摘要

報道了一種可實現(xiàn)低閾值自啟動的全保偏九字腔光纖激光器。諧振腔結(jié)構(gòu)中使用相移器降低鎖模閾值，當泵浦功率達到120 mW時，便可實現(xiàn)自啟動的傳統(tǒng)孤子鎖模，中心波長為1530 nm，脈沖寬度為614.6 fs。隨后泵浦功率逐漸增大到470 mW，實現(xiàn)了從孤子脈沖到類噪聲脈沖的轉(zhuǎn)換，在該鎖模狀態(tài)下的激光器輸出功率為63.2 mW，對應(yīng)的類噪聲脈沖能量為5.69 nJ。所搭建的激光器具有低鎖模閾值、自啟動的優(yōu)勢，并且僅通過調(diào)節(jié)泵浦功率就能夠?qū)崿F(xiàn)超快脈沖和高能量脈沖間的轉(zhuǎn)換，具有廣泛的應(yīng)用價值。

引言

在過去的幾十年中，被動鎖模超快光纖激光器由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、脈沖極窄、易調(diào)諧等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在光纖傳感、光學頻率測量、材料加工、長距離測距和自由空間光通信等領(lǐng)域[1-5]。然而早期的超快脈沖光源僅限應(yīng)用在如實驗室等非常穩(wěn)定的環(huán)境，但是大量實際需求需要光源能夠在不穩(wěn)定甚至惡劣的條件下工作，如工廠、飛機、車間等。與普通光纖相比，保偏光纖具有更強的抵抗外界應(yīng)力特性，從而保持腔內(nèi)光脈沖的偏振狀態(tài)不變。因此，由全保偏光纖器件組成的諧振腔結(jié)構(gòu)可以在很大程度上屏蔽環(huán)境的干擾，例如振動或溫度、濕度和氣壓的變化等。全保偏光纖激光器能夠為多領(lǐng)域提供穩(wěn)定的脈沖光源，因此開展對全保偏光纖激光器的研究和優(yōu)化是具有實際應(yīng)用價值的。

全保偏光纖激光器可使用可飽和吸收體進行鎖模，例如碳納米管[6]、石墨烯[7]和可飽和吸收鏡[8]。但是，可飽和吸收體材料通常具有局限性，它們的損傷閾值低，且化學性能會隨著時間的推移而發(fā)生退化[9]。與飽和吸收體相比，非線性光學環(huán)形鏡（NOLM）和非線性放大環(huán)形鏡（NALM）鎖模結(jié)構(gòu)具有更高的損傷閾值和更短的響應(yīng)時間，因此，NOLM和NALM鎖模機制也引起了更多研究人員的關(guān)注[10-14]

本文提出了一種基于NALM結(jié)構(gòu)的全保偏九字腔光纖激光器。由于相移器的使用，降低了諧振腔的鎖模閾值，在泵浦功率達到120 mW時便能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動的孤子鎖模，所對應(yīng)的脈沖寬度為614.6 fs，重復頻率為11.1 MHz。之后逐漸增大泵浦功率到470 mW，實現(xiàn)了中心波長位于1530.2 nm的類噪聲脈沖輸出，調(diào)節(jié)泵浦功率后最大輸出功率為73.9 mW，對應(yīng)的單脈沖能量為6.66 nJ。最后將泵浦功率固定為600 mW，測量了激光器1 h的穩(wěn)定性，證明該結(jié)構(gòu)具有高度穩(wěn)定性。整個保偏結(jié)構(gòu)具有低閾值、可自啟動、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖能量高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用價值。

1 相移器在NALM結(jié)構(gòu)中降低鎖模閾值原理

實驗中所使用的九字腔的工作原理如圖1所示。該結(jié)構(gòu)基于2×2耦合器，分光比為α：（1?α）。假設(shè)入射光從端口1進入結(jié)構(gòu)，經(jīng)過耦合器會分成兩束相反方向的光，則逆時針方向?qū)?yīng)光的透射方向，順時針方向?qū)?yīng)光的反射方向。在我們的實驗結(jié)構(gòu)中，透射方向?qū)?yīng)著輸出，反射方向的光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過反射鏡反射會再次以入射光進入雙向環(huán)路中。九字腔結(jié)構(gòu)的反射率與環(huán)中兩個相反方向的光的非線性相移差之間的關(guān)系可以表示為[15-16]

式中：Ein 和 Eout1 分別代表輸入光和輸出反射光的 強度; 和 表示非線性相移 差和線性相移;α 為耦合器分束比；L 是環(huán)路中光纖 的長度；n2 是非線性克爾系數(shù)；λ 是入射光的波長； R 是反射率。加入移相器實質(zhì)是在環(huán)路中加入一 個線性相移 （ ），然后該結(jié)構(gòu)中的反 射率與非線性相移差之間的關(guān)系變?yōu)?R = 2α(1?α) { 1+cos[ ?φ0 +(1?2α)×?φNL]}（3） ?φNL ?φNL ?φNL 九字腔結(jié)構(gòu)相當于人工可飽和吸收體，當脈沖 的反射率達到最大值時，脈沖中心高能量部分被 反射，而脈沖兩翼部分被透射從而實現(xiàn)對脈沖的 窄化作用，完成鎖模。保偏九字腔激光器中反射 率與非線性相移差 之間的關(guān)系可用（3）式進行 數(shù)值模擬 ，其 中 α 為 0.5， Δφ0 為 ?1/2  π。 如 圖 2 所示，實線和虛線分別對應(yīng)未插入相移器和插入 相移器后的關(guān)系曲線。當非線性相移差（ ）為 零時 ，它對應(yīng)于連續(xù)光的工作狀態(tài) ，而較高的 可以對應(yīng)于脈沖光的工作狀態(tài)。在未使用相 移器時，為了達到反射率最大值，諧振腔需積累大量的非線性相移差，一般會通過增加腔長和增大 泵浦功率來實現(xiàn)，使得激光器具有很高的鎖模閾 值。在實驗中，結(jié)構(gòu)里插入了?1/2 π 的線性相移， 如圖 2 所示，相當于使整個反射率曲線向右平移。

 因此，腔內(nèi)僅需積累所插入的線性相移量的非線 性相移差就能達到反射率的最大值，從而實現(xiàn)鎖 模閾值的降低。 2 實驗結(jié)構(gòu)與工作原理 低閾值、可實現(xiàn)鎖模狀態(tài)轉(zhuǎn)換的全保偏九字 腔光纖激光器的實驗結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。實驗結(jié)構(gòu) 由一個環(huán)形腔和一個線性腔兩部分組成。采用 980 nm 半導體激光器通過一個 980 nm/1550 nm 波 分復用器（wavelength division multiplexer, WDM）耦 合進 0.7 m 長的保偏摻鉺增益光纖（ polarizationmaintaining  gain  erbium-doped  fiber,  Liekki,  Er80- 4/125-HD-PM, PM-EDF），增益光纖的群速度色散 為?29.3 ps/nm/km。環(huán)路中包含一段 15 m 的保偏 單模光纖和具有?1/2π 相位延遲的保偏反射型相移 器。相移器的使用可減小鎖模所需要的非線性相 移差，從而縮短腔體長度。線形腔的尾端接入一 個光纖型反射鏡，實現(xiàn)對環(huán)路反射出的光脈沖的 再次反射，作為輸入光進入環(huán)路。環(huán)路與線性腔 通過 2×2 的 3 dB 耦合器相連構(gòu)成九字腔從而實現(xiàn) 鎖模，其中一個端口作為輸出端。

輸出的鎖模脈沖光譜通過分辨率為 0.02 nm 的光譜分析儀（ OSA, Yokogawa AQ6375）進行觀 察。時域上的脈沖信號通過 2.5 GHz 示波器（OSC, Agilent DSO9254A）與 1.5 μm 的光電探測器組合來 觀測。頻域上的脈沖信號通過頻譜分析儀（Agilent N1996A, FSA）觀測 ，其頻率探測范圍為 100 kHz 至 3  GHz。可通過自相關(guān)儀 （SHG  FS  Photonics Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)R-103XL）測量脈沖的自相 關(guān)曲線。 3 實驗結(jié)果與討論 實驗中，泵浦功率增加至 120 mW 時，達到鎖 模閾值實現(xiàn)了自啟動鎖模。激光器輸出的鎖模脈 沖的光譜如圖 4（a）所示，光譜具有圍繞中心波長 對稱分布的 Kelly 邊帶，表明該激光器工作在傳統(tǒng) 孤子鎖模區(qū)域，其中心波長為 1530 nm，3 dB 帶寬 為 5.2 nm。圖 4（b）為脈沖序列圖，脈沖的周期為 90.1 ns，與所用結(jié)構(gòu)的腔長 18 m 相對應(yīng)。圖 4（c） 顯示了孤子脈沖的自相關(guān)曲線 ，其半高全寬為 614.6 fs，假設(shè)由雙曲正割形狀擬合，通過計算可得 輸出脈沖的時間帶寬積為 0.41，接近于變換極限 0.315。圖 4（d）為其頻譜圖，重復頻率為 11.1 MHz，

經(jīng)計算符合腔長 18 m 和脈沖間隔 90.1 ns，表明鎖 模處于基本鎖模狀態(tài)，信噪比為 57 dB。從圖 4（d） 的插圖可以看出，頻率穩(wěn)定并且沒有調(diào)制，輸出的 鎖模脈沖的平均功率為 1.2 mW。 在實現(xiàn)孤子鎖模后，逐漸增加泵浦功率，腔 體中的脈沖變得越來越不穩(wěn)定。直到泵浦功率 增 加 至 470 mW 時獲得了類噪聲鎖模脈沖 ，如 圖 5 所示。隨著泵浦功率的增加，腔內(nèi)的非線性 也會迅速增大，非線性相移的過度積累會使每個

短脈沖分裂成幾個脈沖；同時，許多短脈沖又聚 集在一個長包絡(luò)中[17]。研究顯示，類噪聲脈沖由 許多具有高峰值功率的超短脈沖組成，所以隨著 泵浦功率的增加，諧振腔內(nèi)的傳統(tǒng)孤子脈沖轉(zhuǎn)換 為類噪聲脈沖。其光譜如圖 5（a）所示，中心波長為 1530.2 nm， 3 dB 譜寬增加到 17.1 nm。圖 5（ b）為 脈沖序列圖，類噪聲包絡(luò)的持續(xù)時間為 471 ps，脈 沖間隔為 90.1 ns。驗證矩形脈沖的類型可以測量 其自相關(guān)跡線，如圖 5（c）所示，在寬基底上有一個相干峰，表明激光器工作在類噪聲鎖模狀態(tài)， 通過高斯擬合，相干峰的半峰全寬約為 307.4 fs。 圖 5（d）為類噪聲頻譜圖，其具有 11.1 MHz 的重復 頻率，信噪比為 60.7 dB。圖 5（d）的插圖為大范圍 的射頻（RF）頻譜，在 RF 頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)調(diào)制現(xiàn) 象，這表明激光器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，在此狀態(tài)下 的輸出功率為 63.2 mW，脈沖能量為 5.69 nJ。當 泵浦功率從 420 mW 增加到 600 mW 時，輸出功率 可由 63.2 mW增加到 73.9 mW，所對應(yīng)的脈沖能量 由 5.69 nJ 增加到 6.66 nJ。 最后將泵浦功率固定為 600 mW，并記錄 1 h 內(nèi)激光輸出功率和重復頻率的穩(wěn)定性，如圖 6 和 圖 7 所示。由于采用全保偏結(jié)構(gòu)，輸出光功率的峰 峰值（PPV）波動小于 1.9%，重復頻率的峰峰值波動 小于 1.6%，證明了激光諧振腔的高度穩(wěn)定性。

4 結(jié)論 提出了一種具有低閾值、自啟動的全保偏光纖激光器。由于結(jié)構(gòu)中相移器的使用降低了諧振 腔的鎖模閾值，實現(xiàn)了從孤子鎖模到類噪聲脈沖 的轉(zhuǎn)換。泵浦功率達到鎖模閾值 120 mW 時，獲得 了中心波長為 1530 nm、3 dB 帶寬為 5.2 nm 的孤 子鎖模脈沖。在泵浦功率增加到 470 mW 后，可獲 得 位 于 1530.2 nm 的類噪聲脈沖 ，脈沖能量為 5.69 nJ。最后記錄 1 h 內(nèi)激光輸出功率和重復頻率 的穩(wěn)定性，輸出光功率的峰峰值波動小于 1.9%，重 復頻率的峰峰值波動小于 1.6%，證明了整個結(jié)構(gòu) 具有高度穩(wěn)定性。該保偏光纖激光器具有閾值 低、可自啟動、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖 能量高等優(yōu)點，在超連續(xù)譜的產(chǎn)生、材料加工和光 纖傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。 參考文獻： JONES  R  J,  DIELS  J  C.  Stabilization  of  femtosecond lasers for optical frequency metrology and direct optical to radio  frequency  synthesis[J]. Physical  Review  Letters， 2001，86（15）：3288-3291. ［1］ KALAYCIOGLU  H,  ELAHI  P,  AKCAALAN  O,  et  al. High-repetition-rate ultrafast fiber lasers for material processing[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2018，24（3）：1-12. ［2］ ZHOU G, XIN M, KAERTNER F X, et al. Timing jitter of  Raman  solitons[J]. Optics  Letters， 2015， 40（21）： 5105-5108. ［3］ HUANG H, YANG L M, LIU J. Micro-hole drilling and cutting  using  femtosecond  fiber  laser[J]. Optical Engineering，2014，53：051513. ［4］ JIA Qingsong, WANG Tianshu, WANG Zhen, et al. Temperature  sensing  characteristics  based  on  multi  - wavelength  Brillouin  fiber  laser[J].  Journal  of  Applied optics，2018，39（4）：585-589. 賈青松, 王天樞, 王振, 等. 基于多波長布里淵光纖激光 器的溫度傳感特性[J]. 應(yīng)用光學，2018，39（4）：585-589. ［5］ NiSHIZAWA N, SENO Y, SUMIMURA K, et al. All-polarization-maintaining  Er-doped  ultrashort-pulse  fiber laser using carbon nanotube saturable absorber[J]. Optics Express，2008，16（13）：9429-9435. ［6］ KUSE  N,  LEE  C  C,  JIANG  J,  et  al.  Ultra-low  noise  all polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs  facilitated  with  a  graphene  modulator[J]. Optics Express，2015，23（19）：24342-24350.LYU Z, Yang Z, LI F, et al. SESAM mode-locked all-polarization-maintaining  fiber  linear  cavity  ytterbium  laser source with spectral filter as pulse shaper[J]. Laser Physics，2018，28（12）：125103. ［8］ KIEU K, WISE F W. All-fiber normal-dispersion femtosecond laser[J]. Optics Express，2008，16：11453-11458. ［9］ KUSE N, JIANG J, LEE C C, et al. All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear  amplifying  loop  mirror[J]. Optics  Express， 2016， 24（3）：3095-3102. ［10］ SZCZEPANEK  J,  KARDA?  T  M,  MICHALSKA  M,  et al. Simple all-PM-fiber laser mode-locked with a nonlinear  loop  mirror[J]. Optics  Letters， 2015， 40（15）： 3500- 3503. ［11］ ZHOU F, YANG X Z, PAN W W, et al. 1015 nm - 1080 nm  tunable  polarization-  maintaining  dissipative  solition mode  -  locked  fiber  laser[J].  Chinese  Journal  of  Lasers， 2017，44（9）：40-47. 鄒峰, 楊學宗, 潘偉巍, 等. 1015 nm~1080 nm可調(diào)諧保 偏光纖耗散孤子鎖模激光器[J]. 中國激光 ， 2017，44（9）：40-47. ZHAO X, LIU Y, ZHOU L, et al. All normal dispersion polarization  maintaining  Yb  doped  fiber  laser  based  on nonlinear  amplifing  loop  mirror[J].  Chinese  Journal  of Lasers，2019，46（5）：279-283. 趙翔, 劉洋, 周廉, 等. 全正色散非線性放大環(huán)形鏡保偏 摻鐿光纖激光器[J]. 中國激光，2019，46（5）：279-283. ［13］ MA H Q, LIU C, ZHAO W, et al. Figure of eight cavity Yb3+ doped fiber mode locked lasers[J]. Chinese Journal of Lasers，2005，32（9）：1173-1177. 馬海全, 劉暢, 趙衛(wèi), 等. 8字形腔鎖模摻Y(jié)b~3+光纖激光 器[J]. 中國激光，2005，32（9）：1173-1177. ［14］ DORAN  N  J,  WOOD  D  P.  Nonlinear-optical  loop mirror[J]. Optics Letters，1988，13（1）：56-58. ［15］ FERMANN M E, HABERL F, HOFER M, et al. Nonlinear  amplifying  loop  mirror[J]. Optics  Letters， 1990， 15（13）：752-754. ［16］ GRUDININ A B, RICHARDSON D J, PAYNE D N, et al. Energy quantisation in figure eight fibre laser[J]. Electronics Letters，1992，28（1）：67-68.