以其輸出特點主要由左側NOLM所決定. 基于上面實驗分析, 選定EYDF1 作為增益光纖, 完成后續的實驗.

3.2 插入損耗對輸出的波長的影響

插入損耗是另外一個影響激光器發射波長的重要因素. 為了研究評估插入損耗對輸出波長、以及脈沖時域特征的影響, 在激光器結構的A 位置加入可變的附加插入損耗(如圖1 所示). 本實驗中插入損耗利用光纖徑向錯位熔接來獲得, 不同的徑向錯位距離可以加入不同大小的插入損耗. 利用這種方式加入的附加插入損耗, 具備較高的損傷閾值, 可工作于較高泵浦功率下. 每個錯位熔接點的損耗大小都通過1.56 和1.61 μm 的連續光進行測試, 發現在這兩個波長處, 所獲得的損耗基本一致,說明錯位熔接方式引入的損耗在1.56—1.61 μm沒有明顯的波長選擇特點.

在加入不同大小的附加插入損耗時, 通過細致優化腔內偏振狀態, 激光器仍可以穩定運轉在類噪聲方形脈沖鎖模狀態. 圖5 為在不同的附加插入損耗下, 激光器的輸出特性圖. 圖5(a)為注入泵浦功率8 W 時, 隨著附加插入損耗的增大, 輸出的鎖模光譜的演化過程. 未加入附加插入損耗時, 輸出光譜僅在1612 nm 處有單一寬譜發射峰. 隨著附加插入損耗的增大, 1566 nm 處出現發射峰, 并且與1612 nm 處的峰值的強度差越來越小, 同時1612 nm 處的3 dB 光譜寬度始終保持在8 nm 附近. 當插入損耗過大時(圖中為附加插入損耗在7.9 dB 的情況), 1.6 μm 被徹底抑制, 中心波長切換到1566 nm 成為主發射峰, 其3 dB 光譜寬度為5.3 nm. 由于較高的插入損耗, 導致獲得激光發射需要更高的反轉粒子數, 破壞了產生1.6 μm發射的粒子數反轉條件[15], 因此1.6 μm 無法獲得足夠增益. 附加插入損耗位于激光器的線性部分,腔內激光在腔內繞行一圈, 需要兩次經過附加損耗點, 所以實際附加損耗為上述損耗值的兩倍. 在實際凈附加插入損耗達到10 dB 時(2 × 5 dB), 激光器仍然可以穩定發射1612 nm 脈沖激光. 作為對比, 文獻[15]報道的1.6 μm 八字腔EYDF 鎖模激光器, 在插入損耗為1.1 dB 時, 1570 nm 附近就已經出現了與1.6 μm 相當的強發射峰. 說明本文所設計激光器的輸出波長對附加插入損耗具有較強的魯棒性, 主要歸因于所使用增益光纖(EYDF1)有著較大的帶內吸收, 強烈抑制了C 帶的發射.

圖5(b)—圖5(d)為在不同插入損耗下輸出功率、輸出脈沖寬度和峰值功率隨泵浦功率的變化曲線. 在不同附加插入損耗下, 激光器輸出功率和脈沖周期隨著泵浦功率的升高線性增大, 而峰值功率保持在一個穩定值, 沒有明顯的變化. 隨著附加插入損耗的增大, 輸出的最大功率和脈沖寬度可調節范圍一直在減小. 在插入損耗為7.9 dB 時, 最大輸出功率僅為206 mW, 比0 dB 時的結果, 下降了82%, 脈寬調節范圍為1.6—26 ns, 與0 dB 時的2.3—118 ns 相比, 調諧范圍降幅為79%, 激光器輸出性能受限. 但插入損耗對輸出峰值功率影響相對較小, 在插入損耗為7.9 dB 時, 峰值功率為8.5 W,對比0 dB 時的結果, 僅下降了17%. 左側的NOLM作為快速可飽和吸收體起到了啟動鎖模激光器的作用. NOLM 的啟動需要滿足一定峰值功率, 使得進入NOLM 腔內順時針和逆時針方向的光獲得足夠非線性相移差, 達到NOLM 的反飽和吸收的開關條件. 在本實驗中, 盡管插入損耗使得激光器效率顯著降低, 但是要進入鎖模狀態就必須滿足NOLM 的啟動條件, 同時左側NOLM 是激光器的耦合輸出端, 所以附加插入損耗對所設計的激光器輸出脈沖的峰值功率影響較小.

4 結 論

本文構建了基于啞鈴形結構的高功率全光纖EYDF 鎖模激光器. 無隔離器設計, 降低了腔內損耗, 提升整體光光效率, 進而降低腔熱負載, 同時結合大模面積EYDF, 使得激光器可以高效的工作在較高的泵浦功率下. 利用兩種具有不同的帶內吸收系數的EYDF 首次證明了帶內吸收調控可作為一種有效的波長控制方法, 高帶內吸收有利于1.6 μm激光的產生. 實驗中獲得了工作波長1612 nm 的高功率類噪聲方形脈沖激光, 最大的輸出功率和單脈沖能量分別為1.16 W 和1.26 μJ. 同時首次研究了附加插入損耗對類噪聲方形脈沖鎖模激光器輸出特性的影響. 附加插入損耗使得激光器效率顯著降低, 但對激光器輸出脈沖的峰值功率影響較小.隨著附加插入損耗的增加, 在1566 nm 處出現發射峰, 并且越來越強, 最終1.6 μm 被徹底抑制. 在總附加插入損耗為10 dB 時, 激光器仍然可以穩定發射1.6 μm 鎖模脈沖, 說明使用高帶內吸收系數EYDF 作為增益介質的激光器對1.6 μm 輸出波長具備極強的魯棒性.