163 fs被動(dòng)鎖模摻Er3+光纖激光器

國(guó)佳帥，武騰飛，梁志國(guó)，王宇，趙春播，韓繼博

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

摘要：研制了一種采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模效應(yīng)的被動(dòng)鎖模摻Er3+飛秒激光器。利用性能穩(wěn)定的980 nm激光二極管(LD)作為抽運(yùn)光源，以高摻雜Er3+光纖為增益介質(zhì)，在抽運(yùn)功率為650 mW時(shí)，激光器鎖模輸出重復(fù)頻率為31.25 MHz、平均輸出功率為70 mW、中心波長(zhǎng)為1565 nm、光脈沖寬度為163 fs的穩(wěn)定飛秒脈沖激光。該激光器易于操作和調(diào)節(jié)，并且鎖模狀態(tài)穩(wěn)定可以長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，其光纖結(jié)構(gòu)更有利于小型化和便攜化。

關(guān)鍵詞：激光器；光纖激光器；飛秒脈沖；摻Er3+光纖

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.04.07

中圖分類號(hào)：TN24；TB96

收稿日期：2015-04-20；修回日期：2015-06-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61205169)；國(guó)家“十二五”技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(JSJC2012205B003)

作者簡(jiǎn)介：國(guó)佳帥(1990-)男，碩士研究生，從事飛秒測(cè)距信號(hào)采集處理方面的研究；武騰飛(1983-)，男，高級(jí)工程師，博士，從事飛秒激光測(cè)量技術(shù)研究。

163 fs Passively Mode-locked Er3+-doped Fiber Ring Laser

GUO Jiashuai，WU Tengfei，LIANG Zhiguo，WANG Yu，ZHAO Chunbo，HAN Jibo

(Changcheng Institute of Metrology & Measurement，Beijing 100095，China)

Abstract：A passively mode-locked fiber ring laser with a small segment of Er3+-doped fiber as gain medium，pumped by a stable 980 nm laser diode and mode-locked by the nonlinear polarization rotation(NPR)technique，was successfully achieved.When the laser was pumped at 650 mW，stable mode-locked pulses centered at 1560 nm with 163 fs pulse width,and the output power was 70 mW. The repetition rate is 31.25 MHz.The laser presented here has advantages of being easy to operate and adjust，long-running and better stability.The fiber structure is of miniaturization，integration and portability.

Key words：laser；fiber ring laser；femtosecond pulses；Er3+-doped fiber

0引言

近年來(lái)，高重復(fù)頻率的飛秒激光器在應(yīng)用領(lǐng)域有著較大的需求。但是很多激光器的價(jià)格昂貴，體積龐大，需要專業(yè)人士進(jìn)行維護(hù)操作，使用起來(lái)很不方便。隨著光纖制造工藝和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷進(jìn)步，以光纖為基質(zhì)的光纖激光器，在降低閾值、提升光斑質(zhì)量、增加工作波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)可調(diào)諧等方面的性能取得了明顯的進(jìn)步。鎖模光纖激光器的出現(xiàn)，被認(rèn)為是第二代光源，在光頻標(biāo)、微加工、太赫茲產(chǎn)生、醫(yī)學(xué)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。全光纖的器件可以實(shí)現(xiàn)激光器的小型化，成本也大大的降低，同時(shí)在性能和參數(shù)上可以與固體激光器相媲美，成為當(dāng)前激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和新興技術(shù)。

利用被動(dòng)鎖模產(chǎn)生超短脈沖主要有三種方法：非線性放大復(fù)合環(huán)形鏡、可飽和吸收鏡和非線性偏振旋轉(zhuǎn)，其中采用非線性放大復(fù)合環(huán)形鏡或可飽和吸收鏡的方法產(chǎn)生脈沖激光的脈沖寬度低于500 fs，而對(duì)于非線性偏振旋轉(zhuǎn)方法來(lái)說(shuō)，如果增加色散管理，壓縮諧振腔中展寬放大的脈沖，即為展寬脈沖環(huán)形光纖激光器，可以產(chǎn)生超短飛秒脈沖(低于100 fs)[4]。國(guó)內(nèi)飛秒脈沖激光器的實(shí)現(xiàn)最早在20世紀(jì)90年代，1996年陳國(guó)夫等人利用同步泵浦光纖喇曼環(huán)形激光器在1.396 μm處得到了195 fs的光脈沖。北京大學(xué)的張志剛所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在高重復(fù)頻率光纖激光器和光纖頻率梳，特別是天文光學(xué)頻率梳方面，在國(guó)際上保持領(lǐng)先的水平。近幾年也有很多的大學(xué)、研究所在這一領(lǐng)域開(kāi)展工作，例如北京理工大學(xué)、天津大學(xué)、中科院上海光機(jī)所和華東師范大學(xué)等[5-8]。

文中利用摻Er3+飛秒光纖激光器的非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過(guò)控制激光諧振腔內(nèi)的偏振器來(lái)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定鎖模激光脈沖輸出。通過(guò)理論分析和仿真并且結(jié)合后期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明所研制的飛秒激光器具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1實(shí)驗(yàn)原理和裝置

圖1為摻Er3+飛秒光纖激光器的原理圖，泵浦源與波分復(fù)用器(980/1550)連接，產(chǎn)生的光耦合后進(jìn)入諧振腔，90%的光進(jìn)入高摻雜摻Er3+增益光纖中，10%從另一端輸出，減少光脈沖在單模光纖內(nèi)能量衰減，降低單模光纖中的非線性效應(yīng)，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，從分束器輸出激光脈沖。飛秒光纖激光器的諧振腔由偏正控制器PC1，PC2和偏振相關(guān)隔離器組成[4]。使用隔離來(lái)保證激光器內(nèi)部激光的單方向運(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高鎖模脈沖輸出的重復(fù)頻率，必須減少激光器的腔長(zhǎng)，同時(shí)還要保證摻Er3+光纖長(zhǎng)度滿足系統(tǒng)鎖模狀態(tài)下的增益需求。通過(guò)控制諧振腔中光纖尾纖的長(zhǎng)度和增益光纖的長(zhǎng)度使腔內(nèi)色散為負(fù)，從而獲得最小的鎖模脈沖輸出。

圖1　摻Er 3+光纖鎖模激光器結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)值模擬的過(guò)程中使用薛定諤方程來(lái)描述光在光纖中的傳播：

(1)

(2)

式中：G為小信號(hào)增益；Psat為歸一化的飽和能量[9]。激光諧振腔中單模光纖的長(zhǎng)度為5 m，增益光纖長(zhǎng)度為0.5 m。通過(guò)公式(2)計(jì)算模擬可得，在激光開(kāi)始工作一段時(shí)間后，可以達(dá)到自動(dòng)鎖模的狀態(tài)(圖2)。

圖2　激光器穩(wěn)定鎖模理論模擬圖

該激光器的鎖模原理為：在激光器連續(xù)工作情況下，微小的超短脈沖經(jīng)過(guò)偏振相關(guān)隔離器后，在起偏器的作用下變成線偏振光。從控制器PC1出來(lái)變成了兩束橢圓偏振光，這兩束光互相垂直，在相位上存在一定量的延遲。利用摻Er3+光纖的放大特性，在自相位調(diào)制效應(yīng)、光克爾效應(yīng)和交叉相位調(diào)制等單模光纖的非線性效應(yīng)的影響下，光纖內(nèi)偏振的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，脈沖的峰值部分和邊翼有了不同的相位延遲，從而經(jīng)PC2還原為線偏振光后具有不同的偏振態(tài)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)PC2，使脈沖峰值部分在分束器處的透過(guò)率達(dá)到最大，而邊翼部分的透過(guò)率較小。經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的變窄和放大作用之后，產(chǎn)生了超短的脈沖輸出。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)逐漸提高泵浦功率，在達(dá)到鎖模閾值之后調(diào)整激光器內(nèi)偏振控制器，直到激光器產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定狀態(tài)的鎖模激光脈沖。圖3是通過(guò)高速光電探測(cè)器后，連接到頻譜儀上所得到的輸出脈沖的頻率，可以看出其頻率間隔穩(wěn)定，鎖模狀態(tài)良好，從圖3(b)上還可以得到激光器輸出的重復(fù)頻率為31.25 MHz。該重復(fù)頻率還有很大的優(yōu)化空間。如果減小或者消除擾動(dòng)和背向反射，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中激光器可以穩(wěn)定工作長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)。

(a)重復(fù)頻率

(b)頻率差值

圖4是在最高輸出功率下，利用自相關(guān)儀測(cè)量未經(jīng)過(guò)壓縮的輸出脈寬。實(shí)驗(yàn)中所測(cè)到的最短的自相關(guān)信號(hào)的FWHM為273 fs，由自相關(guān)軌跡的寬度與原始脈沖之間寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，假設(shè)脈沖形狀為雙曲正割情況下，原始脈沖的最短寬度為163 fs。

圖4　自相關(guān)曲線圖

圖5為激光器產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定振蕩鎖模激光脈沖并且輸出功率最大時(shí)，用光譜儀所測(cè)量的結(jié)果。從圖5中可以得知，光譜曲線平滑。中心波長(zhǎng)為1565 nm，光譜的半高全寬為50 nm。

圖5　光譜曲線

最后，測(cè)量了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中輸出功率和泵浦功率的關(guān)系。當(dāng)泵浦功率最大時(shí)，保證有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的脈沖輸出。通過(guò)依次降低泵浦功率，測(cè)量激光的平均功率，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)泵浦源在最大輸出功率650 mW的情況下，其穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出功率為70 mW，具有較高的轉(zhuǎn)換率，其效率為12.5%。泵浦功率高于260 mW時(shí)，激光產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模輸出。一旦出現(xiàn)鎖模，泵浦功率降低到230 mW仍能保持鎖模狀態(tài)。

圖6　輸出功率與泵浦功率關(guān)系

3結(jié)論

實(shí)驗(yàn)測(cè)得摻Er3+光纖飛秒激光器的重復(fù)頻率為31.25 MHz，光譜的中心波長(zhǎng)為1565 nm，光譜半高全寬為50 nm，輸出的最高功率為70 mW。并且觀察到了穩(wěn)定的諧波鎖模。使用自相關(guān)儀測(cè)量飛秒激光的脈沖，直接測(cè)量脈沖的時(shí)域?qū)挾葹?63 fs。參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論數(shù)據(jù)的仿真，采用高摻雜Er3+光纖、高功率980 nm激光泵浦源和由光纖熔接的環(huán)形腔，縮短激光器的腔長(zhǎng)、提高重復(fù)頻率、控制重復(fù)頻率漂移、提高輸出功率，最終的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)的要求。

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