基于多波長(zhǎng)類噪聲脈沖的摻鉺光纖激光器

王富任，王天樞，馬萬(wàn)卓，賈青松，趙得勝，劉潤(rùn)民

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家與地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130022; 2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022;3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

被動(dòng)鎖模光纖激光器由于體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、光束質(zhì)量好，可調(diào)諧和較易形成超短脈沖等優(yōu)點(diǎn)[1]，在顯微機(jī)械加工[2],光學(xué)頻率測(cè)量[3]，醫(yī)學(xué)[4]和軍事領(lǐng)域[5-6]有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。近幾十年來(lái)，已經(jīng)有大量的鎖模脈沖類型被報(bào)道，如自相似脈沖[7]、孤子脈沖[8]、類噪聲脈沖[9]等。其中類噪聲脈沖由于具有寬的波包，寬而平滑的光譜，低時(shí)域相干性等特殊的物理特性[10]被廣泛應(yīng)用于低相干光譜干涉儀[11]，超連續(xù)譜產(chǎn)生[12]等領(lǐng)域。因此，類噪聲脈沖備受研究人員的關(guān)注。1997年，M. Horowitz等人首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)類噪聲脈沖，并認(rèn)為類噪聲脈沖的產(chǎn)生是由腔內(nèi)強(qiáng)雙折射與非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的相互作用導(dǎo)致的[8]。隨著類噪聲脈沖的研究工作不斷進(jìn)展，研究者們發(fā)現(xiàn)激光器在不同工作區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生類噪聲脈沖的機(jī)制并不相同。2005年，D. Y. Tang 等在低雙折射負(fù)色散腔中獲得類噪聲脈沖，并提出在負(fù)色散區(qū)類噪聲脈沖的產(chǎn)生是由孤子的坍塌效應(yīng)和腔內(nèi)正反饋共同引起的[13]。2007年，L. M. Zhao等在正色散腔中獲得類噪聲脈沖，并提出在正色散區(qū)類噪聲脈沖的產(chǎn)生是光纖正色散與腔內(nèi)增益引導(dǎo)孤子的峰值功率鉗制效應(yīng)共同作用的結(jié)果[14]。在過(guò)去的數(shù)十年間，關(guān)于類噪聲脈沖在高能量和寬光譜方面有大量的報(bào)道。2012年，Luis A. Vazquez-Zuniga等人利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)鎖模技術(shù)，在摻鉺光纖激光器中獲得了具有135 nm光譜帶寬的類噪聲鎖模脈沖，脈沖能量為1.1 nJ[15]。2014年X.W. Zheng等在摻鉺非線性放大環(huán)形鏡(NALM)光纖激光器中得到了135 nJ 高能量的矩形類噪聲脈沖[16]。2018年，Xinwu Zhou, Zhaochen Cheng等人用保偏雙包層鉺鐿共摻光纖作為增益介質(zhì)，在NALM光纖激光器中得到了能量為1.54 μJ的矩形類噪聲脈沖[17]。

另一方面，關(guān)于多波長(zhǎng)類噪聲脈沖鮮有報(bào)道。但是多波長(zhǎng)光纖激光器在波分復(fù)用、光學(xué)測(cè)量、光學(xué)傳感以及微波產(chǎn)生等領(lǐng)域有著非常廣泛的用途[18-19]。因此,性能穩(wěn)定的多波長(zhǎng)光纖激光器是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。2014年，Hao Liu等人在NALM光纖激光器中獲得了雙波長(zhǎng)和三波長(zhǎng)的多波長(zhǎng)方波脈沖。為理解多波長(zhǎng)類噪聲方波脈沖的形成機(jī)理提供了新的角度[20]。多波光纖激光器多采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)和四波混頻效應(yīng)[21]、非線性光纖放大環(huán)鏡[22,23]、高雙折射布拉格光柵、梳狀濾波器等[24]。其中非線性偏振旋轉(zhuǎn)和四波混頻效應(yīng)主要是利用光纖中的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖輸出，但這兩種方法需要在激光腔內(nèi)引入百米以上的高非線性光纖，這就導(dǎo)致該激光器的閾值高，穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且難以產(chǎn)生的平坦的多波長(zhǎng)；利用高雙折射布拉格光柵實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖，其波長(zhǎng)數(shù)受限并且不可調(diào)諧，難以產(chǎn)生3個(gè)以上波長(zhǎng)輸出；利用Sagnac環(huán)干涉儀實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)脈沖，提高了多波長(zhǎng)的穩(wěn)定性和平坦度。

提出了一種基于NALM鎖模的被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器。采用980 nm半導(dǎo)體激光器為泵浦源，2.5 m長(zhǎng)的摻鉺光纖(EDF)為增益介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)得到了光譜3 dB帶寬為17.2 nm，單脈沖能量為7.9 nJ的類噪聲脈沖。通過(guò)加入Sagnac環(huán)干涉儀，實(shí)現(xiàn)了最大波長(zhǎng)數(shù)為5的平坦多波長(zhǎng)類噪聲脈沖。

1 基于Sagnac環(huán)的濾波器構(gòu)造原理

實(shí)驗(yàn)中增益介質(zhì)選取2.5 m長(zhǎng)的單模摻鉺光纖，泵浦源采用兩個(gè)980 nm半導(dǎo)體激光器，在980 nm激光泵浦的條件下，能夠產(chǎn)生1 550 nm 波段激光。諧振腔選取環(huán)形腔，采用非線性放大光纖環(huán)鏡實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模。實(shí)驗(yàn)中為了實(shí)現(xiàn)平坦的多波長(zhǎng)輸出，選取Sagnac環(huán)作為梳狀濾波器。Sagnac環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。此濾波結(jié)構(gòu)由一個(gè) PC ，一段保偏光纖(PMF)和一個(gè)3d B耦合器構(gòu)成。Sagnac環(huán)干涉儀的使用實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)類噪聲脈沖輸出。入射光由端口1進(jìn)入耦合器后，被耦合器分成兩束傳播方向相反的光，一束光從端口3輸出并沿著順時(shí)針傳輸，另一束光從端口4輸出并沿著逆時(shí)針傳輸，并且兩束光各占 50%。當(dāng)光經(jīng)過(guò) PMF時(shí)，光分成兩個(gè)分量的光沿 PMF 的快慢軸獨(dú)立傳輸，快慢軸的折射率不同導(dǎo)致兩分量的光產(chǎn)生一個(gè)相位差。當(dāng)光經(jīng)過(guò) PC 時(shí)，偏振光產(chǎn)生了一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度。兩束光沿順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向分別通過(guò)了 PC和 PMF，最后返回耦合器相干干涉輸出。實(shí)現(xiàn)梳狀濾波，濾波后的部分寬帶光由環(huán)行器返回腔內(nèi)，從而在環(huán)形腔內(nèi)持續(xù)振蕩，形成平坦多波長(zhǎng)激光輸出。

圖1 Sagnac環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)

在1端口輸出的部分稱為反射光譜，在2端口輸出的部分稱為透射光譜。光波經(jīng)過(guò)2×2的3 dB耦合器的表達(dá)式可以表示為

(1)

由于2×2的3 dB耦合器的瓊斯矩陣為

(2)

如果入射光從端口1進(jìn)入，根據(jù)(2)式可將(1)式改寫為

(3)

假設(shè)入射光與X軸的夾角為0,則將入射光場(chǎng)E1沿坐標(biāo)軸分解為E1x和E1y，則經(jīng)過(guò)藕合器分束后的E3和E4可以表示為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

當(dāng)耦合比k=0.5時(shí)，由此可推出透射函數(shù)為[25]

(9)

式中：φ=πΔnL/λ；Δn為兩主軸的折射率差；L為PMF的長(zhǎng)度。通過(guò)調(diào)整PC的狀態(tài)，使不同偏振態(tài)的光在PMF中產(chǎn)生不同的相位延遲，使透射譜的濾波特性發(fā)生變化，當(dāng)PMF參數(shù)固定，透射譜的自由光譜范圍僅取決于PMF長(zhǎng)度，為探究PMF的長(zhǎng)度與自由光譜范圍的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)選取了17 m，8 m和2 m的PMF，得到的透射譜如圖2所示。對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)間隔分別為0.63 nm，1.07 nm，4.27 nm。因此，當(dāng)增加PMF的時(shí)候，自由光譜范圍相應(yīng)的縮短了，得出越長(zhǎng)PMF對(duì)應(yīng)越小的自由光譜范圍，因此輸出多波長(zhǎng)激光的波長(zhǎng)間隔可以通過(guò)調(diào)節(jié)PMF長(zhǎng)度來(lái)改變。在本實(shí)驗(yàn)中，為了避免諧振腔過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生較大的損耗，因此盡量減小腔長(zhǎng)，選取的PMF長(zhǎng)度為2 m。

圖2 不同長(zhǎng)度的PMF對(duì)應(yīng)的Sagnac環(huán)透射譜

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與工作原理

多波長(zhǎng)類噪聲脈沖摻鉺光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，本實(shí)驗(yàn)采用雙泵浦結(jié)構(gòu)，兩個(gè)980 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源。泵浦光分別由兩個(gè)980/1 550 nm波分復(fù)用器(wavelength division multiplexer，WDM)耦合進(jìn)2.5 m長(zhǎng)的EDF中，EDF的數(shù)值孔徑，980 nm處吸收，1 550 nm模場(chǎng)直徑分別為0.23、3 dB/m、5.8 μm。980 nm光在EDF內(nèi)被吸收，由4I15/2→4I11/2能級(jí)躍遷產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在光纖中不斷地被受激放大，得到放大自發(fā)輻射光輸出。非線性放大環(huán)形鏡與單向環(huán)通過(guò)2×2的3 dB耦合器1相連構(gòu)成NALM鎖模結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出。一個(gè)偏振控制器(PC)，2 m的保偏光纖(PMF)和一個(gè)2×2的3 dB耦合器2構(gòu)成Sagnac環(huán)通過(guò)環(huán)形器與單向環(huán)連接從而實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)鎖模脈沖輸出。一段20 m長(zhǎng)的單模光纖用來(lái)增加腔內(nèi)的非線性效應(yīng)以及控制腔內(nèi)的色散。10/90的耦合器3的10%端口作為輸出端，90%端口提供腔內(nèi)正反饋。輸出光譜通過(guò)光譜分析儀(OSA, YOKOGAWA AQ6370D)觀測(cè)，該光譜儀的最小分辨率為0.05 nm。脈沖通過(guò)1 550 nm高速光電探測(cè)器探測(cè)，其帶寬可達(dá)10 GHz以上，上升沿時(shí)間為28 ps。脈沖信號(hào)在時(shí)域上通過(guò)高速示波器(Agilent DSO-X 93204A)觀測(cè)，其帶寬為32 GHz，最高采樣率為80 GSa/s。脈沖信號(hào)在頻域通過(guò)頻譜分析儀(FSA，Agilent N1996A)觀測(cè)，其頻率探測(cè)范圍為100 kHz～3 GHz。脈沖信號(hào)的自相關(guān)跡通過(guò)自相關(guān)儀(Autocorrelator, FR-103XL)觀測(cè)。

圖3 多波長(zhǎng)類噪聲脈沖摻鉺光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，NALM結(jié)構(gòu)具有可飽和吸收效應(yīng)，相當(dāng)于一個(gè)可飽和吸收體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模。輸出信號(hào)采用示波器，光譜分析儀，自相關(guān)儀以及頻譜分析儀測(cè)量。當(dāng)泵浦功率增加到180 mW時(shí)，到達(dá)激光器閾值，觀測(cè)到1 550 nm波段激光輸出，光譜如圖4所示，從圖中可看出該脈沖信號(hào)具有光滑的光譜形狀，其中心波長(zhǎng)為1 551.94 nm，光譜3-dB帶寬為17.2 nm，邊模抑制比為47.7 dB。此時(shí)，激光器工作在基頻被動(dòng)鎖模狀態(tài)。其脈沖序列如圖5，可以看出脈沖序列穩(wěn)定均勻地分布在整個(gè)空間，每個(gè)脈沖幅度基本一致，脈沖間隔為184 ns，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率為5.434 MHz。在被動(dòng)鎖模光纖激光器中環(huán)型腔激光器輸出脈沖序列的重復(fù)頻率為f環(huán)=c/nL(c為光速，L為腔長(zhǎng)，n為折射率系數(shù))。激光器腔長(zhǎng)約為37 m，由此可理論計(jì)算出激光重復(fù)頻率值為5.405 MHz，與實(shí)際測(cè)量值相符。輸出脈沖的自相關(guān)信號(hào)如圖6所示，從圖中的自相關(guān)跡可以看出，有一個(gè)相干的尖峰坐落在一個(gè)很寬的底座上，這是典型的類噪聲脈沖自相關(guān)跡[8]。輸出脈沖的頻譜如圖7所示，信噪比為55.47 dB。該脈沖信號(hào)穩(wěn)定。增加泵浦功率至最大800 mW時(shí)，輸出脈沖的脈沖寬度為953.2 ps，平均功率為43.2 mW，由于此時(shí)激光器的重復(fù)頻率為5.434 MHz，可得輸出脈沖的單脈沖最大能量為7.9 nJ。

圖4 鎖模光譜

圖5 基本重復(fù)頻率脈沖序列

圖6 自相關(guān)曲線

圖7 基頻鎖模脈沖頻譜圖

固定泵浦功率為800 mW，通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)PC，得到了波長(zhǎng)數(shù)分別為2，3，4，5的穩(wěn)定多波長(zhǎng)類噪聲脈沖，如圖8～11所示。邊模抑制比均在46 dB以上。波長(zhǎng)間隔為4.27 nm，對(duì)應(yīng)Sagnac環(huán)干涉儀的自由光譜范圍。通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)PC3改變兩干涉臂的光強(qiáng)比，可以改變Sagnac環(huán)干涉儀濾波峰值強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)平坦多波長(zhǎng)類噪聲脈沖。實(shí)驗(yàn)中得到的光譜平坦度分別為0.475，0.837，1.319，1.995。

圖8 雙波長(zhǎng)輸出激光光譜

圖9 3波長(zhǎng)輸出激光光譜

圖10 4波長(zhǎng)輸出激光光譜

圖11 5波長(zhǎng)輸出激光光譜

4 結(jié)論

提出了一種基于多波長(zhǎng)類噪聲脈沖的被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器。該激光器輸出的類噪聲脈沖的光譜3-dB帶寬可達(dá)17.2 nm，邊模抑制比為47.7 dB，重復(fù)頻率為5.434 MHz，單脈沖能量為7.9 nJ?？紤]在無(wú)Sagnac環(huán)的非線性放大環(huán)形腔中，通常要實(shí)現(xiàn)平坦多波長(zhǎng)的激光輸出，相對(duì)困難，對(duì)PC需要精確的調(diào)節(jié)，且對(duì)工藝要求較高，因此，本文在非線性放大環(huán)鏡中加入Sagnac環(huán)干涉儀。Sagnac環(huán)干涉儀的引用有效地優(yōu)化了非線性放大環(huán)鏡的濾波特性。該結(jié)構(gòu)僅通過(guò)加入Sagnac環(huán)作為濾波器，改變Sagnac中的PC就可實(shí)現(xiàn)平坦多波長(zhǎng)激光輸出，獲得了最大波長(zhǎng)數(shù)為5，平坦度為1.995的平坦多波長(zhǎng)類噪聲脈沖。