紀(jì)?，?，王天樞，熊 浩，馬萬(wàn)卓，袁 泉，孫夢(mèng)茹，林 鵬

（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) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

引言

鎖模光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、散熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是獲得皮秒或飛秒量級(jí)超短脈沖的有效來(lái)源之一。當(dāng)超短脈沖入射到高非線(xiàn)性光纖中時(shí)，在色散和非線(xiàn)性效應(yīng)的共同作用下，脈沖頻譜內(nèi)產(chǎn)生新的頻率成分，使得出射光的光譜寬度遠(yuǎn)大于入射光譜，輸出的寬帶光譜稱(chēng)為超連續(xù)譜。超連續(xù)譜光源具有光譜范圍寬、方向性好、亮度高、空間相干性好等優(yōu)點(diǎn)，在光學(xué)頻率計(jì)量[1]、光學(xué)相干層析[2-3]、生物醫(yī)學(xué)顯微成像[4-5]、光通信[6]、光纖傳感[7]、光頻梳[8]等領(lǐng)域[9-11]具有非常重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。

超連續(xù)譜的研究最早開(kāi)始于上世紀(jì)六七十年代，Alfano和Shapiro利用倍頻鎖模銣玻璃皮秒激光泵浦BK7光學(xué)玻璃，首次獲得400 nm～700 nm的超連續(xù)譜[12]。2017年，王方等人利用飛秒脈沖泵浦氟碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖，得到了620 nm～2 700 nm范圍內(nèi)的超連續(xù)譜[13]。2018年，Chauhan等人利用飛秒脈沖泵浦高非線(xiàn)性硫化物光子晶體光纖，獲得了437 nm～2 850 nm的超連續(xù)譜[14]。2019年，王凱杰等人在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到束縛態(tài)耗散孤子脈沖，并利用該脈沖光泵浦光子晶體光纖，獲得了近紅外超連續(xù)譜[15]。2020年，鄒寶英等仿真模擬了飛秒量級(jí)的束縛態(tài)脈沖在高非線(xiàn)性單模光纖中的傳輸，并研究了不同子脈沖間隔對(duì)產(chǎn)生的超連續(xù)譜的影響[16]。綜上所述，目前對(duì)于光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究多集中于實(shí)現(xiàn)更寬的譜寬，其中很大比例的光譜成分沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，缺少針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的特定波段的研究。此外，束縛態(tài)脈沖泵浦高非線(xiàn)性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究報(bào)道較少。針對(duì)上述問(wèn)題，本文開(kāi)展了對(duì)位于第三近紅外窗口（1 600 nm～1 870 nm）內(nèi)的超連續(xù)譜的研究，一方面這一窗口內(nèi)富含脂質(zhì)分子、聚合物材料等吸收峰，在聚合物材料加工、生物組織成像、氣體分子檢測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[17]；另一方面，開(kāi)展束縛態(tài)脈沖泵浦高非線(xiàn)性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的研究對(duì)于超連續(xù)譜的優(yōu)化和應(yīng)用具有參考價(jià)值。

本文搭建了基于非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器，通過(guò)微調(diào)腔內(nèi)的偏振控制器，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖與束縛態(tài)鎖模脈沖的切換。通過(guò)放大束縛態(tài)脈沖泵浦高非線(xiàn)性光纖，優(yōu)化光纖長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了在第三近紅外窗口內(nèi)的平坦超連續(xù)譜輸出。在第三近紅外窗口內(nèi)的光譜成分平坦度小于1.62 dB，對(duì)于這一窗口內(nèi)的超連續(xù)譜光源的實(shí)際應(yīng)用具有極高的價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與工作原理

實(shí)驗(yàn)所采用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。我們采用980 nm分布式反饋激光器通過(guò)一個(gè)980 nm/1 550 nm波分復(fù)用器背向泵浦一段0.5 m長(zhǎng)的高摻雜摻鉺光纖（Er80-8/125，nLIGHT）。摻鉺光纖吸收980 nm的泵浦光，由4I15/2→4I11/2能級(jí)躍遷產(chǎn)生自發(fā)輻射以及受激輻射產(chǎn)生1.5 μm波段光被不斷增益放大。腔內(nèi)的兩個(gè)偏振控制器和一個(gè)偏振相關(guān)的隔離器共同構(gòu)成類(lèi)可飽和吸收體結(jié)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)激光的模式鎖定。腔內(nèi)10%的光經(jīng)過(guò)光纖耦合器1輸出到腔外，剩下的90%的光反饋回腔內(nèi)。輸出到腔外的激光經(jīng)過(guò)耦合器2的20%端口輸入光譜分析儀用于顯示并記錄光譜，經(jīng)過(guò)80%端口被連接到腔外的摻鉺光纖放大器。腔外的摻鉺光纖放大器由980 nm半導(dǎo)體激光器、980 nm/1 550 nm波分復(fù)用器和2 m長(zhǎng)的摻鉺光纖組成，采用背向泵浦的放大結(jié)構(gòu)。放大后的脈沖光泵浦一段57 m長(zhǎng)的高非線(xiàn)性光纖，實(shí)驗(yàn)中采用的高非線(xiàn)性光纖的數(shù)值孔徑為0.35，傳輸損耗小于1.5 dB/km，非線(xiàn)性系數(shù)為10 W?1km?1。整個(gè)結(jié)構(gòu)腔內(nèi)直接輸出和經(jīng)過(guò)高非線(xiàn)性光纖后輸出的光譜均由光譜分析儀（optical spectrum analyzer，YOKOGAWA AQ6375）觀測(cè)并采集，光譜儀最小分辨率為0.01 nm。脈沖序列通過(guò)10 GHz高速光電探測(cè)器（photodetector）采集，由高速示波器（oscilloscope，Agilent DSO9254A）觀測(cè)并存儲(chǔ)。脈沖信號(hào)的頻譜通過(guò)頻譜分析儀（FSA，Agilent N1996A）觀測(cè)，自相關(guān)曲線(xiàn)通過(guò)自相關(guān)儀（Auto-correlator，F(xiàn)R-103XL）采集。

圖1 近紅外超連續(xù)譜光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental structure of fiber laser with near-infrared super-continuum spectrum

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器和980 nm半導(dǎo)體激光器的輸出功率來(lái)改變環(huán)形腔輸出的激光的狀態(tài)。當(dāng)泵浦功率達(dá)到234 mW時(shí)，達(dá)到激光器鎖模閾值，觀測(cè)到1 560 nm脈沖激光輸出，光譜如圖2（a）所示。光譜兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的分布著的Kelly邊帶表明激光器處于傳統(tǒng)孤子鎖模狀態(tài)，其中心波長(zhǎng)為1 562.9 nm，光譜3 dB帶寬為7.39 nm。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2（b）所示，可以看到在800 ns范圍內(nèi)所有的脈沖均勻分布，每個(gè)脈沖幅度基本一致，相鄰脈沖間隔為29.85 ns，對(duì)應(yīng)于脈沖的重復(fù)頻率為33.5 MHz。整個(gè)光纖環(huán)形腔的長(zhǎng)度約為6 m，可以理論計(jì)算出重復(fù)頻率值為33.3 MHz，非常接近實(shí)際測(cè)量值。通過(guò)圖2（c）中自相關(guān)曲線(xiàn)可以看出輸出脈沖的脈沖寬度為822 fs，為典型的傳統(tǒng)孤子自相關(guān)跡。圖2（d）所示為所測(cè)得脈沖的頻譜，55.8 dB的信噪比表明鎖模脈沖的運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，當(dāng)泵浦功率增加到439 mW時(shí)，輸出功率為2.8 mW，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為83.6 pJ。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results

保持泵浦功率為439 mW，在微調(diào)偏振控制器的過(guò)程中，非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)制中類(lèi)可飽和吸收體的損耗發(fā)生變化，導(dǎo)致泵浦功率超過(guò)了脈沖分裂的閾值，原脈沖將分裂為多個(gè)間隔很近的新脈沖即實(shí)現(xiàn)了孤子分子脈沖輸出。光譜如圖3（a）所示，呈現(xiàn)出Kelly邊帶與束縛態(tài)孤子共存的狀態(tài)，在兩個(gè)邊帶之間存在4個(gè)干涉條紋。這與先前論文中束縛態(tài)脈沖的形成與Kelly邊帶相關(guān)的色散波這一說(shuō)法相契合，從第一脈沖發(fā)射的色散波與第二脈沖產(chǎn)生非線(xiàn)性結(jié)合相互作用，即孤子-連續(xù)體相互作用（soliton-continuum interaction）[18]。在圖3（b）自相關(guān)曲線(xiàn)中，脈沖間隔為493 fs，在雙曲正割擬合下的中心峰值的半高全寬為312 fs。脈沖的頻譜如圖3（c）所示，信噪比為53.86 dB，顯示了脈沖很好的穩(wěn)定性。示波器測(cè)得的脈沖序列如圖3（d）所示。通過(guò)微調(diào)偏振控制器，可以在耦合器2的20%輸出端口分別探測(cè)到傳統(tǒng)孤子和孤子分子兩種脈沖輸出，可以很好地實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)的切換。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results

通過(guò)摻鉺光纖放大器放大后的泵浦功率和輸出功率的關(guān)系如圖4（a）所示。當(dāng)泵浦功率達(dá)到239 mW時(shí)，2.8 mW 的信號(hào)光被放大到89 mW。放大前后的光譜在圖4（b）中，摻鉺光纖放大器中的摻鉺光纖在c波段具有更高的增益，可以明顯看出c波段的放大效果優(yōu)于l波段。放大后的脈沖經(jīng)大功率光纖隔離器注入57 m的高非線(xiàn)性光纖。在高非線(xiàn)性光纖中，受到受激拉曼散射、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻等非線(xiàn)性效應(yīng)的共同作用，泵浦光的光譜得到展寬。圖4（c）表示不同泵浦功率輸出的超連續(xù)譜，可以明顯看出，隨著泵浦功率的增大，超連續(xù)譜逐漸展寬。在89 mW的泵浦功率下的光譜如圖4（d）所示，在1 560 nm附近還殘留有泵浦光，在第三近紅外窗口內(nèi)的超連續(xù)譜具有小于1.62 dB的平坦度。整個(gè)超連續(xù)譜的20 dB譜寬高達(dá)355.8 nm，且完全覆蓋住1 600 nm～1 870 nm的第三近紅外窗口。由于在這一窗口范圍內(nèi)存在大量的分子吸收峰，并且恰好位于水分子的吸收峰之間的波谷，較小的水吸收系數(shù)和大量的分子吸收譜線(xiàn)使得這一波段的寬譜光源在包括深層生物成像、光譜分析和材料處理等應(yīng)用領(lǐng)域具有潛在的價(jià)值。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results

3 結(jié)論

本文報(bào)道了一種基于非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的光纖激光器，通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的偏振控制器控制腔內(nèi)運(yùn)行激光的偏振狀態(tài)，可以分別輸出穩(wěn)定的傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖和束縛態(tài)鎖模脈沖。通過(guò)放大后的束縛態(tài)脈沖泵浦高非線(xiàn)性光纖，實(shí)現(xiàn)了位于第三近紅外窗口、355.8nm（20dB）帶寬的平坦超連續(xù)譜。激光器整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，腔內(nèi)輸出脈沖穩(wěn)定性好。實(shí)驗(yàn)所得的超連續(xù)譜完全覆蓋第三近紅外窗口且平坦度小于1.62 dB，對(duì)于在該窗口處的光譜分析、材料處理、生物醫(yī)用成像等應(yīng)用具有極高的價(jià)值。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于鎖模脈沖狀態(tài)切換的研究存在不足，沒(méi)有完成對(duì)于腔內(nèi)孤子變化的動(dòng)力學(xué)分析，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究將被繼續(xù)進(jìn)行下去。