瓦级平均功率可调谐掺铥锁模光纤激光器

Kun Wei, Hui Zhang, Kui-Lei Yang, Hui-Ye Zhu, Pei-Guang Yan, Shuang-Chen Ruan and Jin-Zhang Wang, Tunable thulium-doped mode-locked fiber laser with watt-level average power. Opt. Lett. 47: 1545-1548 (2022).

2 µm区域超快光纤激光器的研究是由广泛的应用驱动的，例如用于高效非线性下变频到中红外（>7 µm）分子指纹区域的泵浦源、塑料材料加工和激光手术。通常，高性能激光器在实际应用中是首选的。例如，提供高平均功率的超快激光器原则上可以在数据采集速率和信噪比方面改进许多应用。具有脉冲宽度减小的激光器不仅可以提供更高的峰值功率以促进非线性光学和材料处理应用，而且在需要高时间分辨率的时间分辨超快光谱学中也有很高的需求。在某些需要宽带波长覆盖的应用中（例如，分子光谱学线性检测和频率计量），波长可调谐性也引起了极大的兴趣。为了在超快光纤激光器中实现上述性能，需要仔细设计光纤非线性、腔色散以及光谱滤波器。

强光纤非线性是提高光纤激光器功率的关键阻碍。由于光纤非线性与有效模场面积成反比，因此，减轻它的一种简单方法是使用大模面积光纤。研究人员发现，在掺铥光纤激光器中，一旦单模光纤被大模面积光纤取代，平均功率和脉冲能量增益都提高5倍以上。2 µm大模面积光纤激光器直接输出功率高于200 mW。使激光器在大的正色散中工作（通常产生耗散孤子）是提高激光器性能的另一种常见方法。Tang等人实现了一种正色散铥光纤激光器，该激光器可以产生8 nJ脉冲，平均功率高达约220 mW。众所周知，平均输出功率（P）由脉冲能量（E）和重复率（fr）决定：P=E·fr。通过缩短腔光纤（等于增加fr），可以预期得到更高的功率。更好的是，腔的净非线性和色散被降低，从而产生具有潜在更高能量和更短持续时间的脉冲。基于这一概念，研究人员提出了一种色散管理的短腔铥光纤激光器，该激光器可以产生平均功率高达650 mW的250 MHz脉冲。由于能量相对较高（约2.6 nJ），脉冲可能被非线性压缩至约4.3个周期。基于这些结果，通过进一步缩短腔，可以预期光纤振荡器直接提供>1 W的输出功率。

就波长可调谐性而言，可调谐光谱滤波器是必不可少的。到目前为止，研究人员在超快光纤激光器中发展了各种滤波器，包括多模光纤或拉锥光纤中的多模干涉滤波器、基于衍射光栅的滤波器和基于非线性脉冲演化的滤波器。其中，基于光栅的滤波器能够在平均功率为约1 mW的碳纳米管锁模掺铥光纤激光器中实现宽达300 nm的调谐范围。另一方面，基于非线性脉冲演化的滤波器展示出紧凑性、灵活性和高损伤阈值，因为它不需要引入任何额外的光学组件。它的滤波效果主要是由于线性和非线性相位延迟，这些延迟通常通过旋转腔内波片或偏振控制器来引入和改变。使用这种类型的滤波器，波长调谐范围可以容易地超过100 nm。然而，由于缺乏非线性管理，无论使用何种滤波器，这些2 µm可调谐超短光纤激光器只能提供低于几十mW的输出功率（最大值约为50 mW）。此外，由于缺乏色散管理，它们通常发射>400 fs的脉冲，这些限制将阻碍这些激光器的实际应用。

图1给出了总长度约42.5 cm的短光纤腔激光器装置。所有块状光学器件都放置在尽可能紧凑的空间中。增益光纤是24 cm长、高掺杂的铥光纤（Nufern，SM-TSF-5/125），其长度是光纤弯曲损耗和激光增益之间的折中。将两条短单模光纤（Corning SMF-28e，总长约4.5 cm）分别拼接到增益光纤尖端，以同时提高光耦合和散热效率。该泵浦是一种国产铒镱共掺光纤激光放大器，在1560 nm发射波长处的输出功率可达4.55 W。泵浦光耦合效率和总腔损耗（包括耦合损耗和吸收/反射损耗）分别测量约为79%和35%。有了足够的泵浦功率（通常约为3 W）和适当的波片角度设置，激光器可以基于非线性脉冲演化技术可靠地实现自启动锁模。它通常在1980 nm和2000 nm之间的中心波长下工作，基本脉冲重复率约为510 MHz。一旦锁模建立，当泵浦功率逐渐增加到其最大值时，激光器中既不会出现脉冲分裂，也不会出现多脉冲或连续波峰。

实验中，研究人员使用商用二次谐波产生频率分辨光学门设备来表征频域和时域中的脉冲轮廓。图2给出了最大泵浦功率下的典型脉冲特征。相应的平均功率约为1.1 W。图2(a)和图2(b)分别展示了测量和检索的频率分辨光学门轨迹。重建的轨迹的误差为0.14%。图2(c)给出了检索到的脉冲光谱，其中心位于1981 nm，3-dB带宽约为26 nm。此外，研究人员还使用光谱分析仪（Yokogawa，AQ6375B）独立性地测量了光谱。检索到的光谱和测量到的光谱之间的良好一致性，包括Kelly边带（孤子锁模的典型特征），证实了频率分辨光学门测量的高度有效性。检索到的脉冲和时间相位，如图2(d)所示。它的脉冲持续时间为154 fs，接近傅立叶极限102 fs。小的调制基座是由于Kelly边带的存在。根据测量的脉冲能量（约2.16 nJ），估计峰值功率约为10.57 kW。

由于输出功率达到了惊人的瓦级水平，人们可能会质疑激光器是在双脉冲还是多脉冲状态下工作，因此，有必要检查脉冲工作状态。图3(a)给出了从约0 GHz到8 GHz的宽射频谱。没有有效的包络调制意味着没有间隔>125 ps的双脉冲。类似地，以分辨率带宽为0.1 nm（2 µm处为7.49 GHz）记录的测量光谱[图2(c)]上没有光谱调制表明不存在间隔<133 ps的双脉冲。基于这些结果，振荡器实现了单脉冲运转。此外，基本重复率约为509.7 MHz的频谱[图3(a)中插图]的信噪比为95 dB，超4小时监测的平均功率计算出的均方根功率波动约为0.25%[图3b]，证实了高的脉冲能量稳定性。

为了进一步深入了解脉冲噪声特征，研究人员对振荡器的相对强度噪声和时间抖动进行了表征。对于相对强度噪声测量，衰减的光通过一个放大光电探测器（PD，Thorlabs PDA10D2，25 MHz bandwidth）转换为电压信号。使用示波器记录归一化的平均电压。同时，在将该信号发送到噪声频谱分析仪（Rohde&Schwarz FSWP8，8 GHz bandwidth）之前，在分析仪的基带输入端口使用了截止频率为1Hz的自制直流块电路，以避免对设备造成损坏。图3(c)给出了测量的相对强度噪声功率谱密度以及相应的平均相对强度噪声。在区间[1 Hz，10 MHz]上的平均均方根相对强度噪声低至0.0238%。将如此低的相对强度噪声归因于使用短光纤腔，因为较短的光纤对环境扰动不太敏感。注意，噪声功率谱密度在2 MHz以上的增强是由于光电探测器的固有噪声。对于时间抖动测量，通过高速光电探测器（Newport 818-BB-51F，12.5 GHz bandwidth）收集光。接着，滤除了15次谐波频率（7.645 GHz，接近仪器频率的上限），然后放大电信号，并在相位噪声分析仪中测量它。单边带相位噪声功率谱密度以及从10 MHz逐渐下降到3 kHz的平均均方根时间抖动，如图3(d)所示。在[10 kHz，10 MHz]区间内的平均均方根时间抖动为8.6 fs，这与之前关于自由运行高重复率锁模光纤激光器的报道相当。

一旦泵浦功率被设置为最大值，就可以通过旋转二向色镜旁边的波片（波片1）来容易地调谐波长。在这种情况下，当波长调谐到1940–1960 nm范围时，会出现连续波。然而，它可以通过微调半波片和波片1来消除。尽管波片2不需要调整，但它不能被移除，否则锁模无法启动。通过仔细调整波片，波长可从1918.5 nm调谐到2031 nm[图4（a）]。正如预期的那样，由于放大自发辐射光谱的中心位于1900 nm[图4（a）中插图]，当脉冲中心波长逐渐从1.9 µm红移时，脉冲光谱左侧（包括Kelly边带）变得比右侧更强。此外，边带的总能量也随着中心波长而明显增加，可归因于边带可能具有与孤子脉冲不同的偏振态的事实。然后，使用频率分辨光学门技术来表征不同中心波长的脉冲特征。检索到的光谱与测量到的光谱非常一致，除了一些边带的峰值强度远低于孤子脉冲边带的峰值强度[图4(a)]。在这种情况下，与孤子脉冲相比，这些边带具有低得多的二次谐波产生的转换效率。图4(b)给出了时域中相应的检索脉冲轮廓。边带的增强似乎会导致更宽、更强的脉冲基座，从而导致较差的脉冲质量。

图4(c)和4(d)总结了不同中心波长（间距约为10 nm）下激光器的性能。在整个波长调谐范围内，脉冲宽度保持在200 fs以下（在149.1 fs和180.8 fs之间变化）[图4(c)]。当中心波长低于2000 nm时，振荡器的平均输出功率超过1 W[图4(c)]，在1940 nm处达到1.314 W的最大值（对应于2.58 nJ的脉冲能量）。使用基于衍射光栅的自制滤波器，研究人员定量测量了光谱中心峰的能量与整个光谱的能量之比[图4(d)]。通过将波长调谐到1970 nm以下，超过80%的能量集中在峰上，这意味着相对较高的脉冲质量，与图4(b)所示的实验结果一致。图4(d)还展示了脉冲峰值功率随中心波长的变化。峰值功率在1940 nm处达到12.5 kW的最大值且随着波长红移到2031 nm而逐渐降低到4.2 kW。因此，对于需要高峰值功率的应用，激光器在短波长下工作是非常优选的。事实上，通过将以1940 nm为中心的脉冲以约50%的效率耦合到1 m长的高非线性光纤中，可以实现相当大的非线性光谱展宽，如图5所示。为了进行比较，研究人员还将2031 nm脉冲发送到同一光纤中。结果，光谱展宽在一定程度上受到限制，但中心波长约2030 nm的脉冲可能是发送到掺钬光纤放大器的好选择，因为掺钬光纤的发射峰位于2030 nm附近。因此，这种可调谐的高功率飞秒光纤振荡器有助于某些应用。

总之，研究人员实现了一种波长可调谐、瓦级的掺铥飞秒光纤振荡器，其波长调谐范围为1918.5 nm至2031 nm。振荡器在1940 nm处提供1.314 W的最大平均功率和12.5 kW的最高峰值功率。在整个调谐范围内，脉冲宽度在149.1 fs和180.8 fs之间变化。基于非线性脉冲演化滤波器的波长可调谐光纤激光器的一个潜在缺点是波长再现性差。然而，一旦波片设置在固定的角度，中心波长在几周内几乎保持不变。此外，用于实现可靠的自启动锁模的波片角度设置在激光器构建之后不需要改变。良好的再现性和自启动能力可归因于采用包含相对较短光纤（约28.5 cm）的短腔配置，因为较短的光纤不太容易受到环境干扰。除了上述优点之外，短光纤腔还实现了高脉冲能量稳定性，这通过在区间[1 Hz，10 MHz]上积分的低至0.024%的均方根相对强度噪声来证实。这种紧凑、高功率可调谐飞秒光纤振荡器可以在非线性频率转换、频率梳和泵浦探针光谱学中发展应用。