歐陽春梅 柴路趙慧 胡明列 宋有建 王清月

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

(2009年4月30日收到;2009年9月11日收到修改稿)

濾波位置相關(guān)的全正色散摻Y(jié)b3+鎖模光纖激光器的實(shí)驗(yàn)研究*

歐陽春梅 柴路?趙慧 胡明列 宋有建 王清月

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

(2009年4月30日收到;2009年9月11日收到修改稿)

采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模，構(gòu)建了一種全正色散摻Y(jié)b3+光纖環(huán)形激光器.在該激光腔內(nèi)采用了10nm帶寬的光纖濾波器提供附加的自振幅調(diào)制.通過改變?yōu)V波器在腔內(nèi)的位置，實(shí)驗(yàn)證明了濾波器位置對高啁啾脈沖的整形過程起到重要的作用.在320 mW的抽運(yùn)功率下，最終獲得平均功率為92.2 mW，脈沖重復(fù)頻率為26.6 MHz，脈沖寬度為6.2 ps的穩(wěn)定脈沖輸出，單脈沖能量達(dá)3.5 nJ的優(yōu)化結(jié)果.通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證表明，兩者相符很好.

鎖模光纖激光器，全正色散，濾波效應(yīng)，高啁啾脈沖

PACC:4255N，4260D，4280W

1. 引言

近年來，超短脈沖鎖模光纖激光器［1—3］以其高效率、低閾值、可調(diào)諧、緊湊型、可用激光二極管(LD)抽運(yùn)和高性價(jià)比等優(yōu)勢成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)，并已經(jīng)走向市場，逐漸取代固體超短脈沖激光器.然而，隨著超短脈沖激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對脈沖能量的要求也越來越高.為了實(shí)現(xiàn)高能量、高峰值功率的超短脈沖，激光器的結(jié)構(gòu)和鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制得到了越來越多的關(guān)注.提高超短脈沖光纖激光器脈沖能量的傳統(tǒng)方法是使激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在正色散區(qū)域，通過展寬脈沖來降低峰值功率，從而控制激光器的非線性特性［4］.呼吸型的光纖激光器可以產(chǎn)生從幾十皮焦到幾納焦的脈沖能量［5—7］.自相似脈沖的提出為進(jìn)一步提高脈沖能量開辟了新的途徑，這種運(yùn)轉(zhuǎn)方式產(chǎn)生的單脈沖能量可高達(dá)10 nJ［8，9］.采用包層抽運(yùn)的自相似鎖模激光器可產(chǎn)生20 nJ的脈沖能量［10］.近年來，在沒有采用任何色散補(bǔ)償元件的全正色散(ANDi)光纖激光器中得到了穩(wěn)定的鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)［11］.在這種激光器中需要采用頻譜濾波元件來穩(wěn)定鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).因?yàn)樵诟哌泵}沖激光器中脈沖能量受到非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPE)鎖模機(jī)制的限制，即當(dāng)脈沖寬度較寬時(shí)，NPE引入的自相位調(diào)制效應(yīng)較弱，很難使鎖模自啟動(dòng)，而且脈沖能量較高時(shí)，NPE的過飽和效應(yīng)限制了能量的進(jìn)一步提高.但是，可以在腔內(nèi)引入頻譜濾波機(jī)制來提供附加的自振幅調(diào)制，補(bǔ)償NPE因脈沖展寬而削弱的振幅調(diào)制特性，也可以在一定程度上弱化NPE的過飽和，這樣可以達(dá)到進(jìn)一步提高脈沖能量的目的.頻譜濾波是通過切除高啁啾脈沖中低頻的脈沖前沿和高頻的脈沖后沿使脈沖窄化，在實(shí)驗(yàn)中可以通過多種手段來實(shí)現(xiàn).Buckley等［12］采用刀口來控制高啁啾脈沖在摻Y(jié)b3+鎖模光纖激光器中的整形過程. Chong等［13］在腔內(nèi)插入雙折射濾波片引入頻譜濾波效應(yīng)，在沒有色散補(bǔ)償?shù)那闆r下，得到的脈沖能量高達(dá)20 nJ.今年，Kieu等［14］在ANDi光纖激光器中采用雙包層摻Y(jié)b3+光纖作為增益介質(zhì)，得到了31 nJ的脈沖能量.在這些高啁啾脈沖激光器中，頻譜濾波的引入提高了脈沖能量，但是都沒有討論過濾波器在腔內(nèi)的位置對激光輸出的影響.本文采用10nm帶寬的光纖濾波器提供自振幅調(diào)制，使高啁啾脈沖激光器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過研究濾波器在腔內(nèi)的位置與激光輸出特性的關(guān)系，找到了ANDi鎖模光纖激光器中的最佳濾波位置，從而實(shí)驗(yàn)證明了在該類激光器中濾波器放置位置也是一個(gè)重要因素.

2. 實(shí)驗(yàn)裝置

為了控制激光器的非線性特性，提高超短脈沖光纖激光器的脈沖能量，必須使激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在較高的正色散區(qū)域.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.采用波長為980nm的單模光纖(SMF)耦合輸出的LD作為抽運(yùn)源，最大抽運(yùn)功率為320 mW;抽運(yùn)光通過980/1064的波分復(fù)用器(WDM)耦合到增益光纖(GF)中，GF為高摻雜濃度的單模摻Y(jié)b3+光纖;腔內(nèi)其余的光纖元件為HI 1060型SMF，其中GF前面的SMF長度總和約為6 m，為激光器提供較大的正常色散;為了避免累積過多的非線性相移，GF后面的SMF不宜過長，這里約為1.3 m;因?yàn)镚F摻雜濃度較高，所以選擇0.42 m長;計(jì)算得到的腔內(nèi)凈色散約為+0.2 ps2;腔內(nèi)采用兩個(gè)四分之一波片(QWP)和一個(gè)半波片(HWP)控制光波的偏振態(tài)和偏振分束棱鏡(PBS)的輸出耦合比，實(shí)現(xiàn)NPE鎖模;并采用1064nm的光纖隔離器，使腔內(nèi)光波實(shí)現(xiàn)單向傳輸.為了得到自啟動(dòng)且穩(wěn)定的被動(dòng)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，在高啁啾的ANDi光纖激光器中接入了一個(gè)波長為1064nm的光纖頻譜濾波器(SF)，3 dB帶寬為10nm.

圖1 ANDi光纖環(huán)形激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在本文研究的激光器腔內(nèi)，由于沒有采用任何提供負(fù)色散的器件，所以該激光器的結(jié)構(gòu)更簡單緊湊、成本較低.由于腔內(nèi)脈沖具有較高的正啁啾，NPE的鎖模自啟動(dòng)受到限制，而且它的過飽和效應(yīng)也限制了脈沖能量的提高.所以在該激光器腔內(nèi)引入了一個(gè)SF，通過其對高啁啾脈沖的頻譜整形，為該激光器提供了附加自振幅調(diào)制機(jī)制.濾波器的放置位置對激光器的最終輸出特性有重要影響，這是構(gòu)建一臺光纖激光器應(yīng)該普遍關(guān)注的問題.所以本文的研究重點(diǎn)放在該類激光器中SF的位置效應(yīng)，目的在于找到SF在ANDi光纖激光器中最佳位置的一般規(guī)律.

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)濾波器在腔內(nèi)的位置如圖1所示時(shí)，抽運(yùn)功率增加到150 mW，開始出現(xiàn)調(diào)Q鎖模.繼續(xù)增加抽運(yùn)功率到190 mW時(shí)，調(diào)整波片的偏振方向，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的連續(xù)鎖模.利用上升時(shí)間為200 ps的高速響應(yīng)光電二極管和采樣頻率為4 GHz的示波器探測的鎖模脈沖序列如圖2所示.脈沖重復(fù)頻率為26.6 MHz.

圖2 激光器處于單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的鎖模脈沖序列

繼續(xù)增加抽運(yùn)功率到最高值(320 mW)，調(diào)整波片得到的鎖模輸出平均功率達(dá)92.2 mW，單脈沖能量為3.5 nJ.激光器輸出脈沖的光譜如圖3所示.從圖3可以看到，光譜的中心波長在1065nm處，3 dB帶寬約4.2nm.另外還可以看到，光譜邊沿較陡，并且有尖峰結(jié)構(gòu)，符合濾波作用下得到的典型的脈沖光譜特性［12—14］.

圖3 激光器輸出的脈沖光譜內(nèi)插圖是對數(shù)坐標(biāo)下的光譜

鎖模脈沖的自相關(guān)曲線如圖4所示.通過擬合發(fā)現(xiàn)，高斯型脈沖的寬度約為6.2 ps，時(shí)間帶寬乘積為6.9，是變換極限的15.6倍，所以該ANDi光纖激光器輸出的脈沖具有較高的正啁啾.

圖4 激光器輸出脈沖的自相關(guān)曲線

ANDi激光器中的自由光路僅有13cm，光脈沖絕大部分時(shí)間是在光纖中傳輸，所以受周圍環(huán)境的影響很小，如敲擊光學(xué)平臺也不會(huì)對鎖模造成影響.重新打開激光器，只需恢復(fù)抽運(yùn)功率就可以得到穩(wěn)定的鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).為了進(jìn)一步測量該激光器的噪聲特性，采樣頻譜分析儀測量脈沖信號的射頻(RF)頻譜，所得結(jié)果如圖5所示.測量過程中，選取頻率范圍為200 kHz，分辨帶寬為300 Hz.很明顯，該激光器穩(wěn)定性較高，信噪比可達(dá)80 dB.此外，測量得到的振幅噪聲擾動(dòng)只有0.06%，在6 Hz—30 kHz頻率范圍內(nèi)的時(shí)間抖動(dòng)約為200 fs.

圖5 激光器輸出脈沖的RF頻譜形狀

為討論SF在腔內(nèi)的位置對激光輸出脈沖特性的影響，我們在實(shí)驗(yàn)中有目的地改變SF在腔內(nèi)的位置，同時(shí)保證GF前后的SMF長度保持不變.當(dāng)SF位于GF后面時(shí)，調(diào)整波片的偏振角度，得到的最高鎖模輸出功率為71.2 mW，單脈沖能量為2.7 nJ.輸出脈沖光譜和自相關(guān)曲線如圖6所示.從自相關(guān)曲線可以看到，輸出脈沖寬度沒有變化，但是脈沖形狀變?yōu)殡p曲正割型，光譜形狀也發(fā)生了改變.這些變化不僅與SF的位置有關(guān)，還與波片的偏振角度相關(guān).當(dāng)改變SF在腔內(nèi)位置到光纖隔離器前面并靠近光纖準(zhǔn)直元件時(shí)，調(diào)整波片后得到最高鎖模輸出平均功率為84 mW，單脈沖能量為3.2 nJ.對應(yīng)的輸出光譜和自相關(guān)曲線如圖7所示.此時(shí)，輸出脈沖形狀仍然是高斯型，但脈沖寬度變?yōu)?.9 ps，光譜中心部分強(qiáng)度增大.

圖6 當(dāng)SF在GF后面時(shí)，激光器輸出脈沖特性(a)脈沖光譜，(b)脈沖自相關(guān)曲線

圖7 當(dāng)SF在隔離器前面時(shí)，激光器輸出脈沖特性(a)脈沖光譜，(b)脈沖自相關(guān)曲線

比較SF在腔內(nèi)三個(gè)不同位置時(shí)所得到的鎖模脈沖輸出特性可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SF在GF前面(圖1)時(shí)得到的輸出脈沖特性最佳，即獲得的脈沖功率最高，脈沖能量最大.

4. 數(shù)值模擬

圖8 數(shù)值模擬得到的脈沖能量和脈沖寬度在腔內(nèi)的演變過程(a)SF在GF前，(b)SF在GF后，(c)SF在SA后

為了解釋SF位置優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們采用分步傅里葉方法數(shù)值研究了在實(shí)驗(yàn)中考慮的SF三個(gè)不同位置條件下，該激光器中脈沖能量和脈沖寬度在腔內(nèi)各個(gè)元件中的動(dòng)力學(xué)演變過程，結(jié)果如圖8所示.數(shù)值模擬中NPE鎖模機(jī)制可等效于快速可飽和吸收體(SA);SF的頻譜濾波作用采用高斯型的濾波函數(shù)表示.從圖8(a)可以看到:當(dāng)SF靠近GF前面時(shí)，在光脈沖在腔內(nèi)傳輸過程中，脈沖經(jīng)過SF前面較長的SMF時(shí)積累了大量的正啁啾，脈沖寬度大幅度展寬;這時(shí)在SF的作用下，脈沖前沿的低頻率成分和后沿的高頻率成分被部分切掉，因此脈沖變窄;在隨后的短SMF中，脈沖又稍微被展寬;在GF段，由于光譜增益的作用使脈沖中部比兩翼(高、低頻部分)的增益大，故寬度變窄，但是由于增益帶寬(數(shù)值計(jì)算考慮了40nm增益帶寬)和光纖色散的展寬效應(yīng)影響，使之逐漸抵消了脈沖的窄化;當(dāng)脈沖經(jīng)過GF后面的SMF時(shí)，脈沖繼續(xù)被展寬;經(jīng)過SA時(shí)，可飽和吸收作用進(jìn)一步壓縮了脈沖寬度.另外，在圖8(a)中也給出腔內(nèi)脈沖能量的動(dòng)力學(xué)過程.由于光纖較短，模擬時(shí)忽略了光纖的損耗，所以脈沖在普通光纖中傳輸時(shí)脈沖能量不變.當(dāng)脈沖經(jīng)過SF時(shí)，頻譜濾波效應(yīng)使脈沖能量有所降低.但在摻Y(jié)b3+的GF作用下，脈沖能量即刻被補(bǔ)償并逐漸放大.此后，SA的吸收作用使脈沖能量又下降到了5 nJ，其中3.5nJ的能量被輸出腔外.圖8 (b)表示當(dāng)SF的位置位于GF后面時(shí)，腔內(nèi)脈沖變化的動(dòng)力學(xué)過程.結(jié)合脈沖能量的變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SF放在GF后面時(shí)引入的損耗更大，而且較寬的脈沖使得SA的吸收損耗也增大，因此在輸出耦合比不變的情況下輸出的脈沖能量也會(huì)減小.在圖8 (c)中，SF的位置是在SA的后面，輸出的脈沖能量也比SF放在GF前面低.比較上述SF在腔內(nèi)三個(gè)不同位置的模擬結(jié)果，只有當(dāng)SF處于GF前面時(shí)才能導(dǎo)致腔內(nèi)脈沖寬度的劇烈變化，即脈沖的呼吸比最大，而處于其余兩個(gè)位置時(shí)腔內(nèi)脈沖寬度的變化明顯減弱，即脈沖呼吸比下降，并且腔內(nèi)脈沖的平均寬度也增大，不利于非線性效應(yīng)的積累.以上數(shù)值結(jié)果既證明了SF的位置選取對腔內(nèi)脈沖的動(dòng)力學(xué)過程的影響非常明顯，也驗(yàn)證了SF在ANDi光纖激光器中的最佳位置應(yīng)在GF前面，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

5. 結(jié)論

構(gòu)建了ANDi鎖模光纖激光器，并通過研究腔內(nèi)濾波器的位置對激光輸出脈沖的影響，實(shí)驗(yàn)證明了在ANDi鎖模光纖激光器中最佳濾波位置應(yīng)位于GF的前面.在320 mW抽運(yùn)功率下，獲得了平均功率為92.2 mW，脈沖寬度為6.2 ps，單脈沖能量達(dá)3.5 nJ鎖模脈沖序列;光-光轉(zhuǎn)換效率為71%.實(shí)驗(yàn)中測量了激光器的噪聲特性，得到的振幅擾動(dòng)噪聲為0.06%，在6 Hz—30 kHz頻率范圍內(nèi)的時(shí)間抖動(dòng)約為200 fs.此外，通過數(shù)值模擬討論了ANDi光纖激光器中的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)特性，并驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)中獲得的最佳濾波位置.

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PACC:4255N，4260D，4280W

*Project supported by the State Key Developement Program for Basic Research of China(Grant Nos.2006CB806002，2010CB327604)，the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2007AA03Z447)，the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.60978022，60838004)，the Doctoral Program Foundation of Institution of Higher Education，China(Grant Nos. 20070056083，20070056073)，the Key Program of Science and Technology Research of Ministry of Education，China(Grant No.108032)and the Program for the New Century Excellent Talents in University of Ministry of Education，China(Grant No.NCET-07-0597).

?Corresponding author.E-mail:lu_chai@tju.edu.cn

Experimental study on all-normal-dispersion mode-locked fiber laser with optimal spectral filtering position*

Ouyang Chun-Mei Chai Lu?Zhao Hui Hu Ming-Lie Song You-Jian Wang Qing-Yue
(Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Ministry of Education，College of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China)
(Received 30 April 2009;revised manuscript received 11 September 2009)

Employing nonlinear polarization rotation，an all-normal-dispersion mode-locked fiber ring laser was constructed，in which a fiber filter with 10nm bandwidth was used in the cavity to provide the additional self-amplitude modulation.The important role of the filter position plays in the high-chirped pulse shaping in the laser has been experimentally demonstrated by choosing different locations of the filter in the cavity.A mode-locked pulse series，with the averaged power of 92.2 mW，output pulse duration of 6.2 ps，and pulse repetition frequency of 26.6 MHz，corresponding to the pulse energy of 3.5 nJ，was obtained in the optimized filter position under a pump power of 320 mW.By the numerical simulation，the propagation dynamics of pulses in the three cases of spectral filter(SF)position in the cavity are obtained and analyzed.The optimal location of the SF is found，which is in agreement with our experimental result.

mode-locked fiber laser，all normal dispersion，filtering effect，highly chirped pulse

book=237,ebook=237

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號:2006CB806002，2010CB327604)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號:2007AA03Z447)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:60978022，60838004)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(批準(zhǔn)號:20070056083，20070056073)、教育部科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號:108032)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(批準(zhǔn)號:NCET-07-0597)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:lu_chai@tju.edu.cn