雙波長可切換方波類噪聲鎖模線形光纖激光器

耿 旭,汪徐德,潘婕妤,孫夢秋,楊思敏

(淮北師范大學物理與電子信息學院,安徽 淮北 235000)

1 引 言

被動鎖模光纖激光器作為一種理想的激光光源,廣泛應用于醫療,材料處理,傳感以及光通信等領域[1]。為了獲得脈沖輸出,人們提出了各種各樣的可飽和吸收體應用于光纖激光器中以實現鎖模操作。通常情況下,可飽和吸收體大致分為兩類:真實材料可飽和吸收體和類可飽和吸收體。真實材料可飽和吸收體主要有半導體可飽和吸收鏡以及以石墨烯為代表的二維材料可飽和吸收體[2-3]；類可飽和吸收體主要有非線性偏振旋轉以及非線性放大環形鏡[4-5]。借助于上述的鎖模方法,在光纖激光器中已成功獲得了各種類型的鎖模脈沖[6-8]。隨著光纖激光技術的發展以及高能量脈沖在材料加工等領域有著重要的實際應用價值,人們對利用光纖激光器獲取高能量脈沖的研究興趣日益濃厚。與真實可飽和吸收體相比,類可飽和吸收體具有全光纖結構、損傷閾值高等優點,被認為是產生高能量脈沖的可靠鎖模方式。

到目前為止,人們已利用各種鎖模機制獲得高能量脈沖,如自相似脈沖,耗散孤子共振和類噪聲脈沖[9-11]。與前兩種脈沖相比,類噪聲脈沖的形成對腔參數要求不高,因此更容易在光纖激光器中產生。通常情況下,類噪聲脈沖具有高斯形脈沖輪廓,但近幾年的研究發現,在長腔情況下,由于腔內高非線性和峰值鉗制效應,類噪聲脈沖往往呈現出方形輪廓[12]。隨著泵浦功率的增大,脈沖寬度可以展寬至幾十納秒,而峰值功率幾乎保持不變,這一演化特性與方波耗散孤子共振極為相似[13]。因此,與傳統孤子脈沖相比,方形類噪聲脈沖可以獲得微焦量級的高能量[14],是產生高能量脈沖的有效方式之一。實驗表明,方波類噪聲脈沖的產生不受光纖激光器鎖模方法、工作波長以及色散區域的限制。2014年,Zheng等人在“8”字形摻鉺光纖激光器中報道了高能量類噪聲方波脈沖,最大脈寬76 ns,單脈沖能量為135 nJ[15]。2018年,Zhao等人在“9”字形鈥銩共摻光纖激光器中獲得方波耗散孤子共振和方波類噪聲脈沖[16]。2019年,Pan等人在摻鐿光纖激光器中獲得了6.5 ns的方波類噪聲脈沖和階梯狀方形脈沖[17]。2020年,Dou等人通過搭建的啞鈴形鉺鐿共摻光纖激光器得到了中心波長在1661 nm高能量的類噪聲方波脈沖[18]。盡管方波類噪聲脈沖已得到了大量研究,但大部分的研究主要集中在單波長環形腔(或“8”字腔)光纖激光器中,線形腔結構的光纖激光器中獲得方波類噪聲脈沖還少有報道。因此,在線性光纖激光器中獲得具有其他動力學特性的類噪聲脈沖,比如雙波長可切換方波類噪聲脈沖,值得進一步的探索和研究。

本文報道了基于非線性偏振旋轉(NPR)技術的線形腔結構雙波長可切換方波類噪聲光纖激光器,該激光器可以在中心波長1530 nm和1563 nm處分別獲得方波類噪聲脈沖,方波脈沖的寬度隨泵浦功率的增加而展寬,最大脈沖寬度分別可達12 ns和26 ns。通過調節腔參數,也可在1530 nm和1563 nm兩波長處同時實現雙波長鎖模,鎖模脈沖呈階梯狀,脈沖寬度達5 ns。實驗結果為多波長高能量光源的設計提供了一定的借鑒。

2 實驗裝置

基于NPR技術的雙波長可切換方波類噪聲脈沖光纖激光器的實驗裝置如圖1所示,與環形腔不同,激光器采用兩個光纖反射鏡(OFM)構成線形腔結構,OFM置于激光腔的兩端,確保光在腔內來回反射。增益介質為約5 m長的摻鉺光纖(EDF),鉺纖的色散系數-18.5 ps/(nm·km),通過980 nm泵浦源對其進行泵浦。兩個偏振控制器(PC)與一個起偏器組合構成鎖模器件,實現非線性偏振旋轉技術鎖模。為了增加腔的克爾非線性和調節色散值,腔內還接入了一段300 m長的單模光纖(SMF)[19],單模光纖的色散系數為17 ps/(nm·km)。整個線性腔的長度為318.5 m,激光在腔內來回繞行一周經過的光纖長度約為637 m,凈腔色散值為-6.67 ps2。輸出端口為一個70:30的耦合器,可將30 %能量的激光輸出腔外用于各種儀器的探測。

圖1 基于線形腔結構的方波類噪聲光纖激光器實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup of square noise-like pulse fiber laser based on linear-cavity configuration

3 實驗結果與討論

由于NPR具有類可飽和吸收效應,因此通過適當調節泵浦功率,激光器在閾值為120 mW時可達到鎖模狀態。圖2(a)展示了激光器輸出的光譜,光譜中心波長1530 nm,3 dB帶寬為8 nm,光譜形狀光滑,與典型的類噪聲光譜相符合[20]。圖2(b)是對應的脈沖序列,可以看出此時相鄰脈沖間隔為3.1 μs,對應基頻重復頻率是322.5 kHz,與激光在線形腔中往返一周所需時間相一致。圖2(b)的插圖為單個方波脈沖,脈沖前后沿陡峭頂部平坦,測量得到脈寬為12 ns,脈沖能量為4.43 nJ。方波脈沖的射頻譜如圖2(c)所示,可以看到射頻譜峰值位于322.5 kHz處,表明激光器工作在基頻狀態,此時信噪比約為48 dB,表明鎖模工作穩定。圖2(c)的插圖是大掃寬范圍下射頻譜,在120 MHz的掃寬范圍內,射頻譜包絡呈現出周期性的調制結構,調制周期約為83 MHz,與方波脈沖寬度成反比[21]。為了確定鎖模的運作狀態,我們采用自相關儀測量方波的自相關跡,如圖2(d)所示。可以看出自相關跡由一個很寬的矩形基座和一個很窄尖峰組成,尖峰和基座的強度比約為2∶1,這是典型的類噪聲脈沖的自相關跡曲線[22],表明此方波鎖模狀態為類噪聲鎖模。適當調節偏振控制器和泵浦功率,激光器可以切換到1563 nm處實現鎖模,如圖2(e)所示。圖2(e)展示了泵浦功率500 mW時中心波長1563 nm的鎖模光譜,光譜形狀光滑,3 dB帶寬為9 nm。圖2(f)給出了對應的脈沖序列和單個方波脈沖,脈沖周期是3.1 μs,方波脈沖寬度為26 ns。脈沖輸出功率和單脈沖能量分別為4.45 mW和13.7 nJ。

圖2 方波類噪聲脈沖Fig.2 Square noise-like pulses

頻譜儀觀察其信噪比約為47dB,大范圍射頻譜呈周期調制,調制周期約為38.4 MHz,與26 ns的方波脈沖寬度成反比。通過自相關儀測出的自相關跡是典型的類噪聲自相關跡曲線,表明1563 nm處實現鎖模狀態仍然為類噪聲鎖模。

由于峰值功率鉗制效應的影響,在泵浦功率變化時,方形脈沖幅度保持不變,而脈沖寬度隨泵浦功率的變化而變化。圖3展示了激光器在1530 nm和1563 nm處類噪聲方波脈沖隨泵浦功率增大時光譜和脈沖的演化過程。可以觀察到隨著泵浦功率從180 mW增大到500 mW,光譜的強度逐漸增強,而光譜輪廓幾乎保持不變,其中心波長分別穩定在1530 nm和1563 nm,3 dB帶寬始終保持在8 nm和9 nm附近。對應的時域演化中,方波脈沖寬度不斷增大,同時脈沖幅度保持不變,脈沖形狀始終保持為規則的矩形輪廓。圖3(c)和圖3(f)分別給出了兩處中心波長脈沖寬度和輸出功率隨泵浦功率的變化關系,從圖中可以看到類噪聲脈沖的寬度和輸出功率隨著泵浦功率的升高幾乎成線性增加的趨勢。當泵浦功率從180 mW增大到500 mW,1530 nm方波脈沖寬度從5 ns展寬到12 ns,輸出功率從0.59 mW增大到1.43 mW,對應單脈沖能量從1.82 nJ增大到4.43 nJ。考慮到30 %的能量輸出,腔內最大的脈沖能量可達14.7 nJ。

圖3 1530 nm和1563 nm處方波類噪聲鎖模的演化過程Fig.3 Evolution of square noise-like mode locking at 1530 nm and 1563 nm

根據測量的脈沖參數,可知腔內峰值功率保持在1.2 W左右；1563 nm方波脈沖寬度從5 ns均勻增加到26 ns。輸出功率從0.85 mW增加到4.45 mW,對應的單脈沖能量從2.63 nJ增加到13.7 nJ。腔內最大的脈沖能量為45.6 nJ。峰值功率約為1.75 W。

除了在1530 nm和1563 nm處實現波長可切換鎖模操作,光纖激光器還可以在兩個波長處同時實現鎖模。當泵浦功率調節到500 mW時,仔細調節偏振控制器,可觀察到雙波長類噪聲鎖模如圖4所示。圖4(a)展示了雙波長類噪聲脈沖的鎖模光譜,中心波長分別位于1530 nm和1563 nm,3dB帶寬分別為8 nm和4 nm,波長間隔為33 nm。光譜形狀光滑。圖4(b)給出了雙波長類噪聲脈沖的脈沖序列和單個脈沖,相鄰脈沖間隔為3.1 μs,脈沖時域輪廓呈階梯狀,階梯狀脈沖形成的原因與文獻[23]類似,主要是由兩處不同中心波長的方波脈沖交疊在一起形成的。圖4(c)展示了雙波長類噪聲鎖模脈沖的射頻譜,信噪比約為40 dB,表明鎖模操作穩定。

圖4 雙波長類噪聲脈沖Fig.4 Dual-wavelength noise-like pulses

圖5(a)和圖5(b)給出了光譜和脈沖隨著泵浦功率變化的演化圖,當泵浦功率從500 mW逐漸降低到340 mW,可以明顯地觀察到1563 nm波長處的光譜逐漸減弱,當泵浦功率為340 mW時,1563 nm處的光譜成分幾乎完全消失。同時脈沖在時域上的演化表現為,隨著泵浦的減低,一方面脈沖寬度逐漸變窄,另一方面脈沖輪廓由階梯狀逐漸演變為規則的方形脈沖,這正好也說明了脈沖在時域上呈階梯狀強度凸起,主要是由于1563 nm的脈沖成分而引起,兩波長處的脈沖相互疊加,導致整體脈沖呈現左高右低,一旦某一波長處的光譜成分不參與貢獻,脈沖恢復到規則的矩形狀態[23]。脈沖寬度和輸出功率隨泵浦功率的變化關系如圖5(c)所示,當泵浦功率從340 mW變化到500 mW,方波脈沖寬度從3.77 ns展寬到5 ns,輸出功率從0.86 mW增大到1.15 mW,對應單脈沖能量從2.67 nJ增大到3.56 nJ,腔內最大的脈沖能量可達11.8 nJ。

圖5 雙波長類噪聲鎖模的演化Fig.Evolution of dual-wavelength noise-like mode locking

4 結 論

本文報道了在線形腔光纖激光器中實現雙波長可切換方波類噪聲鎖模運作。光纖激光器腔長318.5 m,脈沖重復率為322.5 kHz。由于NPR誘導的梳狀濾波效應,激光器在1530 nm和1563 nm處,實現了波長可切換類噪聲方波鎖模,輸出的最大方波脈沖寬度分別為12 ns和26 ns,腔內最大的脈沖能量分別可達14.7 nJ和45.6 nJ。此外在這兩個波長處,還獲得了波長間隔為33 nm的雙波長類噪聲鎖模,脈沖輪廓呈階梯型,階梯型的脈沖輪廓主要由兩處不同中心波長的方波脈沖疊加而形成。實驗結果有助于理解線形腔光纖激光器中方波類噪聲脈沖的動力學特性,并為多波長高能量光源的設計提供了一定的借鑒。