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      低閾值鎖模狀態可轉換的全保偏光纖激光器 2021-12-29

      摘要

      報道了一種可實現低閾值自啟動的全保偏九字腔光纖激光器。諧振腔結構中使用相移器降低鎖模閾值,當泵浦功率達到120 mW時,便可實現自啟動的傳統孤子鎖模,中心波長為1530 nm,脈沖寬度為614.6 fs。隨后泵浦功率逐漸增大到470 mW,實現了從孤子脈沖到類噪聲脈沖的轉換,在該鎖模狀態下的激光器輸出功率為63.2 mW,對應的類噪聲脈沖能量為5.69 nJ。所搭建的激光器具有低鎖模閾值、自啟動的優勢,并且僅通過調節泵浦功率就能夠實現超快脈沖和高能量脈沖間的轉換,具有廣泛的應用價值。

      引言

      在過去的幾十年中,被動鎖模超快光纖激光器由于結構簡單、體積小、脈沖極窄、易調諧等優點被廣泛應用在光纖傳感、光學頻率測量、材料加工、長距離測距和自由空間光通信等領域[1-5]。然而早期的超快脈沖光源僅限應用在如實驗室等非常穩定的環境,但是大量實際需求需要光源能夠在不穩定甚至惡劣的條件下工作,如工廠、飛機、車間等。與普通光纖相比,保偏光纖具有更強的抵抗外界應力特性,從而保持腔內光脈沖的偏振狀態不變。因此,由全保偏光纖器件組成的諧振腔結構可以在很大程度上屏蔽環境的干擾,例如振動或溫度、濕度和氣壓的變化等。全保偏光纖激光器能夠為多領域提供穩定的脈沖光源,因此開展對全保偏光纖激光器的研究和優化是具有實際應用價值的。

      全保偏光纖激光器可使用可飽和吸收體進行鎖模,例如碳納米管[6]、石墨烯[7]和可飽和吸收鏡[8]。但是,可飽和吸收體材料通常具有局限性,它們的損傷閾值低,且化學性能會隨著時間的推移而發生退化[9]。與飽和吸收體相比,非線性光學環形鏡(NOLM)和非線性放大環形鏡(NALM)鎖模結構具有更高的損傷閾值和更短的響應時間,因此,NOLM和NALM鎖模機制也引起了更多研究人員的關注[10-14]

      本文提出了一種基于NALM結構的全保偏九字腔光纖激光器。由于相移器的使用,降低了諧振腔的鎖模閾值,在泵浦功率達到120 mW時便能夠實現自啟動的孤子鎖模,所對應的脈沖寬度為614.6 fs,重復頻率為11.1 MHz。之后逐漸增大泵浦功率到470 mW,實現了中心波長位于1530.2 nm的類噪聲脈沖輸出,調節泵浦功率后最大輸出功率為73.9 mW,對應的單脈沖能量為6.66 nJ。最后將泵浦功率固定為600 mW,測量了激光器1 h的穩定性,證明該結構具有高度穩定性。整個保偏結構具有低閾值、可自啟動、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖能量高等優點,具有廣泛的應用價值。

      1 相移器在NALM結構中降低鎖模閾值原理

      實驗中所使用的九字腔的工作原理如圖1所示。該結構基于2×2耦合器,分光比為α:(1?α)。假設入射光從端口1進入結構,經過耦合器會分成兩束相反方向的光,則逆時針方向對應光的透射方向,順時針方向對應光的反射方向。在我們的實驗結構中,透射方向對應著輸出,反射方向的光在諧振腔內經過反射鏡反射會再次以入射光進入雙向環路中。九字腔結構的反射率與環中兩個相反方向的光的非線性相移差之間的關系可以表示為[15-16]


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      式中:Ein 和 Eout1 分別代表輸入光和輸出反射光的 強度; 和 表示非線性相移 差和線性相移;α 為耦合器分束比;L 是環路中光纖 的長度;n2 是非線性克爾系數;λ 是入射光的波長; R 是反射率。加入移相器實質是在環路中加入一 個線性相移 ( ),然后該結構中的反 射率與非線性相移差之間的關系變為 R = 2α(1?α) { 1+cos[ ?φ0 +(1?2α)×?φNL]}(3) ?φNL ?φNL ?φNL 九字腔結構相當于人工可飽和吸收體,當脈沖 的反射率達到最大值時,脈沖中心高能量部分被 反射,而脈沖兩翼部分被透射從而實現對脈沖的 窄化作用,完成鎖模。保偏九字腔激光器中反射 率與非線性相移差 之間的關系可用(3)式進行 數值模擬 ,其 中 α 為 0.5, Δφ0 為 ?1/2  π。 如 圖 2 所示,實線和虛線分別對應未插入相移器和插入 相移器后的關系曲線。當非線性相移差( )為 零時 ,它對應于連續光的工作狀態 ,而較高的 可以對應于脈沖光的工作狀態。在未使用相 移器時,為了達到反射率最大值,諧振腔需積累大量的非線性相移差,一般會通過增加腔長和增大 泵浦功率來實現,使得激光器具有很高的鎖模閾 值。在實驗中,結構里插入了?1/2 π 的線性相移, 如圖 2 所示,相當于使整個反射率曲線向右平移。

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       因此,腔內僅需積累所插入的線性相移量的非線 性相移差就能達到反射率的最大值,從而實現鎖 模閾值的降低。 2 實驗結構與工作原理 低閾值、可實現鎖模狀態轉換的全保偏九字 腔光纖激光器的實驗結構如圖 3 所示。實驗結構 由一個環形腔和一個線性腔兩部分組成。采用 980 nm 半導體激光器通過一個 980 nm/1550 nm 波 分復用器(wavelength division multiplexer, WDM)耦 合進 0.7 m 長的保偏摻鉺增益光纖( polarizationmaintaining  gain  erbium-doped  fiber,  Liekki,  Er80- 4/125-HD-PM, PM-EDF),增益光纖的群速度色散 為?29.3 ps/nm/km。環路中包含一段 15 m 的保偏 單模光纖和具有?1/2π 相位延遲的保偏反射型相移 器。相移器的使用可減小鎖模所需要的非線性相 移差,從而縮短腔體長度。線形腔的尾端接入一 個光纖型反射鏡,實現對環路反射出的光脈沖的 再次反射,作為輸入光進入環路。環路與線性腔 通過 2×2 的 3 dB 耦合器相連構成九字腔從而實現 鎖模,其中一個端口作為輸出端。

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      輸出的鎖模脈沖光譜通過分辨率為 0.02 nm 的光譜分析儀( OSA, Yokogawa AQ6375)進行觀 察。時域上的脈沖信號通過 2.5 GHz 示波器(OSC, Agilent DSO9254A)與 1.5 μm 的光電探測器組合來 觀測。頻域上的脈沖信號通過頻譜分析儀(Agilent N1996A, FSA)觀測 ,其頻率探測范圍為 100 kHz 至 3  GHz??赏ㄟ^自相關儀 (SHG  FS  Photonics Technology Co.,Ltd.,FR-103XL)測量脈沖的自相 關曲線。 3 實驗結果與討論 實驗中,泵浦功率增加至 120 mW 時,達到鎖 模閾值實現了自啟動鎖模。激光器輸出的鎖模脈 沖的光譜如圖 4(a)所示,光譜具有圍繞中心波長 對稱分布的 Kelly 邊帶,表明該激光器工作在傳統 孤子鎖模區域,其中心波長為 1530 nm,3 dB 帶寬 為 5.2 nm。圖 4(b)為脈沖序列圖,脈沖的周期為 90.1 ns,與所用結構的腔長 18 m 相對應。圖 4(c) 顯示了孤子脈沖的自相關曲線 ,其半高全寬為 614.6 fs,假設由雙曲正割形狀擬合,通過計算可得 輸出脈沖的時間帶寬積為 0.41,接近于變換極限 0.315。圖 4(d)為其頻譜圖,重復頻率為 11.1 MHz,

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      經計算符合腔長 18 m 和脈沖間隔 90.1 ns,表明鎖 模處于基本鎖模狀態,信噪比為 57 dB。從圖 4(d) 的插圖可以看出,頻率穩定并且沒有調制,輸出的 鎖模脈沖的平均功率為 1.2 mW。 在實現孤子鎖模后,逐漸增加泵浦功率,腔 體中的脈沖變得越來越不穩定。直到泵浦功率 增 加 至 470 mW 時獲得了類噪聲鎖模脈沖 ,如 圖 5 所示。隨著泵浦功率的增加,腔內的非線性 也會迅速增大,非線性相移的過度積累會使每個

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      短脈沖分裂成幾個脈沖;同時,許多短脈沖又聚 集在一個長包絡中[17]。研究顯示,類噪聲脈沖由 許多具有高峰值功率的超短脈沖組成,所以隨著 泵浦功率的增加,諧振腔內的傳統孤子脈沖轉換 為類噪聲脈沖。其光譜如圖 5(a)所示,中心波長為 1530.2 nm, 3 dB 譜寬增加到 17.1 nm。圖 5( b)為 脈沖序列圖,類噪聲包絡的持續時間為 471 ps,脈 沖間隔為 90.1 ns。驗證矩形脈沖的類型可以測量 其自相關跡線,如圖 5(c)所示,在寬基底上有一個相干峰,表明激光器工作在類噪聲鎖模狀態, 通過高斯擬合,相干峰的半峰全寬約為 307.4 fs。 圖 5(d)為類噪聲頻譜圖,其具有 11.1 MHz 的重復 頻率,信噪比為 60.7 dB。圖 5(d)的插圖為大范圍 的射頻(RF)頻譜,在 RF 頻譜圖中未發現調制現 象,這表明激光器工作在穩定狀態,在此狀態下 的輸出功率為 63.2 mW,脈沖能量為 5.69 nJ。當 泵浦功率從 420 mW 增加到 600 mW 時,輸出功率 可由 63.2 mW增加到 73.9 mW,所對應的脈沖能量 由 5.69 nJ 增加到 6.66 nJ。 最后將泵浦功率固定為 600 mW,并記錄 1 h 內激光輸出功率和重復頻率的穩定性,如圖 6 和 圖 7 所示。由于采用全保偏結構,輸出光功率的峰 峰值(PPV)波動小于 1.9%,重復頻率的峰峰值波動 小于 1.6%,證明了激光諧振腔的高度穩定性。

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      4 結論 提出了一種具有低閾值、自啟動的全保偏光纖激光器。由于結構中相移器的使用降低了諧振 腔的鎖模閾值,實現了從孤子鎖模到類噪聲脈沖 的轉換。泵浦功率達到鎖模閾值 120 mW 時,獲得 了中心波長為 1530 nm、3 dB 帶寬為 5.2 nm 的孤 子鎖模脈沖。在泵浦功率增加到 470 mW 后,可獲 得 位 于 1530.2 nm 的類噪聲脈沖 ,脈沖能量為 5.69 nJ。最后記錄 1 h 內激光輸出功率和重復頻率 的穩定性,輸出光功率的峰峰值波動小于 1.9%,重 復頻率的峰峰值波動小于 1.6%,證明了整個結構 具有高度穩定性。該保偏光纖激光器具有閾值 低、可自啟動、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖 能量高等優點,在超連續譜的產生、材料加工和光 纖傳感等領域具有廣泛的應用價值。 參考文獻: JONES  R  J,  DIELS  J  C.  Stabilization  of  femtosecond lasers for optical frequency metrology and direct optical to radio  frequency  synthesis[J]. Physical  Review  Letters, 2001,86(15):3288-3291. [1] KALAYCIOGLU  H,  ELAHI  P,  AKCAALAN  O,  et  al. High-repetition-rate ultrafast fiber lasers for material processing[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2018,24(3):1-12. [2] ZHOU G, XIN M, KAERTNER F X, et al. Timing jitter of  Raman  solitons[J]. Optics  Letters, 2015, 40(21): 5105-5108. [3] HUANG H, YANG L M, LIU J. Micro-hole drilling and cutting  using  femtosecond  fiber  laser[J]. Optical Engineering,2014,53:051513. [4] JIA Qingsong, WANG Tianshu, WANG Zhen, et al. Temperature  sensing  characteristics  based  on  multi  - wavelength  Brillouin  fiber  laser[J].  Journal  of  Applied optics,2018,39(4):585-589. 賈青松, 王天樞, 王振, 等. 基于多波長布里淵光纖激光 器的溫度傳感特性[J]. 應用光學,2018,39(4):585-589. [5] NiSHIZAWA N, SENO Y, SUMIMURA K, et al. All-polarization-maintaining  Er-doped  ultrashort-pulse  fiber laser using carbon nanotube saturable absorber[J]. Optics Express,2008,16(13):9429-9435. [6] KUSE  N,  LEE  C  C,  JIANG  J,  et  al.  Ultra-low  noise  all polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs  facilitated  with  a  graphene  modulator[J]. Optics Express,2015,23(19):24342-24350.LYU Z, Yang Z, LI F, et al. SESAM mode-locked all-polarization-maintaining  fiber  linear  cavity  ytterbium  laser source with spectral filter as pulse shaper[J]. Laser Physics,2018,28(12):125103. [8] KIEU K, WISE F W. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser[J]. Optics Express,2008,16:11453-11458. [9] KUSE N, JIANG J, LEE C C, et al. All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear  amplifying  loop  mirror[J]. Optics  Express, 2016, 24(3):3095-3102. [10] SZCZEPANEK  J,  KARDA?  T  M,  MICHALSKA  M,  et al. Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear  loop  mirror[J]. Optics  Letters, 2015, 40(15): 3500- 3503. [11] ZHOU F, YANG X Z, PAN W W, et al. 1015 nm - 1080 nm  tunable  polarization-  maintaining  dissipative  solition mode  -  locked  fiber  laser[J].  Chinese  Journal  of  Lasers, 2017,44(9):40-47. 鄒峰, 楊學宗, 潘偉巍, 等. 1015 nm~1080 nm可調諧保 偏光纖耗散孤子鎖模激光器[J]. 中國激光 , 2017,44(9):40-47. ZHAO X, LIU Y, ZHOU L, et al. All normal dispersion polarization  maintaining  Yb  doped  fiber  laser  based  on nonlinear  amplifing  loop  mirror[J].  Chinese  Journal  of Lasers,2019,46(5):279-283. 趙翔, 劉洋, 周廉, 等. 全正色散非線性放大環形鏡保偏 摻鐿光纖激光器[J]. 中國激光,2019,46(5):279-283. [13] MA H Q, LIU C, ZHAO W, et al. Figure of eight cavity Yb3+ doped fiber mode locked lasers[J]. Chinese Journal of Lasers,2005,32(9):1173-1177. 馬海全, 劉暢, 趙衛, 等. 8字形腔鎖模摻Yb~3+光纖激光 器[J]. 中國激光,2005,32(9):1173-1177. [14] DORAN  N  J,  WOOD  D  P.  Nonlinear-optical  loop mirror[J]. Optics Letters,1988,13(1):56-58. [15] FERMANN M E, HABERL F, HOFER M, et al. Nonlinear  amplifying  loop  mirror[J]. Optics  Letters, 1990, 15(13):752-754. [16] GRUDININ A B, RICHARDSON D J, PAYNE D N, et al. Energy quantisation in figure eight fibre laser[J]. Electronics Letters,1992,28(1):67-68.






























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