郭旭，湯 成，王嫣鸞，郝強(qiáng)

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引言

780 nm 波段飛秒脈沖激光在太赫茲光學(xué)、生物光子學(xué)、時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。780 nm 波段超短脈沖通常采用鈦寶石激光器產(chǎn)生[5]，其光路為空間結(jié)構(gòu)，且對(duì)泵浦源的穩(wěn)定性和噪聲抑制水平要求極高，這在一定程度上限制了其應(yīng)用推廣。光纖激光器因其高穩(wěn)定性、高性價(jià)比和小型化等特點(diǎn)，已經(jīng)在某些領(lǐng)域逐漸取代全固態(tài)激光器[6]。重復(fù)頻率鎖定的光纖激光器以及光纖光學(xué)頻率梳在微波信號(hào)合成[7-8]、光學(xué)原子鐘[9-10]等領(lǐng)域得到不斷拓展。其中，獲得光學(xué)頻率梳的關(guān)鍵步驟是重復(fù)頻率（fr）和載波包絡(luò)相位（f0）的鎖定。考慮到f0的探測與鎖定較為困難，且在某些特定場景中，例如雙光梳光譜[11-12]等應(yīng)用中，只需鎖定重復(fù)頻率fr即可，發(fā)展重復(fù)頻率精確鎖定780 nm 的高穩(wěn)定性飛秒光源具有重要意義。

目前，實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率鎖定方法主要有兩種：一種是改變激光器諧振腔的幾何長度，可以通過壓電陶瓷（piezoelectric ceramic transducer,PZT）的拉伸帶動(dòng)光纖長度的改變來實(shí)現(xiàn)；另一種是采用控制激光器的光纖折射率，以此改變光程。2013 年，Rieger等[13]采用共振增強(qiáng)式非線性折射率調(diào)制技術(shù)，在腔內(nèi)分別加入波分復(fù)用器及一段摻雜光纖。該摻雜光纖上的抽運(yùn)光強(qiáng)度的不同會(huì)改變該段光纖的非線性折射率，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)摻鉺激光器重復(fù)頻率進(jìn)行鎖定。頻率鎖定的標(biāo)準(zhǔn)偏差為22 mHz。該技術(shù)由于需要實(shí)時(shí)反饋抽運(yùn)光強(qiáng)度來改變光纖的非線性折射率，使得激光器輸出脈沖的平均功率產(chǎn)生波動(dòng)，不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。此外，該摻雜光纖的加入直接增加激光器的幾何腔長，也限制了激光器重復(fù)頻率的進(jìn)一步提升。2015 年，Shen等[14]在非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器中引入一個(gè)電控偏振控制器，通過可控應(yīng)力擠壓改變光纖的雙折射，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4 mHz 的精確鎖定。但是，由于該腔型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的的是非保偏光纖，易受到外部振動(dòng)及環(huán)境溫度變化的影響，鎖模狀態(tài)和鎖定狀態(tài)的穩(wěn)定性欠佳。2017年，王少峰等[15]基于可飽和吸收體（semiconductor saturable absorber mirror,SESAM）實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出，將諧振腔的一部分光纖通過膠水固定于PZT 上，通過PZT伸縮來拉伸光纖長度，重復(fù)頻率鎖定后的波動(dòng)范圍小于3 mHz。雖然，SESAM 鎖模的激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，但是可飽和吸收體的可靠性較差，鎖模器件長期工作容易產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的光致?lián)p傷。此外，光纖在頻繁應(yīng)力拉伸的狀態(tài)下容易產(chǎn)生疲勞，鎖定精度會(huì)顯著降低。

本文所提出的激光器基于全保偏非線性干涉環(huán)鏡（nonlinear amplifying loop mirror，NALM）原理實(shí)現(xiàn)了鎖模脈沖振蕩器的長期穩(wěn)定工作，采用PZT 結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)了長時(shí)高精度重復(fù)頻率鎖定，12 h 的鎖定精度為5 mHz。振蕩器輸出的低能量脈沖通過分離脈沖光纖放大器和周期極化鈮酸鋰（PPLN）晶體倍頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度140 fs 的超短脈沖輸出。最終實(shí)現(xiàn)了一款中心波長為783 nm 的鎖定重復(fù)頻率的激光器樣機(jī)設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

激光器的諧振腔采用了NALM 鎖模原理，這種鎖模方式是一種基于Sagnac 干涉環(huán)結(jié)構(gòu)的類可飽和吸收體鎖模。一束光被分為傳輸方向相反的兩束光在光纖環(huán)中傳播時(shí)，這兩束光由于脈沖不同強(qiáng)度部分累積的非線性相位差，從而在中央耦合器處表現(xiàn)出不同的透射效率。雖然兩個(gè)方向脈沖走過的光程一樣，但因?yàn)閭鞑シ较蛳喾吹膬墒庀群蠼?jīng)過增益光纖，導(dǎo)致了累計(jì)的相位差也不同。當(dāng)兩束光相位差接近 π 時(shí)，耦合器對(duì)這部分能量表現(xiàn)出最高的透射率，經(jīng)耦合器透射而出，而其余能量則被反射回光路中，繼續(xù)進(jìn)行著前一過程。經(jīng)過無數(shù)次的循環(huán)后，諧振腔內(nèi)的光最終被不斷窄化為輸出穩(wěn)定的鎖模脈沖。

鎖相環(huán)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率精密鎖定的關(guān)鍵，該系統(tǒng)由三部分組成，分別是鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器。當(dāng)鑒相器將內(nèi)部振蕩信號(hào)和外部參考信號(hào)的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)時(shí)，會(huì)經(jīng)過環(huán)路濾波器濾除掉一些高頻信號(hào)和噪聲信號(hào)，并反饋給壓控振蕩器。壓控振蕩器隨著誤差信號(hào)的變化，實(shí)時(shí)調(diào)控輸出頻率，使之不斷地靠近參考頻率，直至兩個(gè)頻率一致且保持固定的相位差，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨。

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖：激光二極管(laser diodes,LD)，其輸出波長為976 nm；980/1 550 nm波分復(fù)用器(wavelength division multiplexing,WDM)；Er為摻鉺增益光纖（Er 80-4/125-PM，Liekki）；光纖耦合器(coupler,OC)，其分束比為4:6；FM為全反射鏡；非互易性相移器(phaser，PS)；準(zhǔn)直器(collimator,COL)焦距為10 cm；1550 nm 的半波片(half wave plate,HWP)；ISO為光隔離器；PIN 管為光電二極管；光纖偏振分束器(fiber polarization beam spliter,F-PBS)；法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(faraday rotator mirror,FRM)；PBS為偏振分束晶體；Divider為脈沖分離裝置；L為聚焦透鏡；PPLN為周期極化鈮酸鋰晶體；Rb為輸出10 MHz 模擬信號(hào)的銣原子鐘；任意信號(hào)發(fā)生器(direct digital synthesis,DDS)；MIXER為混頻器；低通濾波器(low-pass filter,LPF)帶寬為30 KHz；HIV為驅(qū)動(dòng)PZT提供高電壓放大；PZT為壓電陶瓷促動(dòng)系統(tǒng)。光源主要由諧振腔(a)、一級(jí)預(yù)放大(b)、倍頻系統(tǒng)(c)、分離脈沖放大系統(tǒng)(d)和鎖相環(huán)電路構(gòu)成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The experiment setup

2 783 nm 飛秒脈沖產(chǎn)生

飛秒脈沖諧振腔采用NALM 鎖模原理，實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)鎖模。當(dāng)鎖模脈沖穩(wěn)定輸出時(shí)，泵浦光的最低閾值為120 mW，從FM 的輸出端口可獲得平均功率1.5 mW，重復(fù)頻率77.1 MHz 的脈沖輸出。圖2（a）和2（b）分別顯示了振蕩器的輸出光譜和自相關(guān)曲線，中心波長為1 565 nm，光譜寬度約為6 nm，脈沖寬度為1.2 ps。在振蕩器和后續(xù)光路之間插入一支光纖隔離器（ISO）是為了防止回返光影響振蕩器的鎖模狀態(tài)。

圖2 振蕩器的輸出參數(shù)Fig.2 Output characters of the laser oscillator

種子脈沖從F-PBS 的輸入端口進(jìn)入光纖預(yù)放大器，對(duì)功率進(jìn)行初步提升。光纖預(yù)放大器采用雙通放大、雙向泵浦的工作方式。該預(yù)放大器采用非保偏單模光纖作為傳輸和增益介質(zhì)。種子脈沖經(jīng)過首次放大，由FRM 反射后偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，隨后第二次經(jīng)過光纖預(yù)放大器，最后從F-PBS 另一端輸出。該雙通放大器不僅可以有效的抑制自發(fā)輻射，還可以有效抵抗外界環(huán)境的干擾，以非保偏光纖實(shí)現(xiàn)了保偏光纖放大器的穩(wěn)定性，性價(jià)比好。種子脈沖的平均功率經(jīng)過光纖預(yù)放大器后被提升至60 mW。

在圖1(d)分離脈沖主放大器中，因?yàn)槠穹质骱兔}沖分離裝置都為空間結(jié)構(gòu)，所以將光纖輸出的脈沖準(zhǔn)直為空間光?？臻g光由準(zhǔn)直器Col3 進(jìn)行準(zhǔn)直后，依次經(jīng)過半波片HWP-2 和光隔離器ISO-3。旋轉(zhuǎn)半波片HWP-2 用于調(diào)整種子脈沖的偏振狀態(tài)，使通過光隔離器ISO-3 的平均功率達(dá)最優(yōu)。對(duì)于偏振分束器PBS，其一方面可以改善入射脈沖的偏振對(duì)比度，使得進(jìn)入脈沖分離器的是水平偏振分量，另一方面可將主放大器的輸出脈沖的豎直偏振輸出。最后的環(huán)節(jié)是脈沖分離裝置Divider。采用摻鉺雙包層光纖可有效的將1.56 μm 波段的超短脈沖的平均功率提升至瓦量級(jí)。當(dāng)超短脈沖在纖芯直徑約為10 μm光纖中傳播時(shí)，非線性效應(yīng)和放大自發(fā)輻射是產(chǎn)生高對(duì)比、低噪聲超短脈沖的限制因素。與啁啾脈沖放大相比，分離脈沖放大通過將一個(gè)脈沖在時(shí)域上分離成若干個(gè)子脈沖，可有效降低摻鉺光纖放大器中的單脈沖能量，有效管理光纖放大器中的非線性效應(yīng)[16]。脈沖分離裝置中采用×64 脈沖分離器進(jìn)行脈沖分離，該脈沖分離器采用三級(jí)礬酸釔晶體和三級(jí)PBS 晶體相組合方式[17]。當(dāng)種子脈沖入射到第一級(jí)礬酸釔晶體（該礬酸釔晶體光軸與水平方向的夾角為45°）時(shí)，沿快、慢軸傳播的兩個(gè)脈沖在雙折射效應(yīng)的作用下產(chǎn)生一定時(shí)間延遲，延遲大小取決于該塊礬酸釔晶體的長度。第二級(jí)礬酸釔的光軸為水平方向，即可將由第一級(jí)礬酸釔晶體輸出的2 個(gè)脈沖分離成4 個(gè)子脈沖。第三級(jí)礬酸釔晶體的光軸與第一級(jí)礬酸釔晶體的光軸平行，可將第二級(jí)礬酸釔晶體輸出的4 個(gè)脈沖分離成8 個(gè)子脈沖。其中，第一、第二、第三級(jí)的礬酸釔晶體長度分別為10、20 和40 mm，對(duì)應(yīng)子脈沖的延時(shí)量分別為7、14 和28 ps。這8 個(gè)子脈沖經(jīng)過隨后的三級(jí)PBS 分束器即可分離成64 個(gè)子脈沖。該三級(jí)PBS 分束器的底面與水平方向的夾角依次分別為0°、45°和0°。第一、第二、第三級(jí)PBS分束立方的所產(chǎn)生的延時(shí)量分別為150、300 和600 ps。綜上，1 個(gè)種子脈沖共分為64 個(gè)子脈沖。同樣地，光纖主放大器與光纖預(yù)放大器采用了類似雙通結(jié)構(gòu)。當(dāng)子脈沖經(jīng)光纖主放大器放大，由FRM 反射后，偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)90°，返回的子脈沖再次經(jīng)過光纖主放大器進(jìn)行第二次放大，最終由脈沖分離器逆向合成1 個(gè)脈沖。通過優(yōu)化泵浦功率和光纖長度，可以有效管理主放大器的非線性效應(yīng)和凈色散，以產(chǎn)生平均功率為瓦量級(jí)的百飛秒脈沖。圖3（a）和3（b）分別顯示了主放大級(jí)輸出脈沖的光譜，中心波長為1 570 nm和自相關(guān)曲線，脈沖寬度130 fs，此時(shí)，脈沖的平均功率提升至1.3 W。

摻鉺光纖放大器輸出脈沖的倍頻裝置如圖1(c)倍頻裝置所示，其利用半波片HWP-3 調(diào)節(jié)輸出脈沖的偏振態(tài)，再經(jīng)聚焦透鏡（f=8 mm）聚焦在周期極化PPLN 晶體上。該P(yáng)PLN 的反轉(zhuǎn)周期為20.9 μm，尺寸為10.3 mm×1 mm×1 mm。最后，倍頻后的脈沖由一個(gè)焦距為8 mm 的聚焦透鏡準(zhǔn)直輸出。當(dāng)入射光平均功率為1.3 W 時(shí)，倍頻光輸出功率可達(dá)520 mW，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率40.0 %，輸出光譜和脈沖寬度如圖3（c）、（d）所示。采用CCD 在聚焦透鏡L2 后的1 m 處測量倍頻光光斑，如圖4（a）中插圖所示，光斑圓度為99%。圖4（a）顯示783 nm 飛秒脈沖的功率穩(wěn)定性，峰-峰值的功率抖動(dòng)為18 mW，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.21 mW。

圖3 光纖主放大器和倍頻后的脈沖光譜和自相關(guān)曲線Fig.3 The characters of pulse from main-amplifier and SHG

圖4 功率及重頻穩(wěn)定性Fig.4 Power and repetition stability

3 重復(fù)頻率鎖定

在自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，激光器的重復(fù)頻率會(huì)隨著外界環(huán)境的改變而發(fā)生漂移，比如溫度、濕度、振動(dòng)等?？赏ㄟ^放置隔振泡沫和主動(dòng)溫度控制減弱外界環(huán)境對(duì)激光器重復(fù)頻率的影響。通過對(duì)鎖模激光器的振蕩器進(jìn)行隔振和絕熱封裝，以及半導(dǎo)體制冷片對(duì)鎖模激光器的光路部分進(jìn)行溫度控制。

為了實(shí)現(xiàn)鎖模振蕩器的重復(fù)頻率長期高精度鎖定，將振蕩器內(nèi)部的一對(duì)準(zhǔn)直器Col-1 和Col-2 分別安裝于兩個(gè)位移平臺(tái)上。其中一個(gè)位移平臺(tái)為壓電位移平臺(tái)，內(nèi)部安裝有PZT 以精確控制Col-1 的位移，PZT 的最大行程100 μm，最小步進(jìn)7 nm，可實(shí)現(xiàn)最大約3 kHz 的重復(fù)頻率調(diào)諧；另一位移平臺(tái)是電控位移平臺(tái)，最大行程25.4 mm。通過反饋控制PZT 可實(shí)現(xiàn)對(duì)Col-1 位置的精確控制，進(jìn)而精密調(diào)節(jié)鎖模振蕩器的幾何腔長。當(dāng)由于環(huán)境變化使得激光器重復(fù)頻率漂移超過PZT 的最大控制范圍時(shí)，可通過步進(jìn)電機(jī)的大范圍快速移動(dòng)來粗調(diào)激光器的幾何腔長，彌補(bǔ)PZT 伸縮量的不足，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖模振蕩器重復(fù)頻率的長期精密鎖定。兩個(gè)準(zhǔn)直器之間的一個(gè)半波片HWP-1 用于準(zhǔn)確調(diào)節(jié)腔內(nèi)脈沖的偏振狀態(tài)，確保脈沖沿著保偏光纖的慢軸傳輸。

在鎖相電路中，我們首先利用混頻器將PIN 管探測到的重復(fù)頻率信號(hào)與參考信號(hào)Rb 原子鐘（FE-5650 A）進(jìn)行混頻，產(chǎn)生誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)通過低通濾波器LPF 及相應(yīng)的處理電路將誤差信號(hào)中的高頻信號(hào)和噪聲信號(hào)濾除。放大后的誤差信號(hào)分為兩路，分別連接至PZT 和電控位移平臺(tái)。通過FPGA 對(duì)PZT 和電控位移平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合控制。圖4（b）顯示了12 h 的重復(fù)頻率鎖定情況，重復(fù)頻率峰-峰值抖動(dòng)小于±5 mHz，標(biāo)準(zhǔn)偏差1.2 mHz。期間，僅出現(xiàn)3 次頻率抖動(dòng)超過5 mHz 的情況。

4 結(jié)論

綜上所述，本文所提出的激光器系統(tǒng)諧振腔的脈沖光中心波長為1 570 nm；輸出功率1.30 W；脈沖寬度130 fs。經(jīng)過倍頻后，激光器輸出脈沖寬度140 fs、平均功率520 mW 的783 nm 超短脈沖。搭建的重復(fù)頻率鎖定的飛秒脈沖激光器重復(fù)頻率為77.1 MHz；重復(fù)頻率鎖定精度為1.2 mHz。本文所使用的方案具有高可靠性和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，有望應(yīng)用于室外雙光梳光譜檢測、雙光梳測距等應(yīng)用。