中红外(MIR)光谱覆盖了地球大气的吸收窗口,并处于分子旋转-振动跃迁的“指纹区”。这些特性使得中红外激光在科研、工业和**等领域备受关注^[1]。特别地,波长可调的中红外超快光源在光谱测量^[2]、材料处理^[3]以及生物成像^[4]等方面有着重要的应用前景。迄今,已经发展出各种直接产生中红外的方法,如量子级联半导体激光器^[5]和稀土掺杂光纤激光器^[6-7]等。为了突破现存增益介质的带宽限制,通常可采用非线性手段如超连续谱产生^[8-9]和光参量振荡器^[10]等来获得更宽的输出光谱或调谐范围。通常,量子级联激光器的输出虽然可以覆盖较宽光谱,但其功率调谐范围小、成本高;光参量振荡器可产生高功率的可调谐中红外,但对光学器件镀膜和谐振腔调节有着较高要求;超连续谱可同时获取宽波段中红外输出,但面临着相干性受限、光谱密度和转换效率较低的难题;氟化物光纤激光器一般选用Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺作为稀土掺杂离子,仅能产生特定激光波段。近年来,基于单通非线性差频过程的中红外产生技术由于结构简单紧凑、调谐范围宽、转换效率高等优点已成为国内外研究的热点^[11-14]。具体来说,首先,中红外差频产生技术免除了光学谐振腔所需的宽带镀膜光学器件以及精确模式匹配的要求^[15];其次,得益于丰富的高性能非线性晶体,所能获得的相位匹配波长已能覆盖2~20 μm的中远红外波段^[16];最后,近红外光纤激光产生、放大与控制技术的不断发展极大地推动了中红外差频技术的进步。在此背景下,本文工作在实验基础上探究了基于被动同步的宽调谐中红外差频技术,借助全光被动同步技术获得了近红外掺铒和掺镱锁模光纤激光器输出脉冲的精确时域同步,结合基于高非线性光纤的光谱展宽技术,最终获得了2940~3260 nm宽波段可调谐的中红外皮秒激光,平均功率为580~926 mW,最大泵浦光转换效率为41%。一方面,采用双色脉冲同步技术规避了大波长跨度光谱展宽导致的非线性调制不稳定问题,可以获得更稳定的同步种子脉冲;另一方面,诱导脉冲的注入可以大幅降低中红外参量产生的泵浦阈值,从而放宽了高效率中红外产生对高功率泵浦光场的要求。

被动同步的可调谐中红外差频产生实验装置如图1所示,包括了同步光纤激光器、信号和泵浦源制备,以及非线性差频过程。首先,同步激光系统包括了全保偏结构的掺铒和掺镱光纤激光器(EDFL和YDFL),它们分别采用了可饱和吸收镜(SESAM)和非线性放大环形镜(NALM)作为被动锁模机制,输出脉冲的重复频率为15.7 MHz。为了实现两台激光器的相对重复频率锁定,EDFL的部分输出被注入到YDFL的激光腔内,通过单模光纤中的交叉相位调制效应,获得Sagnac干涉环内周期调制的非线性相位差,进而实现从激光器的被动同步锁模^[17]。然后,主-从激光器输出分别经过掺铒和掺镱光纤放大器(EDFA和YDFA),为后续频率变换提供信号光和泵浦光。

图 1. 实验装置图。(a)被动同步的掺铒和掺镱锁模光纤激光器;(b)波长可调谐的信号光制备;(c)高功率泵浦光制备;(d)同步脉冲泵浦的非线性差频

Fig. 1. Experimental setup. (a) Passively synchronized Er- and Yb-doped mode-locked fiber lasers; (b) wavelength-tunable signal source preparation; (c) high-power pump source preparation; (d) synchronously pumped nonlinear frequency-difference generation

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实验中,泵浦光经过基于掺镱光子晶体光纤(Yb-PCF)的主放大之后,功率可以提升至6.2 W。如图2(a)所示,输出光谱的中心波长为1032.5 nm,带宽约为0.3 nm,并展现出自相位调制引致的振荡,相应的脉冲宽度为18/ 2=12.7 ps(假定为高斯脉冲)。对于信号光制备,EDFL输出经过两级单模光纤放大器之后,注入一段0.25 m的高非线性光纤(HNLF)中,其零色散波长为1550 nm,芯径为1 μm。研究表明,通过改变注入脉冲的泵浦功率和脉冲宽度可以控制展宽光谱的覆盖范围^[12]。当注入功率设定为140 mW时,获得了图2(b)所示的展宽光谱,能够匹配实验中可调滤波器(Agiltron FOTF-025)具备的调节范围(1510~1590 nm),既可以提高信号光的能量利用率,又可以减小非线性展宽引致的脉冲强度抖动^[13]。滤波之后的典型光谱如图2(c)所示,带宽约为1 nm,对应的脉冲宽度为7.8 ps。经过再次放大后,信号光功率约为10 mW。最后,信号光与泵浦光通过双色向镜(DM1)合束后聚焦至周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体,实现中红外差频输出。

图 2. 泵浦和信号脉冲表征。(a)泵浦源光谱与脉宽;(b)信号光展宽前后光谱;(c)滤波后光谱与脉宽

Fig. 2. Characterization of pump and signal pulses. (a) Spectrum and pulse width of pump source; (b) signal spectra before and after broadening; (c) spectrum and pulse width of filtered signal

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实验中,对于不同的信号光波长,可以选择合适的PPLN反转周期与工作温度来达到准相位匹配条件。例如,当信号光波长为1530 nm时,可选取29.8 μm的反转周期,相应温度为125 ℃。如图3(a)所示,中红外功率随泵浦强度单调递增,而泵浦光转换效率则表现出饱和现象,表明过强的泵浦场会导致部分中红外回流^[13]。当泵浦光功率为4 W和6.2 W时,分别对应了41%的最大转换效率和926 mW的最大输出功率。作为比较,图3(b)给出了自发参量下转换中红外产生的对应结果,其泵浦阈值约为2 W,峰值转换效率为28%。研究结果表明,采用同步脉冲诱导技术,可将中红外参量产生的泵浦阈值降低80%,转换效率提升1.5倍,从而放宽了高功率、高效率的中红外制备对强泵浦场的要求,降低了非线性晶体的损伤风险。进一步地,通过调谐信号光的波长,如图3(c)所示,可以获得2940~3260 nm范围内可调谐中红外,输出功率为580~926 mW。

图 3. 中红外产生实验结果。(a)有和(b)无信号光注入时,中红外输出功率与泵浦光转换效率随泵浦功率的变化;(c)可调谐中红外光谱与相应的最大输出功率

Fig. 3. Experimental results on MIR generation. (a) With and (b) without signal light injection, MIR output power and pump conversion efficiency change with the pump power; (c) tunable MIR spectra and the corresponding maximum output power

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综上,实验探究了基于被动全光同步的高效率、宽调谐中红外差频技术,获得了2940~3260 nm的中红外皮秒激光脉冲,最大平均功率为926 mW,峰值转换效率为41%。整个系统采用全保偏光纤结构,有望为后续应用提供紧凑、便捷、稳定的中红外超快光源。接下来,将继续优化信号光和泵浦光的空间模式匹配,同时尝试不同的脉冲宽度,以此进一步降低中红外参量产生的泵浦阈值,为高功率、高效率的超快中红外脉冲制备提供有效途径。