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雙波長(zhǎng)可切換方波類(lèi)噪聲鎖模線(xiàn)形光纖激光器

2022-06-09 04:53:42汪徐德潘婕妤孫夢(mèng)秋楊思敏
激光與紅外 2022年5期
關(guān)鍵詞:鎖模方波激光器

耿 旭,汪徐德,潘婕妤,孫夢(mèng)秋,楊思敏

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 淮北 235000)

1 引 言

被動(dòng)鎖模光纖激光器作為一種理想的激光光源,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療,材料處理,傳感以及光通信等領(lǐng)域[1]。為了獲得脈沖輸出,人們提出了各種各樣的可飽和吸收體應(yīng)用于光纖激光器中以實(shí)現(xiàn)鎖模操作。通常情況下,可飽和吸收體大致分為兩類(lèi):真實(shí)材料可飽和吸收體和類(lèi)可飽和吸收體。真實(shí)材料可飽和吸收體主要有半導(dǎo)體可飽和吸收鏡以及以石墨烯為代表的二維材料可飽和吸收體[2-3];類(lèi)可飽和吸收體主要有非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)以及非線(xiàn)性放大環(huán)形鏡[4-5]。借助于上述的鎖模方法,在光纖激光器中已成功獲得了各種類(lèi)型的鎖模脈沖[6-8]。隨著光纖激光技術(shù)的發(fā)展以及高能量脈沖在材料加工等領(lǐng)域有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,人們對(duì)利用光纖激光器獲取高能量脈沖的研究興趣日益濃厚。與真實(shí)可飽和吸收體相比,類(lèi)可飽和吸收體具有全光纖結(jié)構(gòu)、損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是產(chǎn)生高能量脈沖的可靠鎖模方式。

到目前為止,人們已利用各種鎖模機(jī)制獲得高能量脈沖,如自相似脈沖,耗散孤子共振和類(lèi)噪聲脈沖[9-11]。與前兩種脈沖相比,類(lèi)噪聲脈沖的形成對(duì)腔參數(shù)要求不高,因此更容易在光纖激光器中產(chǎn)生。通常情況下,類(lèi)噪聲脈沖具有高斯形脈沖輪廓,但近幾年的研究發(fā)現(xiàn),在長(zhǎng)腔情況下,由于腔內(nèi)高非線(xiàn)性和峰值鉗制效應(yīng),類(lèi)噪聲脈沖往往呈現(xiàn)出方形輪廓[12]。隨著泵浦功率的增大,脈沖寬度可以展寬至幾十納秒,而峰值功率幾乎保持不變,這一演化特性與方波耗散孤子共振極為相似[13]。因此,與傳統(tǒng)孤子脈沖相比,方形類(lèi)噪聲脈沖可以獲得微焦量級(jí)的高能量[14],是產(chǎn)生高能量脈沖的有效方式之一。實(shí)驗(yàn)表明,方波類(lèi)噪聲脈沖的產(chǎn)生不受光纖激光器鎖模方法、工作波長(zhǎng)以及色散區(qū)域的限制。2014年,Zheng等人在“8”字形摻鉺光纖激光器中報(bào)道了高能量類(lèi)噪聲方波脈沖,最大脈寬76 ns,單脈沖能量為135 nJ[15]。2018年,Zhao等人在“9”字形鈥銩共摻光纖激光器中獲得方波耗散孤子共振和方波類(lèi)噪聲脈沖[16]。2019年,Pan等人在摻鐿光纖激光器中獲得了6.5 ns的方波類(lèi)噪聲脈沖和階梯狀方形脈沖[17]。2020年,Dou等人通過(guò)搭建的啞鈴形鉺鐿共摻光纖激光器得到了中心波長(zhǎng)在1661 nm高能量的類(lèi)噪聲方波脈沖[18]。盡管方波類(lèi)噪聲脈沖已得到了大量研究,但大部分的研究主要集中在單波長(zhǎng)環(huán)形腔(或“8”字腔)光纖激光器中,線(xiàn)形腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器中獲得方波類(lèi)噪聲脈沖還少有報(bào)道。因此,在線(xiàn)性光纖激光器中獲得具有其他動(dòng)力學(xué)特性的類(lèi)噪聲脈沖,比如雙波長(zhǎng)可切換方波類(lèi)噪聲脈沖,值得進(jìn)一步的探索和研究。

本文報(bào)道了基于非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)技術(shù)的線(xiàn)形腔結(jié)構(gòu)雙波長(zhǎng)可切換方波類(lèi)噪聲光纖激光器,該激光器可以在中心波長(zhǎng)1530 nm和1563 nm處分別獲得方波類(lèi)噪聲脈沖,方波脈沖的寬度隨泵浦功率的增加而展寬,最大脈沖寬度分別可達(dá)12 ns和26 ns。通過(guò)調(diào)節(jié)腔參數(shù),也可在1530 nm和1563 nm兩波長(zhǎng)處同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模,鎖模脈沖呈階梯狀,脈沖寬度達(dá)5 ns。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為多波長(zhǎng)高能量光源的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于NPR技術(shù)的雙波長(zhǎng)可切換方波類(lèi)噪聲脈沖光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,與環(huán)形腔不同,激光器采用兩個(gè)光纖反射鏡(OFM)構(gòu)成線(xiàn)形腔結(jié)構(gòu),OFM置于激光腔的兩端,確保光在腔內(nèi)來(lái)回反射。增益介質(zhì)為約5 m長(zhǎng)的摻鉺光纖(EDF),鉺纖的色散系數(shù)-18.5 ps/(nm·km),通過(guò)980 nm泵浦源對(duì)其進(jìn)行泵浦。兩個(gè)偏振控制器(PC)與一個(gè)起偏器組合構(gòu)成鎖模器件,實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)鎖模。為了增加腔的克爾非線(xiàn)性和調(diào)節(jié)色散值,腔內(nèi)還接入了一段300 m長(zhǎng)的單模光纖(SMF)[19],單模光纖的色散系數(shù)為17 ps/(nm·km)。整個(gè)線(xiàn)性腔的長(zhǎng)度為318.5 m,激光在腔內(nèi)來(lái)回繞行一周經(jīng)過(guò)的光纖長(zhǎng)度約為637 m,凈腔色散值為-6.67 ps2。輸出端口為一個(gè)70:30的耦合器,可將30 %能量的激光輸出腔外用于各種儀器的探測(cè)。

圖1 基于線(xiàn)形腔結(jié)構(gòu)的方波類(lèi)噪聲光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup of square noise-like pulse fiber laser based on linear-cavity configuration

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由于NPR具有類(lèi)可飽和吸收效應(yīng),因此通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦功率,激光器在閾值為120 mW時(shí)可達(dá)到鎖模狀態(tài)。圖2(a)展示了激光器輸出的光譜,光譜中心波長(zhǎng)1530 nm,3 dB帶寬為8 nm,光譜形狀光滑,與典型的類(lèi)噪聲光譜相符合[20]。圖2(b)是對(duì)應(yīng)的脈沖序列,可以看出此時(shí)相鄰脈沖間隔為3.1 μs,對(duì)應(yīng)基頻重復(fù)頻率是322.5 kHz,與激光在線(xiàn)形腔中往返一周所需時(shí)間相一致。圖2(b)的插圖為單個(gè)方波脈沖,脈沖前后沿陡峭頂部平坦,測(cè)量得到脈寬為12 ns,脈沖能量為4.43 nJ。方波脈沖的射頻譜如圖2(c)所示,可以看到射頻譜峰值位于322.5 kHz處,表明激光器工作在基頻狀態(tài),此時(shí)信噪比約為48 dB,表明鎖模工作穩(wěn)定。圖2(c)的插圖是大掃寬范圍下射頻譜,在120 MHz的掃寬范圍內(nèi),射頻譜包絡(luò)呈現(xiàn)出周期性的調(diào)制結(jié)構(gòu),調(diào)制周期約為83 MHz,與方波脈沖寬度成反比[21]。為了確定鎖模的運(yùn)作狀態(tài),我們采用自相關(guān)儀測(cè)量方波的自相關(guān)跡,如圖2(d)所示??梢钥闯鲎韵嚓P(guān)跡由一個(gè)很寬的矩形基座和一個(gè)很窄尖峰組成,尖峰和基座的強(qiáng)度比約為2∶1,這是典型的類(lèi)噪聲脈沖的自相關(guān)跡曲線(xiàn)[22],表明此方波鎖模狀態(tài)為類(lèi)噪聲鎖模。適當(dāng)調(diào)節(jié)偏振控制器和泵浦功率,激光器可以切換到1563 nm處實(shí)現(xiàn)鎖模,如圖2(e)所示。圖2(e)展示了泵浦功率500 mW時(shí)中心波長(zhǎng)1563 nm的鎖模光譜,光譜形狀光滑,3 dB帶寬為9 nm。圖2(f)給出了對(duì)應(yīng)的脈沖序列和單個(gè)方波脈沖,脈沖周期是3.1 μs,方波脈沖寬度為26 ns。脈沖輸出功率和單脈沖能量分別為4.45 mW和13.7 nJ。

圖2 方波類(lèi)噪聲脈沖Fig.2 Square noise-like pulses

頻譜儀觀察其信噪比約為47dB,大范圍射頻譜呈周期調(diào)制,調(diào)制周期約為38.4 MHz,與26 ns的方波脈沖寬度成反比。通過(guò)自相關(guān)儀測(cè)出的自相關(guān)跡是典型的類(lèi)噪聲自相關(guān)跡曲線(xiàn),表明1563 nm處實(shí)現(xiàn)鎖模狀態(tài)仍然為類(lèi)噪聲鎖模。

由于峰值功率鉗制效應(yīng)的影響,在泵浦功率變化時(shí),方形脈沖幅度保持不變,而脈沖寬度隨泵浦功率的變化而變化。圖3展示了激光器在1530 nm和1563 nm處類(lèi)噪聲方波脈沖隨泵浦功率增大時(shí)光譜和脈沖的演化過(guò)程??梢杂^察到隨著泵浦功率從180 mW增大到500 mW,光譜的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),而光譜輪廓幾乎保持不變,其中心波長(zhǎng)分別穩(wěn)定在1530 nm和1563 nm,3 dB帶寬始終保持在8 nm和9 nm附近。對(duì)應(yīng)的時(shí)域演化中,方波脈沖寬度不斷增大,同時(shí)脈沖幅度保持不變,脈沖形狀始終保持為規(guī)則的矩形輪廓。圖3(c)和圖3(f)分別給出了兩處中心波長(zhǎng)脈沖寬度和輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系,從圖中可以看到類(lèi)噪聲脈沖的寬度和輸出功率隨著泵浦功率的升高幾乎成線(xiàn)性增加的趨勢(shì)。當(dāng)泵浦功率從180 mW增大到500 mW,1530 nm方波脈沖寬度從5 ns展寬到12 ns,輸出功率從0.59 mW增大到1.43 mW,對(duì)應(yīng)單脈沖能量從1.82 nJ增大到4.43 nJ??紤]到30 %的能量輸出,腔內(nèi)最大的脈沖能量可達(dá)14.7 nJ。

圖3 1530 nm和1563 nm處方波類(lèi)噪聲鎖模的演化過(guò)程Fig.3 Evolution of square noise-like mode locking at 1530 nm and 1563 nm

根據(jù)測(cè)量的脈沖參數(shù),可知腔內(nèi)峰值功率保持在1.2 W左右;1563 nm方波脈沖寬度從5 ns均勻增加到26 ns。輸出功率從0.85 mW增加到4.45 mW,對(duì)應(yīng)的單脈沖能量從2.63 nJ增加到13.7 nJ。腔內(nèi)最大的脈沖能量為45.6 nJ。峰值功率約為1.75 W。

除了在1530 nm和1563 nm處實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可切換鎖模操作,光纖激光器還可以在兩個(gè)波長(zhǎng)處同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖模。當(dāng)泵浦功率調(diào)節(jié)到500 mW時(shí),仔細(xì)調(diào)節(jié)偏振控制器,可觀察到雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲鎖模如圖4所示。圖4(a)展示了雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲脈沖的鎖模光譜,中心波長(zhǎng)分別位于1530 nm和1563 nm,3dB帶寬分別為8 nm和4 nm,波長(zhǎng)間隔為33 nm。光譜形狀光滑。圖4(b)給出了雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲脈沖的脈沖序列和單個(gè)脈沖,相鄰脈沖間隔為3.1 μs,脈沖時(shí)域輪廓呈階梯狀,階梯狀脈沖形成的原因與文獻(xiàn)[23]類(lèi)似,主要是由兩處不同中心波長(zhǎng)的方波脈沖交疊在一起形成的。圖4(c)展示了雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲鎖模脈沖的射頻譜,信噪比約為40 dB,表明鎖模操作穩(wěn)定。

圖4 雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲脈沖Fig.4 Dual-wavelength noise-like pulses

圖5(a)和圖5(b)給出了光譜和脈沖隨著泵浦功率變化的演化圖,當(dāng)泵浦功率從500 mW逐漸降低到340 mW,可以明顯地觀察到1563 nm波長(zhǎng)處的光譜逐漸減弱,當(dāng)泵浦功率為340 mW時(shí),1563 nm處的光譜成分幾乎完全消失。同時(shí)脈沖在時(shí)域上的演化表現(xiàn)為,隨著泵浦的減低,一方面脈沖寬度逐漸變窄,另一方面脈沖輪廓由階梯狀逐漸演變?yōu)橐?guī)則的方形脈沖,這正好也說(shuō)明了脈沖在時(shí)域上呈階梯狀強(qiáng)度凸起,主要是由于1563 nm的脈沖成分而引起,兩波長(zhǎng)處的脈沖相互疊加,導(dǎo)致整體脈沖呈現(xiàn)左高右低,一旦某一波長(zhǎng)處的光譜成分不參與貢獻(xiàn),脈沖恢復(fù)到規(guī)則的矩形狀態(tài)[23]。脈沖寬度和輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系如圖5(c)所示,當(dāng)泵浦功率從340 mW變化到500 mW,方波脈沖寬度從3.77 ns展寬到5 ns,輸出功率從0.86 mW增大到1.15 mW,對(duì)應(yīng)單脈沖能量從2.67 nJ增大到3.56 nJ,腔內(nèi)最大的脈沖能量可達(dá)11.8 nJ。

圖5 雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲鎖模的演化Fig.Evolution of dual-wavelength noise-like mode locking

4 結(jié) 論

本文報(bào)道了在線(xiàn)形腔光纖激光器中實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)可切換方波類(lèi)噪聲鎖模運(yùn)作。光纖激光器腔長(zhǎng)318.5 m,脈沖重復(fù)率為322.5 kHz。由于NPR誘導(dǎo)的梳狀濾波效應(yīng),激光器在1530 nm和1563 nm處,實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)可切換類(lèi)噪聲方波鎖模,輸出的最大方波脈沖寬度分別為12 ns和26 ns,腔內(nèi)最大的脈沖能量分別可達(dá)14.7 nJ和45.6 nJ。此外在這兩個(gè)波長(zhǎng)處,還獲得了波長(zhǎng)間隔為33 nm的雙波長(zhǎng)類(lèi)噪聲鎖模,脈沖輪廓呈階梯型,階梯型的脈沖輪廓主要由兩處不同中心波長(zhǎng)的方波脈沖疊加而形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于理解線(xiàn)形腔光纖激光器中方波類(lèi)噪聲脈沖的動(dòng)力學(xué)特性,并為多波長(zhǎng)高能量光源的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒。

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