163,MHz/786,fs高基础重复频率掺镱飞秒光纤激光振荡器

沈嘉伟，王 勇，司 璐，陈嘉宁，周 丽，袁 帅

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

光纤飞秒激光器凭借其光斑质量好、集成度高、工作稳定等优势在工业加工、光学测量、光学频率梳、医疗设备等众多领域逐渐占据越来越重要的地位[1-3]。另外与传统固体激光器中有着大量空间光学元件不同，光纤激光器以掺杂光纤为增益介质，通过光纤熔接使其稳定性和操作性得到很大的提升，使其可以在复杂环境下的稳定运行。其中，高重复频率光纤飞秒激光器由于拥有较小的脉冲间隔，是该领域研究热点之一，在天文光梳、光纤通讯、激光成丝、材料加工等方向有着非常重要的应用[4-5]。

目前，光纤激光器实现高重复频率锁模大多采用主动锁模或者被动锁模技术。光纤激光器主动锁模技术采用电光调制器或声光调制器等[6]，在外加信号的驱动下实现锁模脉冲。虽然主动锁模技术有着中心波长及重复频率可调等优点，但是其受到电光及声光调制器工作带宽影响，难以同时实现宽光谱、窄脉宽输出[7]。被动锁模光纤激光器无需在谐振腔中加入调制器便可实现稳定的超短脉冲输出。被动锁模技术通常被分为以半导体可饱和吸收镜锁模（SESAM）为主体的慢饱和吸收体锁模和以非线性光纤环形镜锁模（NOLM）、非线性放大环形镜锁模（NALM）、非线性偏振旋转（NPR）为主体的快饱和吸收机制锁模。其中慢饱和吸收体类锁模光纤激光器易实现激光器自启动，并且能实现稳定的锁模脉冲输出，但是此类激光器受到自身材料特性的影响，光谱宽度一般在几个纳左右，因此无法支持飞秒脉冲宽度输出。NOLM锁模和NALM锁模一般为全光纤结构，这两类锁模方式搭建的光纤激光器需要较长的光纤来保持激光器的非线性效应，所以NOLM锁模和NALM锁模所实现的基本重复频率较低，通常在50 MHz以下。而基于NPR锁模原理的光纤激光器能够对激光产生瞬间吸收的作用，具有调制深度大、响应时间短、光谱宽、脉宽窄的优势，相比于其他的锁模方式，NPR锁模技术更适合作为宽光谱窄带宽的高重复频率光纤飞秒振荡器。

2009年，Zhou等利用NPR锁模技术并优化腔内色散补偿的基础上实现了中心波长1 570 nm，最高重复频率99.91 MHz，光谱带宽为25 nm的掺铒光纤激光飞秒振荡器[8]。2015年，Liu等利用NPR原理技术在低增益系数的掺铒光纤激光器中获得了中心波长1 550 nm，重复频率303 MHz、脉宽为90 fs的脉冲输出[9]。2018年，Liu等通过非线性放大环形镜（NALM），实现脉宽152 fs的高功率脉冲输出，重复频率为72 MHz[10]。中国科学院团队利用混合锁模的原理，在掺铒光纤飞秒激光器中实现了重复频率为97.6 MHz，光谱半高宽为21 nm，且脉宽达到168 fs的脉冲输出[11]。Sun等利用谐波锁模方式实现了中心波长为1 936 nm、690 MHz的皮秒脉冲输出[12]。在该领域上，日本UEC大学、莫斯科大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、湖南大学、华南理工大学等研究单位都为高重复频率光纤激光器的进步做出重大成果[13-17]。另外，Cheng等利用SESAM锁模原理，在高浓度掺镱光纤中实现了中心波长1 058 nm，重复频率近5 GHz，脉冲宽度2.6 ps。这是当时1 μm附近锁模激光器中达到的最高基础重复频率[18]，然而其脉冲输出宽度在皮秒量级。

由于传统的NPR系统是基于孤子锁模实现的，因此其一般工作在1 550 nm及附近波段。而在1 030 nm波段的激光则由于光纤本身在1 030 nm波段作为正色散介质，因此工作在1 030 nm的高重复频率孤子锁模激光器往往损耗很大。所以要实现1 030 nm波段、100 MHz以上，并同时具有宽光谱、窄脉宽的激光振荡器往往需要1 W以上的泵浦功率支持耗散孤子在传输过程中的能量损失。针对上述问题，本文提出了一种全新的“十字腔”结构，利用光栅对将激光器的腔内色散调整至负色散区，通过非线性偏振旋转锁模，在“十字腔”掺镱光纤激光器中输出了基础重复频率为163 MHz的孤子锁模脉冲激光。上述激光只需要较低的泵浦功率，便可稳定运行。在400 mW的泵浦功率下，可实现脉冲宽度786 fs、光谱宽度30 nm、平均输出功率200 mW的激光输出。

高重复频率“十字腔”掺镱光纤飞秒激光器通过旋转偏振波片的形式来实现锁模，其光路结构如图1所示。其中，激光二极管（LD）发射出976 nm的泵浦光通过波分复用准直器（WDM Collimator2）反射到掺镱光纤中。掺镱光纤激发出椭圆偏振的1 030 nm激光经过波分复用准直器（WDM Collimator1）入射到1/4波片（QWP1）。QWP1将椭圆偏振的激光转化为线偏振光，然后，线偏振光经过1/2波片（HWP1）调整偏振方向后，再经过PBS分束为两束光，其中竖直偏振成分（约占总能量的5%）作为光纤激光器的输出；
而水平偏振（约占总能量的95%）经过1/2波片（HWP2）。HWP2将激光的偏振再次转为水平方向后经过光栅对来获得负色散补偿，通过改变光栅对的间距和角度可调节脉冲的波长与色散。随后水平偏振的激光被平面镜反射，回到PBS处，再经PBS反射后通过隔离器（ISO）以及QWP2。通过调节WDM Collimator2的方向及角度将光耦合到掺镱光纤中，最终形成闭合的“十字”型腔结构。

图1 “十字”形腔光纤飞秒激光器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of "cross" cavity fiber femtosecond laser structure.

本文采用的泵浦源LD作为常见的商用光学器件，其最大输出功率可达750 mW，通过非保偏单模光纤将泵浦能量抽运进“十字腔”内，从而形成激光。掺镱光纤在976 nm处的吸收系数达到2 500 dB/m。波分复用准直器（WDM Collimator）自带无源尾纤，其端口集成了滤光片可以将976 nm的泵浦光反射到谐振腔中，同时可以对信号光起到准直作用。光纤准直头之间的自由空间光路主要由两个1/4波片、两个1/2波片、一个光学隔离器ISO、一个偏振分光片PBS、一对1 250 l/mm的透射式光栅以及一个零度反射镜组成。其中，1/4波片和1/2波片是用来调节激光腔内激光的偏振方向，以此在光纤中实现非线性旋转偏振锁模。采用半英寸（1 inch =2.54 cm）的分束器（PBS）以控制激光脉冲运转方向。空间型隔离器（ISO）长度仅为2 cm，大大降低了激光器自由空间的长度。1 030 nm激光在单模光纤传输时受到正色散影响（23 fs2/mm）不断展宽。为启动孤子锁模，腔内采用一对1 250 l/mm的透射光栅对（Gratings），使激光器工作在负色散状态。

激光脉冲在通过非保偏增益光纤时，其椭圆偏振光可以分解为两个相互垂直的线偏振光分量，不同分量的线偏振光受到自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）的作用下，产生不同的非线性相移。而脉冲在时域中心部分（强度较高）比边缘部分（强度较低）产生更多的非线性相移。我们通过旋转波片光轴产生适当的损耗，使得脉冲边缘部分的损耗远大于脉冲中心部分的损耗，从而模拟一个类似快饱和吸收体结构，实现锁模。

由于激光脉冲在光纤传播过程中，谐振腔内色散导致脉冲时域波形展宽，而SPM和XPM等非线性效应导致脉冲时域波形压缩。当腔内负色散与非线性效应的相互作用达到平衡时，脉冲光谱和时域宽度保持相对不变，激光器实现孤子锁模。实验中引入一对 1 250 lines/mm光栅，通过调节光栅对间距将腔内净色散保持在近零色散区间。脉冲被光栅压缩后受负色散影响保持着稳定的孤子传输；
同时在光纤正负色散共同作用下脉冲光谱发生展宽，非线性积累释放，此时激光器输出脉冲宽度最窄而光谱最宽。

在实验中，我们将振荡器输出端连接到示波器（RIGOL DS4032）、高分辨率频谱仪（CXA Signal Analyzer 9 kHz～7.5 GHz）及 光 谱 仪（Thorlabs，OSA202C）上，观察其输出波形及频谱变化。当泵浦功率处于400～500 mW时，激光器每次开机均可以实现锁模的自启动运转。当泵浦功率处于250～400 mW时激光器每次开机都需要轻微调整腔内HWP1的旋转角度来启动锁模，锁模完成后，可以将HWP1旋转回原位置保持激光器锁模运转。

图2 激光器输出功率曲线与时域脉冲序列图Fig.2 Output power of the laser versus pumping power and the time domain pulse train diagram

NPR锁模需要非线性相移在π以上。由于非线性相移量与腔长成正比，在腔长不变的情况下为了更加容易的实现NPR锁模，需要更强的光场强度来提供足够的非线性相移[19]。因此，如图2（a）所示，本实验中测试了激光器输出功率与泵浦功率之间的关系。当激光器处于240 mW以下时，腔内非线性相移不足，无法通过旋转波片调节偏振状态实现锁模，此时光纤激光器仍然是连续光输出。当泵浦功率逐步提升到250 mW时，激光器达到锁模阈值。此时示波器检测出现如图2（b）所示的时域序列间隔相等脉冲信号。由于快饱和吸收锁模机制中脉冲时域上升及下降沿被吸收，此时激光器输出功率从110 mW突然跳变到89 mW。随着泵浦光功率进一步提升，输出功率也随之升高，在此过程中激光器一直处于稳定锁模状态。当泵浦功率从400 mW增大到500 mW时，激光器输出功率一直保持在200 mW，此时光纤激光器已经处于增益饱和状态。再增加泵浦功率不仅不能带来输出功率的提升，而且容易出现调Q状态，腔内的脉冲序列开始变得不稳定。腔内光信号的峰值功率达到一些光学器件的损伤阈值，造成光学器件损坏。为了降低激光器内的热效应以及避免光学器件损坏，将泵浦功率降低至450 mW，此时激光器可以保持长时间稳定锁模状态和稳定脉冲输出。

实验中，我们将高速光电探测器连接到频谱仪，测得激光输出的频谱如图3（a）所示，锁模后激光器的重复频率为163 MHz，一阶频谱分量的的信噪比为30 dB，其频率间隔稳定，说明锁模状态良好。激光器锁模后的光谱图如图3（b）所示。其中心波长为1 020 nm，光谱的半高全宽FWHM（full width at half maximum，FWHM）为30 nm。使用自相关仪（PulseCheck50 NIR，APE）测得激光脉冲的自相关曲线半高宽为1.1 ps，通过高斯拟合可得实际脉冲宽度为786 fs，如图3（c）所示。

由于高重复频率孤子锁模激光器中光纤对1 030 nm光为正色散介质，导致激光器功率损耗过大，无法同时实现宽光谱、窄脉宽。针对这一问题，本文设计并搭建了“十字腔”型光纤激光振荡器，利用光栅对将激光器腔内色散调至负色散区，并通过NPR锁模原理实现孤子锁模。通过分析激光器输出功率与泵浦功率之间的关系，当泵浦功率在400～500 mW之间时，激光器处于最佳工作区间，此时可以实现激光器自启动锁模。最终我们实现了重复频率为163 MHz，光谱宽度30 nm，脉宽为786 fs的高重复频率光纤激光器，该激光器在泵浦功率450 mW下可以得到最大200 mW的脉冲输出。由于高重复频率对应其相邻纵模之间频率间隔较小，该激光器可以实现更加紧密的光学频率梳齿、更好的成像质量和更快的成像速度，在精密光谱、天文探测、生物医学等领域有着非常广泛的应用前景。

图3 重复频率为163 MHz脉冲输出指标Fig.3 The output pulse with the repetition rate of 163 MHz

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