低阈值高稳定性的全保偏锁模光纤激光器

徐隽灏,王天枢,马万卓

(1.长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心,吉林 长春 130022;2.长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022)

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑和稳定易用等优势,是当前研发超快激光器的一种重要途径[1-2]。自第一台光纤激光器问世以来,越来越多的工业、医疗与科研等领域的光学系统都优先选择超快光纤激光器作为光源[3-4]。与此同时,伴随着应用条件的越发苛刻,具有高强度稳定性的激光器成为了超快光纤激光器发展的核心课题之一。相较于非保偏光纤,保偏光纤可以保持腔内光脉冲的偏振状态不变。传统的全保偏锁模光纤激光器的锁模器件如碳纳米管[5]和石墨烯[6]等可饱和吸收体不仅容易损伤,且性能随着使用时间增加而逐渐降低。相较于材料锁模,非线性放大环形镜(NALM)锁模结构具有响应时间更快、损伤阈值更高和稳定性更好的优点。

2016年,波兰弗罗茨瓦夫理工大学Karol Krzempek等人[7]用双包层掺镱光纤搭建第一台全光纤NALM锁模结构的“9”字腔激光器,该激光器在8.5W泵浦功率下实现输出功率950 mW,脉冲宽度为455 ns的矩形脉冲。2017年,瑞士洛桑工学院Svyatoslav Kharitonov和Camille-Sophie Bres采用双向泵浦的方式搭建了掺铥的NALM锁模结构[8],在1 W的泵浦功率输入下达到锁模阈值,输出功率达到147 mW。2018年,上海理工大学[9]搭建了基于共振增强式非线性折射率调制技术的全保偏光纤激光器,该激光系统实现了在170 mW泵浦功率下达到锁模激光脉冲输出,其输出功率仅为0.22 mW,但可以精确锁定了腔内20.48 MHz的重复频率。综上所述,由全保偏光纤器件组成的结构可以有效的降低达到锁模脉冲的泵浦阈值,同时其保偏结构可以有效的抵抗环境带来的干扰,所以对于研究全保偏光纤激光器是具有极高的应用前景。

本文提出一种基于NALM结构的全保偏“9”字腔光纤激光器,谐振腔中加入色散补偿光纤进行精确色散补偿,消除Kelly边带。泵浦功率为80 mW时,实现了自启动和稳定锁模工作,测得重复频率为22.18 MHz,脉冲宽度为538 fs,输出功率1.04 mW,对应脉冲能量为0.046 nJ。同时,检测了激光器的自启动锁模性能以及超过10 h的锁模状态,证实了该激光器具有高度稳定性,具有极高的应用价值。

实验结构如图1所示,该结构为“9”字腔全保偏光纤结构。976 nm半导体激光器(diode laser,LD)作为泵浦源,通过一个976 nm/1550 nm的波分复用器(wavelength division multiplexer,WDM)进入增益介质为0.5 m保偏掺铒光纤(Liekki,Er80-4/125-HD-PM,PM-EDF),其群速度色散为-29.3 ps/(nm·km),环路中加入一个法拉第相位延迟器(phase delay Faraday mirror),也可以称为相移器(phase shifter)减小脉冲环路所需要的相移量；
同时在2×2耦合器(分光比为4∶6)另一端中选其中一个端口接入一个光纤型法拉第反射镜(Faraday mirror,FM),另一个端口作为输出端。同时在环路中加入一段长1.35 m的保偏色散补偿光纤(polarization maintaining dispersion compensation fiber,PMDCF)进行精确色散补偿。所用PMDCF(PM2000D,coherent)群速度色散为-50 ps/(nm·km)。整个腔长为8.4 m,根据色散补偿机理[10-12],该结构在1550 nm处的净色散值为-0.0106 ps2,接近于零色散。

图1 全保偏“9”字腔激光器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of polarization-maintaining nine-cavity laser

为该实验装置产生锁模光的核心是2×2耦合器,其透射率为[13-14]:

=1-2α(1-α)+{1+cos[(1-2α)γP0L}>

(1)

(2)

(3)

R=2α(1-α){1+cos[Δφ0+(1-2α)×ΔφNL]}

(4)

当在该结构中插入了-1/2π的线性相移量的相移器,两束光传输1周后,使得腔内仅需积累所插入的线性相移量就能达到反射率的最大值,这时候脉冲的中央较强部分的相移接近π,脉冲中心高能量部分被反射,而脉冲两翼部分由于能量较低被透射从而实现对脉冲的窄化作用,完成锁模。

实验中用积分球光电二极管功率传感器(Thorlabs,S142C)和功率计(Thorlabs,PM100D)检测功率,使用功率计测量输出功率。锁模激光器的光谱由1 GHz记录分辨率0.02 nm的光谱分析仪(Yokogawa,AQ6370D)进行观察。时域上的脉冲信号通过5 GHz InGaAs 自由空间光电探测器(Thorlabs,DET08C/M)和 2.5 GHz 示波器(OSC,Agilent DSO9254A)组合观测,使用带宽为3 GHz的射频频谱分析仪(Agilent N1996A,FSA)记录射频频谱,锁模脉冲的自相关曲线用自相关仪(SHG FS Photonics Technology Co.,Ltd.,FR-103XL)测量。

把泵浦功率加大到80 mW时,可实现锁模自启动稳定运行。锁模后,泵浦功率降低到67 mW,但激光器仍保持在锁模状态,即激光器存在泵浦滞后效应。稳定单脉冲运行的泵功率范围从67～138 mW。当泵浦功率降低到低于67 mW时,激光器的工作状态切换为连续光模式；
当泵浦功率增加到138 mW以上时,出现脉冲分裂现象。在泵浦功率为80 mW时,该激光器平均输出功率为1.04 mW。脉冲重复频率为22.18 MHz,脉冲能量为0.046 nJ。

图2(a)为锁模激光器在80 mW泵浦功率下的光谱,光谱中心波长为1557 nm,拟合后的3 dB带宽为11.65 nm,光谱虽有小尖峰但无边带,通过图2(b)所示,脉冲周期为45.1 ns符合激光器腔长。如图2(c)所示,在10 Hz分辨率下测量脉冲的射频频谱,该输出频谱具有73 dB的高信噪比(SNR),表明输出脉冲具有高度稳定性。图2(d)为脉冲自相关轨迹,脉冲具有接近完美的高斯函数形状,脉冲持续时间为538 fs,因此,0.046 nJ脉冲对应的峰值功率为85.5 W。由于色散补偿光纤的引入,使得腔内正、负色散的交替结构引起的光脉冲在时域和谱域宽度发生周期性变化。光脉冲在正色散介质中被展宽,峰值强度下降,因而,积累的非线性减小；
而在负色散介质中脉冲被压缩,但没有非线性积累,因此整体上腔内脉冲能够承载的单脉冲能量增加。具有如此高峰值功率的脉冲可以通过自相位调制(SPM)的作用产生的宽光谱,同时,我们也可以看到时域脉冲的基底较大,这是由于激光器工作在近零色散域,腔内正、负二阶色散近于相互补偿,而无法补偿的高阶啁啾在脉冲基地积累的结果[17]。

根据拟合后的11.65 nm的光谱带宽,计算出时间带宽积为0.728,大于高斯型脉冲0.441,这意味着脉冲宽度不受光谱限制。

(a)光谱图

(b)时域图

(c)频谱图

(d)自相关曲线图2 全保偏“9”字腔激光器输出特性Fig.2 Output characterization of all polarization-maintaining nine-cavity lase

为了进一步证明锁模光纤激光器处于高稳定状态,先对激光器进行自启动测试,将泵浦源功率定在80 mW,进行了2000次自启动测试,通过记录开关泵浦电源后,输出光从连续光转换为锁模光所需时间,图3为自启动测试结果,该激光器可以100 %自启动锁模,其中超过99 %的自启动时间是小于500 ms的,通过分析以往的实验结果来看[18],该数据结构满足泊松分布,符合自启动的条件。

图3 激光器自启动时间测试分布图Fig.3 Self-starting test distribution of the fiber laser

接着我们验证激光器具有良好的输出稳定性,把种子激光器连接到EDFA(掺铒光纤放大器、(erbium-doped optical fiber amplifier),我们将输出功率放大到15.4 mW,对激光器模块进行10 h输出测试,每隔一小时记录一次输出光谱,其结果如图4(a)所示。同时每10 s记录一组数据,结果如图4(b)所示。功率放大后激光平均输出功率为15.4 mW,计算功率稳定性为3.1 %,平均功率的均方根波动为0.12 %,表明该激光器在长时间工作情况下具有良好的功率和锁模稳定性。最后,在80 mW的泵浦功率下测量种子光输出脉冲的光谱。在l0 h内,激光器输出光谱几乎保持不变,表明该激光器输出脉冲具有良好的稳定性。图4(c)为基频频谱信噪比随时间变化的曲线,每隔半小时记录一次信噪比,长时间内信噪比的稳定性为2.5 %,较小的波动说明该结构光纤激光器性能稳定。综上,我们通过长时间测试激光的自启动、光谱、平均功率和基频频谱信噪比证明了激光器谐振腔的高度稳定性。

(a)光谱

(b)功率

(c)信噪比图4 10小时激光器稳定性测试结果Fig.4 Long term stability test results over 10 hours period

本文提出了一种结构简洁、高稳定性的全保偏“9”字腔光纤激光器。在22.18 MHz重复频率下,脉冲能量为2.27 nJ,脉冲宽度为538 fs,能够实现稳定的自启动锁模脉冲。由于非互易移相器提供了足够的非线性相位偏置,使得基于NALM的锁模结构能够在如此高的重复频率下实现自启动,这是产生超短脉冲的关键前提。该激光器结构完全由保偏光纤和保偏器件组成,经过2000次自启动测试和10 h激光输出测试,显示了该激光器锁模脉冲的优良稳定性。我们认为,该结构激光设计有很多应用潜力,可以作为超快激光光源,应用于频率梳,生物医学成像和太赫兹波产生。

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