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基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器

王思佳

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引言

被动锁模光纤飞秒激光器具有成本低廉、结构紧凑、操作简单、光束质量好和稳定性强等突出优势，在高精度距离测量及定时同步、精密光学频率计量、高精高速材料加工、太赫兹产生、生物医学成像、组织处理以及纳米诊断等领域具有广泛的应用。

飞秒激光脉冲在被动锁模光纤激光器中的形成过程主要是增益、群速度色散和自相位调制三者的演变平衡过程。可饱和吸收体在其中起到启动和稳定锁模的作用，目前最常用的是非线性偏振旋转方式。在光纤激光器腔内呈负色散的情况下，群速度色散与自相位调制效应的平衡支持光孤子的产生，称为孤子锁模，是最早发展起来的光纤锁模技术。然而，这种孤子锁模光纤激光器一般情况下只能获得脉冲能量几十皮焦耳（pJ，10-12J）、脉冲宽度数百飞秒的激光脉冲，过高的能量会引入过大的非线性相位积累，破坏稳定的锁模运转。为提高光纤飞秒激光器的输出指标，获得更高的脉冲能量和更短的脉冲宽度，在腔内引入大小相同、符号相反的色散分布，使脉冲在腔内周期性地展宽和压缩的锁模机制称为呼吸孤子锁模或色散管理孤子锁模。利用这种方式可以有效地降低腔内脉冲峰值功率，将锁模光纤激光器的输出脉冲能量提高到纳焦耳（nJ，10-9J）量级。但是，呼吸孤子脉冲能量的进一步提高依然会引发脉冲分裂等不稳定现象。带有线性啁啾的抛物线形脉冲可以在正色散增益光纤中产生并自相似地放大而不发生分裂，从而支持更高能量的脉冲输出，当光纤激光器腔内呈较大的净正色散时，也可以在光纤激光器内实现脉冲自相似演化，称为自相似锁模。由于自相似脉冲具有抛物线脉冲形状和线性啁啾，可以承受更高的非线性扰动而不发生光波分裂，避免脉冲裂变，因此自相似锁模方式可以将呼吸孤子锁模光纤飞秒激光器输出脉冲能量提高2个数量级，同时由于自相似脉冲只带有线性啁啾，只需采用简单的腔外色散补偿就可以获得高质量的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。除此之外，自相似锁模光纤激光器的时间抖动小，噪声小，非常适合光学频率梳之类的精密科学研究。

锁模光纤激光器腔内的脉冲自相似演化最早是在一段正色散的长普通单模光纤中实现的，这种自相似锁模激光器采用的增益光纤很短，使得脉冲放大过程中几乎没有色散和非线性作用，避免破坏单模光纤中的脉冲自相似演化过程，腔内采用光栅对补偿脉冲在单模光纤中自相似演化累积的啁啾，实现激光器自洽。但是在这种腔型结构中光纤放大器的有限增益带宽最终会破坏脉冲的自相似演化，从而限制输出飞秒激光脉冲能量和脉冲宽度指标的进一步提高。现有的另一类自相似锁模光纤激光器其腔内的脉冲自相似演化过程是在正色散的长增益光纤中完成的，并通过在负色散光纤中的孤子脉冲演化或引入窄带频谱滤波环节来平衡非线性相位积累和稳定脉冲成形，实现激光器自洽。其中，第一种自相似-孤子锁模方式中，脉冲能量放大和光谱展宽最终受限于负色散光纤中的脉冲孤子裂变；而第二种耗散自相似锁模方式，通常采用衍射光栅结合光纤准直器形成高斯形窄带滤波器，实现强烈的光谱滤波以完成增益光纤中的脉冲自相似放大演化，这种腔型结构不仅引入了过多的空间分立元件，占用空间大、光路调节困难、丧失了光纤激光器最重要的紧凑性和易操作优势，而且这种直接采用附加频谱滤波装置窄化放大脉冲光谱的方式，损失了大部分的腔内脉冲能量，不利于高能量和窄脉宽的飞秒激光脉冲输出。
       本设计提出一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器。该激光器利用负啁啾脉冲在正色散增益光纤中放大过程中的自相位调制效应压缩光谱，形成窄带的无啁啾皮秒脉冲再注入到普通单模光纤中完成自相似演化，直接输出宽带的线性正啁啾抛物线脉冲，去啁啾后可获得高能量的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。不同于现有技术，本设计中腔内激光脉冲的非线性相位平衡过程并不依赖于附加分立元件的强制光谱滤波，而是利用增益光纤的自相位调制作用感应的正频率啁啾平衡初始负啁啾，在放大脉冲能量的同时实现光谱压缩，极大地降低了腔内脉冲能量损耗，提高了激光器的效率，有利于获得高能量的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲；由光谱压缩放大带来脉冲光谱能量密度的提升，极大地增加了脉冲在单模光纤中获得的光谱展宽，同时由于在增益光纤中脉冲光谱不断窄化，远小于放大器增益带宽，从而有效避免了增益整形的扰动，有利于实现超出增益带宽的自相似锁模运转，获得窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲；由于不需要采用空间分立元件实现窄带滤波，该激光器还具有结构紧凑，操作简单的特点。

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技术方案

2.1 工作原理与实验装置

       本发明飞秒激光器利用负啁啾脉冲在正色散增益光纤中放大过程中的自相位调制效应感应正频率啁啾以平衡初始负啁啾，使得负啁啾脉冲的长、短波部分脉冲能量重新分布，不断向中心波长附近集中，在放大负啁啾脉冲能量的同时实现光谱非线性压缩，形成窄带的高峰值功率的无啁啾皮秒脉冲再注入到单模光纤，利用单模光纤的自相位调制和正群速度色散完成自相似演化和光谱展宽，直接输出宽带的线性啁啾抛物线脉冲，去啁啾后可获得高能量、窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。
       本设计装置结构如图1所示，采用非线性偏振旋转环形激光腔结构。包括光纤耦合输出激光二极管1、波分复用耦合器2、掺镱单模光纤3、光纤频谱滤波器4、单模光纤5、第一光纤准直器6、第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、偏振分光棱镜9、第一45°反射镜10、第二二分之一波片11；第一光栅12、第二光栅13、爬高镜14、第二四分之一波片15、第二光纤准直器16、光纤隔离器17和第二45°反射镜18。

图1 基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器结构示意图

 光纤耦合输出激光二极管1作为飞秒激光器的泵浦光源，输出980 nm连续泵浦光经由波分复用耦合器2的泵浦端耦合入掺镱单模光纤3产生激光，波分复用耦合器2的输出端直接与掺镱单模光纤3熔接。掺镱单模光纤3作为所述飞秒激光器的增益介质放大负啁啾脉冲，利用掺镱单模光纤3的自相位调制作用感应正频率啁啾以平衡初始负啁啾，形成无啁啾的高峰值功率~10 kW皮秒脉冲，脉冲时域强度曲线和相位曲线分别如图2（a）中19和20所示，使得负啁啾脉冲的长、短波部分脉冲能量重新分布，不断向中心波长附近集中，在放大负啁啾脉冲能量的同时实现负啁啾脉冲光谱非线性压缩，形成窄带2nm~3nm的无啁啾皮秒脉冲，光谱强度曲线如图2（b）中21所示，在掺镱单模光纤后形成窄带的高峰值功率的无啁啾皮秒脉冲。

图2激光器掺镱单模光纤后形成的窄带无啁啾皮秒脉冲

 掺镱单模光纤3的输出端直接与光纤频谱滤波器4熔接，该滤波器的带宽为3nm~5nm，由此消除负啁啾脉冲在掺镱单模光纤3中进行非线性光谱压缩后残余的低功率光谱旁瓣。光纤频谱滤波器4后面熔接有单模光纤5，使得窄带高峰值功率无啁啾皮秒脉冲在单模光纤5的自相位调制和正群速度色散的共同作用下完成自相似演化和光谱展宽。单模光纤5后输出的脉冲时域强度曲线如图4中22所示，拟合的抛物线形脉冲强度曲线23与曲线22的一致性，说明脉冲在单模光纤5中完成了自相似演化形成抛物线脉冲。由于自相似演化初期脉冲的峰值功率高，在单模光纤5自相位调制作用下的光谱展宽量大，生成的抛物线脉冲具有宽带50nm~60nm光谱，如图3（b）中光谱强度曲线24所示。

 单模光纤5之后熔接有第一光纤准直器6，将宽带线性啁啾抛物线脉冲从单模光纤5中耦合输出至空间，依次经过第一四分之一波片7和第一二分之一波片8，将宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振态从椭圆偏振光调整为线性偏振光，而后通过偏振分光棱镜9分为两部分。第一四分之一波片7和第一二分之一波片8固定在可旋转调整架上，偏振分光棱镜9固定在水平棱镜架上。宽带线性啁啾抛物线脉冲的一部分通过偏振分光棱镜9反射端直接输出，通过旋转第一四分之一波片7和第一二分之一波片8可以调整该输出耦合比率，在激光腔外采用光栅对补偿直接输出的宽带抛物线脉冲的线性正啁啾，可以获得脉冲宽度<>

2.2 技术特色

本设计与现有技术相比具有以下优点：
(1)利用增益光纤的自相位调制作用感应正频率啁啾平衡初始负啁啾，在放大激光脉冲能量的同时进行光谱压缩，以此实现腔内脉冲的非线性相位平衡，稳定自相似脉冲成形，不同于传统自相似锁模激光器，本设计不依赖于附加分立元件的强制光谱滤波，极大地降低了腔内脉冲能量损耗，提高了激光器效率，可以直接从光纤锁模激光器输出高能量（>10nJ）的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲；
 (2)利用负啁啾脉冲在增益光纤中的光谱压缩放大过程可以大大提升腔内脉冲的光谱能量密度，由此极大地增加了普通单模光纤自相位调制作用下的脉冲光谱展宽；同时在增益光纤中脉冲光谱不断窄化，使得脉冲光谱宽度远小于放大器增益带宽，从而有效避免了增益整形对腔内脉冲演化的扰动，因此，与现有技术相比，本设计可以实现超出增益带宽的自相似锁模运转，获得窄脉宽（<>
 (3)    相比于现有自相似锁模激光器，本设计不需要附加空间分立元件进行窄带滤波来实现激光器自洽，结构紧凑，光路简单，操作方便，工作稳定。

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结束语

本设计从掺Yb3+光纤中的自相似脉冲放大动力学过程和噪声耦合物理机制出发，提出一种基于光谱压缩放大的新型自相似锁模光纤飞秒激光源。该激光器利用负啁啾脉冲在正色散增益光纤中放大过程中的自相位调制效应压缩光谱，形成窄带的无啁啾皮秒脉冲再注入到普通单模光纤中完成自相似演化，直接输出宽带的线性正啁啾抛物线脉冲，去啁啾后可获得高能量的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。本设计不仅继承了自相似锁模传统优势，而且可以突破光纤飞秒激光器发展的技术瓶颈，是具有高平均功率、窄脉冲宽度、低噪声输出的高性能飞秒激光源，结构紧凑，操作简单，在高精度大尺度距离测量及定时同步、精密光学计量、高精高速加工、太赫兹产生等领域有着广泛的应用前景。