曹 順，郝 強(qiáng)，曾和平

（1．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；2．華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

引 言

處于人眼安全波段以及通訊窗口的1.5 μm波段超短脈沖激光器在太赫茲產(chǎn)生、光通信、生物光子學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-4]。超短脈沖光纖激光器大多依賴(lài)于被動(dòng)鎖模技術(shù)來(lái)搭建[5]，諸如非線(xiàn)性放大環(huán)形鏡（nonlinear amplification loop mirror, NALM）鎖模[6]、半導(dǎo)體可保和吸收鏡（semiconductor saturable absorber mirror, SESAM）鎖模[7]和非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)（nonlinear polarization rotation, NPR）鎖模[8]。NALM具有可靠性高、背景噪聲低優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)非線(xiàn)性相位累積需求較高，致使鎖模閾值較高[9]。2018年，高婉麗等利用NALM鎖模獲得重復(fù)頻率257 MHz、脈沖寬度44.6 fs、輸出功率104 mW的超短脈沖[10]。NPR具有裝置簡(jiǎn)單、易于搭建、鎖模自啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但NPR采用非保偏結(jié)構(gòu)，工作狀態(tài)易受外界環(huán)境影響[11]。盡管已有基于保偏光纖NPR鎖模的報(bào)道，但溫度對(duì)光纖折射率的影響這一因素并未解決，仍然會(huì)影響鎖模[12-13]。2019年，馬挺等利用NPR鎖模獲得重復(fù)頻率100 MHz、脈沖寬度39 fs、輸出功率94.5 mW的超短脈沖[14]。SESAM鎖模技術(shù)具有閾值低、自啟動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[15]，在實(shí)際應(yīng)用中備受關(guān)注。2017年，陳炯等通過(guò)腔內(nèi)色散補(bǔ)償方法，采用透射式SESAM實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率82.84 MHz、輸出功率10 mW、脈沖寬度381 fs的脈沖[16]。2016年，Yu等利用飽和吸收體鎖模經(jīng)過(guò)雙級(jí)放大以及后續(xù)壓縮結(jié)構(gòu)得到了重復(fù)頻率200 MHz、輸出功率320 mW、脈沖寬度34 fs的超短脈沖[17-18]。

太赫茲（THz）作為21世紀(jì)最重要的新興學(xué)科之一，在人體安檢、無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用[19]。在THz時(shí)域光譜技術(shù)研究和應(yīng)用上，超短脈沖激光激發(fā)光電導(dǎo)天線(xiàn)是較為常用的方案。光電導(dǎo)天線(xiàn)的激發(fā)功率通常為平均功率30 mW、脈沖寬度小于100 fs。因此，需要小型化、集成化、滿(mǎn)足THz時(shí)域光譜測(cè)試技術(shù)的摻鉺光纖激光器。本文搭建了基于全保偏光纖的摻鉺光纖鎖模振蕩器，并通過(guò)一級(jí)單模光纖放大器，獲得了重復(fù)頻率100 MHz、輸出功率30 mW、脈沖寬度80 fs的超短脈沖。放大器部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果相符。此外，將1 550 nm飛秒脈沖在PPLN晶體中進(jìn)行光學(xué)倍頻，進(jìn)一步獲得了輸出功率5 mW、中心波長(zhǎng)780 nm的飛秒脈沖。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中SESAM為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡；WDM為波分復(fù)用器；CP/ISO為耦合器和隔離器的復(fù)合器件，Coupler 1的分光比為20∶80，Coupler 2的分光比為5∶95；ESF為負(fù)色散摻鉺單模光纖；LD1、LD2、LD3為激光二極管，中心波長(zhǎng)為974 nm，最大輸出功率為400 mW；ISO為隔離器；Tap為監(jiān)測(cè)激光器鎖模端口；WDM/CP3為波分復(fù)用器和耦合器的復(fù)合器件，Coupler 3的分光比為50∶50；EDF為正色散摻鉺單模光纖；PM1550為保偏單模1 550 nm光纖；Output為激光器輸出端口；L1為鍍1 550 nm增透膜的聚焦透鏡，焦距為5 mm；PPLN為周期極化鈮酸鋰晶體，極化周期20.9 μm，厚度0.3 mm；L2為鍍780 nm增透膜的準(zhǔn)直透鏡，焦距為5 mm。

圖1 光路實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Schematic of the optical experimental setup

該全保偏SESAM被動(dòng)鎖模光纖振蕩器的工作原理為：當(dāng)脈沖經(jīng)過(guò)SESAM時(shí)，脈沖中心部分能量高，SESAM處于“漂白”狀態(tài)，透過(guò)率高，脈沖中心部分被反射回腔內(nèi)；相反，脈沖邊沿部分能量低，被SESAM吸收，實(shí)現(xiàn)脈沖窄化。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次循環(huán)后，最終形成穩(wěn)定鎖模脈沖。由976/1 560 nm WDM將974 nm的抽運(yùn)光耦合進(jìn)諧振腔的增益光纖ESF上，該ESF光纖的色散為-20.5 fs2/mm，纖芯直徑為7 μm、數(shù)值孔徑為0.15。通過(guò)分光比為20∶80的Coupler，將20%的能量作為種子脈沖輸出，種子脈沖經(jīng)過(guò)ISO后，進(jìn)入摻鉺單模光纖放大器（EDFA）。放大器采用雙向泵浦放大技術(shù)，選用EDF作為放大器的增益介質(zhì)，該EDF的色散為33 fs2/mm，纖芯直徑為5 μm、數(shù)值孔徑為0.27。之后，通過(guò)分光比為50∶50的Coupler將其分成兩路，分別經(jīng)過(guò)色散值為-22 fs2/mm的單模光纖（SMF）進(jìn)行色散補(bǔ)償。其中，一路為Output1，輸出1 560 nm超短脈沖；另外一路為Output2，通過(guò)PPLN晶體倍頻輸出780 nm波長(zhǎng)的超短脈沖。

2 結(jié)果與討論

2.1 振蕩器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建重復(fù)頻率為100 MHz的鎖模光纖振蕩器，根據(jù)腔長(zhǎng)計(jì)算公式f=c/nL，其中c為光速，n為光纖折射率，L為振蕩器腔長(zhǎng)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)總腔長(zhǎng)為2.05 m。增益光纖的長(zhǎng)度對(duì)激光器的狀態(tài)和參數(shù)有較大的影響。當(dāng)增益光纖過(guò)短時(shí)，造成振蕩器的增益不足，不容易達(dá)到振蕩器的鎖模閾值；當(dāng)增益光纖過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生增益介質(zhì)的自吸收，同樣難以實(shí)現(xiàn)鎖模。實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ESF長(zhǎng)度為70 cm時(shí)，振蕩器較容易實(shí)現(xiàn)鎖模?？紤]到ESF和SMF的色散值分別為-20.5 fs2/mm和-22.0 fs2/mm，可得出腔內(nèi)凈色散為-0.044 ps2。泵浦功率小于鎖模閾值時(shí)，增益小于腔內(nèi)損耗，腔內(nèi)形成不穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖；當(dāng)泵浦功率達(dá)到100 mW鎖模閾值時(shí)，振蕩器可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模，輸出功率為4 mW。圖2（a）是通過(guò)示波器顯示的鎖模脈沖序列圖，可以看出振蕩器重復(fù)頻率約為100 MHz。當(dāng)泵浦功率大于鎖模閾值時(shí)，增加泵浦功率將導(dǎo)致基頻脈沖分裂，形成多脈沖鎖模。新產(chǎn)生的脈沖在孤子引力作用下向中心移動(dòng)，當(dāng)腔內(nèi)孤子脈沖等間隔分布時(shí)，相互作用力停止，此時(shí)出現(xiàn)高次諧波鎖模現(xiàn)象[20]。圖2（b）是由自相關(guān)儀測(cè)得振蕩器輸出脈沖的自相關(guān)曲線(xiàn)。當(dāng)采用雙曲正割擬合時(shí)，脈沖寬度τ為1.27 ps。圖2（c）是用光譜儀測(cè)得的輸出光譜，中心波長(zhǎng)為1 563 nm，半高全寬為11 nm。由于振蕩器為全負(fù)色散振蕩器，光譜兩邊出現(xiàn)了較為明顯的一階克利邊帶，是典型的孤子鎖模脈沖。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，種子脈沖的時(shí)間帶寬積為1.72，約為變換極限的5.5倍。

圖2 鎖模振蕩器輸出的脈沖序列、脈沖寬度和光譜Fig. 2 Pulse characters of mode-locked oscillator, pulse duration and spectrum

2.2 放大器數(shù)值模擬

超短脈沖在光纖中傳輸演化過(guò)程遵循非線(xiàn)性薛定諤方程[21]。

式中：A為脈沖包絡(luò)變化振幅；α為光纖的增益或損耗系數(shù)；γ為非線(xiàn)性系數(shù)；β2為二階群速度色散（GVD）；ω0為入射超短脈沖的中心頻率。為了實(shí)現(xiàn)輸出功率30 mW、脈沖寬度80 fs的參數(shù)指標(biāo)，我們對(duì)脈沖在光纖中的傳輸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬超短脈沖在光纖中的傳輸過(guò)程時(shí)，需要設(shè)定傳輸光纖的主要參數(shù)，包括光纖的增益系數(shù)、非線(xiàn)性系數(shù)、光纖長(zhǎng)度、二階色散值，以及入射超短脈沖的主要參數(shù)，包括脈沖寬度、單脈沖能量。本文主要模擬了脈沖放大和壓縮兩個(gè)過(guò)程，這兩個(gè)過(guò)程分別在兩段光纖中進(jìn)行。第一個(gè)為脈沖在增益光纖中放大過(guò)程，光纖參數(shù)：α=4 dB/m、γ=4 W-1·km-1、光纖長(zhǎng)度為2.9 m的正色散摻鉺增益光纖，β2=33 fs2/mm。輸入脈沖的脈沖寬度為1.27 ps、單脈沖能量為0.04 nJ。通過(guò)調(diào)節(jié)初始脈沖的群色散延遲，圖3（a）是脈沖經(jīng)增益光纖放大后的脈沖寬度，脈沖寬度為3.52 ps。圖3（d）是相應(yīng)的輸出光譜，光譜的半高全寬為14.1 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時(shí)間帶寬積為6.11，約為變換極限的19.4倍，說(shuō)明放大后的脈沖是可以被壓縮的。第二個(gè)為放大后的脈沖在單模光纖中的壓縮過(guò)程，光纖參數(shù)：α=-0.2 dB/km、γ=2 W-1km-1、長(zhǎng)度為2.82 m的負(fù)色散單模光纖，β2=-22 fs2/mm。輸入脈沖的脈沖寬度為3.52 ps、單脈沖能量為0.6 nJ。圖3（b）是脈沖經(jīng)單模光纖壓縮后的輸出脈寬，脈沖寬度為83 fs。圖3（e）是相應(yīng)的輸出光譜，光譜的3 dB帶寬為42.7 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時(shí)間帶寬積為0.437，約為變換極限的1.39倍。我們采用控制變量方法深入研究脈沖寬度隨單脈沖能量和光纖長(zhǎng)度的變化關(guān)系，如圖3（c）所示，保持壓縮光纖長(zhǎng)度不變，改變?nèi)肷涿}沖的單脈沖能量。當(dāng)光纖長(zhǎng)度不變時(shí)，壓縮系統(tǒng)中GVD總量不變，初始輸出脈沖經(jīng)增益放大后帶有正啁啾，隨著入射脈沖能量的增加，非線(xiàn)性效應(yīng)增強(qiáng)，自相位調(diào)制（SPM）積累的頻率正啁啾逐漸增強(qiáng)，當(dāng)其與系統(tǒng)的負(fù)GVD相抵消時(shí)，獲得最窄輸出脈沖。繼續(xù)增加入射脈沖的單脈沖能量，此時(shí)SPM積累的頻率正啁啾超過(guò)了壓縮系統(tǒng)的負(fù)GVD，導(dǎo)致輸出脈沖被展寬。僅改變單模光纖長(zhǎng)度時(shí)，如圖3（f）所示，脈沖在SPM和GVD的共同作用下，呈現(xiàn)出先壓縮后展寬的狀態(tài)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦功率改變?nèi)肷涿}沖的單脈沖能量，進(jìn)而改變光纖非線(xiàn)性強(qiáng)度；通過(guò)調(diào)節(jié)單模光纖長(zhǎng)度，改變GVD，當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，可以獲得最窄輸出脈沖。

2.3 放大器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果，我們搭建了雙向泵浦的光纖放大器，如圖1所示。放大器選用2.9 m EDF作為增益光纖，通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦功率的大小和改變SMF的長(zhǎng)度，當(dāng)前向和后向泵浦功率各為130 mW、SMF長(zhǎng)度為2.82 m時(shí)，放大器輸出功率為32 mW，如圖4（c）所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了14 h的功率穩(wěn)定性測(cè)試：1min內(nèi)功率抖動(dòng)為0.6%；10min內(nèi)功率抖動(dòng)為0.9%；14 h內(nèi)功率抖動(dòng)為1%。圖4（a）是用自相關(guān)儀測(cè)到相應(yīng)輸出脈沖的自相關(guān)曲線(xiàn)，當(dāng)采用雙曲正割擬合時(shí)，脈沖寬度為85 fs。從脈沖自相關(guān)曲線(xiàn)中計(jì)算出，擬合后脈沖主峰能量占實(shí)際脈沖主峰能量的85.35%。圖4（b）是用光譜儀測(cè)得的相應(yīng)輸出光譜，光譜的3 dB帶寬為38.3 nm、中心波長(zhǎng)為1 560 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時(shí)間帶寬積為0.401，約為變換極限的1.27倍，已經(jīng)接近變換極限。數(shù)值模擬超短脈沖傳輸時(shí)，忽略了三階色散效應(yīng)對(duì)脈沖傳輸?shù)挠绊憽Ｔ趯?shí)際操作過(guò)程中，由于選用光纖的非線(xiàn)性系數(shù)和模擬參數(shù)不同，加上光纖熔接損耗等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬存在差異但大致吻合。

圖3 放大器數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 3 amplifier numerical simulation results

將1 560 nm超短脈沖激光在PPLN晶體中進(jìn)行光學(xué)倍頻，通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦到PPLN晶體上的位置和PPLN晶體的倍頻通道，獲得最大倍頻功率為5 mW。圖5（a）是采用自相關(guān)儀測(cè)得的倍頻輸出脈沖的自相關(guān)曲線(xiàn)。當(dāng)采用雙曲正割擬合時(shí)，脈沖寬度為100 fs。圖5（b）是用光譜儀測(cè)到相應(yīng)的輸出光譜，可以看出中心波長(zhǎng)為780 nm。

圖4 放大器輸出的脈沖寬度、光譜和功率穩(wěn)定性Fig. 4 Amplifier output pulse width, spectral and power stability

3 結(jié) 論

綜上，本文搭建了一種可應(yīng)用于太赫茲產(chǎn)生的摻鉺光纖激光器，輸出波長(zhǎng)1 560 nm、重復(fù)頻率100 MHz、平均功率30 mW、脈沖寬度85 fs。通過(guò)PPLN倍頻晶體對(duì)1 560 nm激光進(jìn)行光學(xué)倍頻，獲得最大輸出功率5 mW、脈沖寬度100 fs、中心波長(zhǎng)780 nm的飛秒脈沖輸出。

圖5 780 nm 輸出脈沖寬度圖和光譜Fig. 5 780 nm output pulse width and spectral