1 引言

光纤激光器具有转换效率高、结构紧凑、光束质量好、热管理方便等特点,在相干合成、激光雷达、激光测距及通信等领域具有广泛的应用前景^[1-3]。而超短脉冲窄线宽光纤激光器能够同时获得ps~fs级的超短脉冲宽度和窄的光谱线宽,越发受到人们的关注^[4-6]。目前所报道的获得超短脉冲窄线宽激光的方式主要是被动锁模技术,包括非线性偏振旋转(NPR)锁模和可饱和吸收体锁模。NPR锁模主要是通过调节光路内偏振控制器实现不同的非线性相移来实现锁模,因而环境稳定性较差。可饱和吸收体锁模是利用可饱和吸收材料的非线性吸收特性作用于腔内的辐射,产生周期性的调制实现锁模。目前已报道的所报道的实现被动锁模的方法主要有非线性偏振旋转(NPR)锁模^[7]和基于锁模材料进行非线性吸收两种方式。NPR锁模主要是通过调节光路内偏振控制器实现不同的非线性相移,因而环境稳定性较差。目前已报道的可应用于被动锁模的可饱和吸收体主要有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(CNT)、石墨烯、拓扑绝缘体(TI)以及过渡金属硫化物(WS₂)等^[8-16]。

2012年,徐佳等^[17]利用窄带光纤布拉格光栅(FBG)和氧化石墨烯可饱和吸收镜构成线型谐振腔,实现了稳定的重复频率为5.82 MHz,脉冲宽度为87 ps,3 dB光谱线宽为0.06 nm的锁模脉冲激光输出。2015年,任军等^[18]分别以氧化石墨烯与半导体可饱和吸收镜作为可饱和吸收体,在同一掺铒光纤激光器中均实现了全光纤结构、稳定的锁模飞秒脉冲输出。2016年,邹峰等^[19]报道了基于主振荡功率放大(MOPA)结构的GHz级窄线宽、高峰值功率纳秒光纤激光器,获得了中心波长为1064.12 nm,脉冲宽度为3.92 ns,光谱线宽为1.5 GHz,峰值功率为15 kW的脉冲激光输出。2017年,Liu等^[15]利用WS₂作为可饱和吸收体,搭建了环形腔被动锁模光纤激光器,获得了脉冲宽度为67 fs,光谱线宽为114 nm的超短脉冲输出。

目前,大多数超短脉冲光纤激光器中使用的FBG都是宽谱光栅,输出脉冲的光谱线宽通常在几纳米到几十纳米之间,无法实现窄线宽脉冲输出。基于此,本文针对不同可饱和吸收体对输出脉冲的影响进行了分析计算,对锁模材料参数和谐振腔进行了优化。选用窄线宽FBG,压窄输出脉冲的光谱线宽,并对此结构进行了建模计算与实验分析。最终,在抽运功率为180 mW时,获得了输出功率为1.21 mW的稳定脉冲输出,其脉冲宽度为171 ps,中心波长为1549.4 nm,3 dB光谱线宽为0.02 nm。

2 建模与计算

可饱和吸收体的调制深度(MD)和饱和能量对于被动锁模光纤激光器输出光脉冲宽度和线宽有重要影响。锁模光纤激光器的光脉冲传输方程为

∂A∂z+i2(β2+igcT22)∂2A∂T2=iγ+i2α2A2A+12(gc-α)A,(1)

式中A为脉冲的慢变包络, A2代表光功率,α包含光纤的损耗特性,α₂代表双光子吸收效应的损耗,β₂为群速度色散参量,γ为非线性参量,g_c为增益系数。脉冲宽度与可饱和吸收体的关系为

τp=1.07ΔΩggΔR,(2)

式中g表示腔内单程饱和振幅增益系数,ΔΩ_g表示增益介质的光谱半宽度,ΔR表示可饱和吸收体调制深度。可以看出,随着ΔR的增加,脉冲宽度τ_p呈减小趋势。

2.1 不同参数的可饱和吸收体对输出脉冲的影响

一般情况下,不同材料可饱和吸收体的吸收特性不同,相同材料不同制备方式也会导致可饱和吸收体的吸收特性产生差异。相比较而言,石墨烯及氧化石墨烯(GO)材料的可饱和吸收体调制深度较低,而不同层数的石墨烯及氧化石墨烯也会使得其饱和吸收特性不同。而最近新发现的拓扑绝缘体和过度金属硫化物等新可饱和吸收体材料由于其带隙及结构特性,拥有较高的调制深度。表1为几种不同结构的可饱和吸收体调制深度的参考值^[10-15]。

在单模抽运功率为100 mW、饱和能量为0.05 nJ,其他参数不变的情况下,计算结果如图1(a)所示。结果表明,在调制深度为1.4%~35.1%时,可饱和吸收体的调制深度越大,激光器的输出脉冲宽度τ_p就会越窄,受到时间带宽积的限制,相应的光谱线宽也越宽,该计算结果与(2)式相符。当可饱和吸收体的调制深度过小时,脉冲宽度变化缓慢,可饱和吸收体达到饱和的时间也比较长,不利于激光器实现锁模。当可饱和吸收体的调制深度较大时,激光器锁模自启动的阈值相应降低,激光器更容易实现锁模。

图1(b)为输出脉冲的宽度和光谱线宽随饱和能量的变化关系。当可饱和吸收体的饱和能量小于0.05 nJ时,随着饱和能量的增加,脉冲能量大于可饱和吸收体的饱和能量,可饱和吸收体达到了充分饱和,脉冲宽度变窄,光谱线宽变宽。当可饱和吸收体的饱和能量大于0.05 nJ且抽运功率和脉冲能量不变时,随着饱和能量的增加,可饱和吸收体未达到充分吸收,锁模阈值随着饱和能量的增加而提高,可饱和吸收体的饱和吸收损耗增加,使得脉冲宽度变宽,相应的光谱线宽变窄。而一般来说,通过可饱和吸收体的脉冲能量通常是饱和能量的几倍,脉冲能量如果更大的话,则容易产生多脉冲,原因是如果脉冲能量远远超过饱和能量,则可饱和吸收体达到了充分饱和,其透射率就不再是脉冲能量的强依赖函数。因此,在可饱和吸收体的饱和能量较低时,更容易获得稳定的脉冲。

图 1. 输出光脉冲宽度和光谱线宽与饱和吸收体的(a)调制深度和(b)饱和能量的关系

Fig. 1. Output pulse duration and linewidth versus (a) modulation depth and (b) saturable energy

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图2(a)、(b)为分别应用表1中几种可饱和吸收体时获得的输出脉冲的脉冲宽度和光谱线宽随抽运功率的变化曲线。随着抽运功率增加,输出光脉冲宽度变窄,光谱线宽变宽。调制深度较低的氧化石墨烯在抽运功率为30 mW时达到最大输出功率,进一步增加抽运功率将会导致单脉冲能量过大,产生脉冲分裂现象,无法获得稳定的锁模输出。而调制深度越高的材料,能够承受的抽运功率越高,调制深度最高的WS₂在抽运功率大于700 mW时,才会产生脉冲分裂现象。由于调制深度为19%的Bi₂Te₃材料能够承受的最大抽运功率为220 mW,所以图2只给出抽运功率在0~300 mW之间的脉冲输出结果。由图2(a)可知,在相同的抽运功率条件下,与其他几种材料相比,使用WS₂材料作为可饱和吸收体所获得的输出光脉冲宽度最小、可承受的抽运功率最大。与此同时,由图2(b)可知,当抽运功率为120~220 mW时, WS₂作为可饱和吸收体获得的光脉冲线宽比其他锁模材料更窄,表明其具有压缩线宽的作用。

图 2. 输出光脉冲随抽运功率变化。(a)脉冲宽度;(b)光谱线宽

Fig. 2. Output pulse versus pump power. (a) Pulse duration; (b) linewidth

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图 3. 输出光脉冲宽度和光谱线宽与(a) FBG带宽和(b)腔长的关系

Fig. 3. Output pulse duration and linewidth versus (a) FBG bandwidth and (b) cavity length

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2.2 FBG带宽和腔长对输出脉冲的影响

FBG带宽和激光谐振腔长度L也是影响脉冲宽度和光谱线宽的重要因素。FBG带宽与输出脉冲的关系如图3(a)所示,随着FBG带宽的增加,输出光的光谱线宽逐渐增加,单脉冲能量也随之变大,由于时间带宽积的限制,其脉冲宽度随之减小,导致脉冲峰值功率上升,使得自相位调制效应增大,非线性相移得到累积导致脉冲分裂。当FBG带宽小于0.02 nm时,谐振腔内纵模数量大大减少,抑制了非线性相移,脉冲宽度会迅速增加,达到纳秒量级。另外,针对不同腔长对光谱线宽和脉冲宽度的影响进行了计算,其结果如图3(b)所示,腔长增加会使腔内产生多纵模振荡,使输出光的光谱线宽增加,降低输出光的脉冲宽度,但是腔长过长引起的自相位调制效应会使非线性相移累积过大,锁模不稳定导致脉冲分裂。所以,综合考虑脉冲宽度与光谱线宽,实验拟选择FBG带宽为0.04 nm,激光器腔长为10 m。

3 实验与分析

图 4. 基于WS2锁模的窄线宽超短脉冲环形腔光纤激光器结构示意图

Fig. 4. Schematic of narrow-linewidth ultrashort-pulse ring fiber laser on WS2

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图4为环形腔超短脉冲窄线宽光纤激光器结构图,抽运源为波长976 nm的半导体激光器,通过波分复用器(WDM)将抽运光耦合至长度为1 m的掺Er³⁺增益光纤中,增益光纤为Nufern公司的EDFC-980-HP,纤芯直径为3.2 μm,模场直径为5.8 μm,在抽运波长处的吸收系数约为6.5 dB/m。增益光纤的另一端与光隔离器(偏振无关)相连接,光隔离器一方面可以有效抑制环形腔的反向传输激光,提高光路系统的隔离度,增加系统的单频输出稳定性。另一方面,可有效隔离包层中的残余抽运光,隔离器另一端连接一个偏振控制器,通过调节腔内激光的偏振态,实现稳定的光脉冲输出。激射光通过偏振控制器后通过光环行器进入可饱和吸收体进行锁模。根据模拟仿真得到的结果,实验选择WS₂材料作为可饱和吸收体,通过光纤熔接机对单模光纤进行拉锥,其光纤锥腰处的直径为12 μm,熔融区域的有效长度为3 mm。然后采用脉冲激光沉积的方法将WS₂材料沉积到锥形光纤的熔融区域上,再用热缩管将沉积有WS₂饱和吸收体的拉锥区进行覆盖,以防止材料被氧化或破坏。之后由窄带FBG进行线宽压缩并将光脉冲反射回腔内。根据之前的模拟结果,FBG参数为中心波长为1550 nm,反射率为99%,线宽为0.04 nm。之后通过输出耦合比为10∶90的耦合器。一部分光通过耦合器继续在腔内振荡,另一部分光通过耦合器输出,获得窄线宽脉冲激光输出。

图 5. 输出光脉冲宽度和光谱线宽随抽运功率的变化

Fig. 5. Output pulse duration and linewidth versus pump power

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图5所示为根据测试数据拟合的输出光脉冲宽度和光谱线宽随抽运功率的变化曲线。随着抽运功率的增加,脉冲宽度变窄、光谱线宽增宽。当抽运功率超过550 mW时,单脉冲能量过大,导致脉冲分裂。根据实验,在抽运功率为180 mW时,其脉冲啁啾量最小,有利于获得超短光脉冲,同时实现窄线宽输出,且输出脉冲最为稳定,实验得到的光脉冲输出如图6所示。输出光的脉冲宽度为171 ps,中心波长为1549.4 nm,3 dB光谱线宽为0.02 nm。

图 6. 抽运功率为180 mW时的输出光脉冲。(a)脉冲宽度;(b)输出光谱

Fig. 6. Output pulse at 180 mW pump power. (a) Pulse duration; (b) output spectrum

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4 结论

围绕超短脉冲光纤激光器的脉冲宽度和光谱线宽展开了研究,分析了不同可饱和吸收体的调制深度和饱和能量与输出脉冲的脉冲宽度和光谱线宽的关系,并对FBG参数和谐振腔长进行优化。从模拟结果中发现,在可饱和吸收体调制深度较高、饱和能量较小的情况下,更容易获得稳定的脉冲输出,而且脉冲宽度和光谱线宽均较小。根据计算结果,搭建了基于WS₂锁模的光纤激光实验系统,最终在抽运功率为180 mW时,得到了中心波长为1549.4 nm、重复频率为18.8 MHz、脉冲宽度为171 ps的稳定光脉冲,最大平均功率为1.21 mW,3 dB光谱线宽为0.02 nm。