亚200 fs, 344 MHz锁模掺铥光纤激光器

在过去的几十年中，重复频率在数百MHz到GHz范围内的高性能被动锁模超快激光器得到了广泛的研究和开发。它们具有相对较大的模式间距，从而能够访问和操纵每个单独的模式。该特性对于许多应用尤其重要，例如，高速光学采样、频率计量和光学任意波形生成。其中，光纤激光源因其体积小、光束质量高的显著优势而备受关注。另一方面，最近证明，在2 µm处工作的超快光纤激光器是通过非线性频率转换访问中/远红外光谱区域的有效平台。该光谱区域具有许多气体分子的主要吸收带。因此，设想开发2 µm高重复率光纤激光器在频率计量和分子光谱应用中非常受欢迎。

实现高重复频率的常见方法是采用谐波锁模技术。但它有脉冲噪声增加的缺点（如脉冲对脉冲的时序抖动和振幅波动），更严重的是，它容易受到环境干扰，可能导致重复频率的变化。相比之下，基本锁模光纤激光器在高重复率下工作更可取，因为发射的脉冲具有严格等于往返时间的周期，从而产生更低的噪声水平而基频重复频率与腔长成反比，采用短片掺铥或铥/钬共掺增益光纤半导体可饱和吸收镜锁模的线性光纤激光器腔体，用于在2 μm处产生高重复率（例如，200 MHz）脉冲。例如，研究人员在紧凑的半导体可饱和吸收镜锁模线性腔中使用37 cm的铥/钬光纤作为增益介质，可以产生飞秒脉冲，其重复频率高达~ 253 MHz。后来，研究人员通过使用较短7 cm高掺铥光纤，重复频率提高到1.25 GHz。当总腔长小于5 cm时，研究人员在2 μm处重复频率可达~ 2.8 GHz。然而，这些腔体使用了饱和吸收体，这种吸收体通常有皮秒恢复时间和有限的损伤阈值，通常限制了可达到的脉冲输出功率（<50 mW）和脉冲持续时间（>300 fs）。一个令人印象深刻的结果，从半导体可饱和吸收镜锁模508 MHz 铥光纤孤子激光器产生58 fs、~1 nJ脉冲已经被实现。然而，这需要谨慎的腔内功率操纵和非线性脉冲整形，这使得激光系统非常复杂。使用饱和吸收体的另一个潜在缺点是，随着时间的推移，它们有降级的倾向，这可能会阻碍它们的长期运行。

克服上述缺点的有效方法是利用非线性偏振演化锁模技术，该技术基于非线性克尔效应，具有响应时间快（飞秒量级）和损伤阈值高的特点。非线性偏振演化技术成功地实现了掺镱光纤激光器的模锁重复频率高达1 GHz而输出的平均功率和脉冲持续时间分别达到了令人印象深刻的600 mW和64 fs。迄今为止，在2 µm的非线性偏振演化锁模光纤激光器中报道的最高基本重复率为248 MHz。然而，由于非线性偏振演化的输出功率限制在36.3 mW，脉冲持续时间>300 fs，因此，它的优点还没有在激光器中得到充分利用。因此，在2 µm光纤激光器中，非线性偏振演化技术值得进一步研究。

 

图1紧凑掺铥光纤振荡器原理图。TDF，掺铥光纤；QWP，四分之一波长板；HWP，半波板；ISO，隔离器；PBS，偏振分束器；DM,二向色镜；PC，偏振控制器。

光纤激光器的实验装置，如图1所示。约30厘米商业高掺铥光纤（Nufern, SM-TSF- 5/125）作为增益介质，其光纤端连接到两个短标准单模光纤（康宁SMF-28e，总长度约为16 cm），以方便光耦合和热管理。商用2.5 W 1560 nm光纤激光器提供的泵浦光通过二向色镜耦合到腔体中，测量到的泵浦光耦合效率约为76%。三个波片结合偏振分束器（PBS）实现了基于非线性偏振演化的锁模而偏振分束器的抑制端口作为激光输出端口。腔内还插入隔离器，以确保单向光操作。由自由空间耦合和光学元件的吸收/反射引起的总腔损耗约为40%。空腔内的自由空间长度约为19 cm，空腔总长度约为0.65 m。由于2 μm时光纤弯曲损耗较大，因此，很难进一步减小腔内的光纤总长度。由于增益光纤在1560 nm处的吸收系数很高（~ 340 dB/m），当发射泵浦功率高时，热效应强，导致泵浦到信号的转换效率低。因此，靠近泵侧的短片增益光纤被放置在一个主动冷却的金属板上进行热管理，这也为锁模运转提供了稳定的环境温度。

图2(a)-2(d)为泵浦功率为2.17 W时的典型脉冲特征。脉冲光谱由光谱分析仪（AQ6375B）测量，分辨率带宽为0.1 nm，如图2(a)所示。中心波长约为1975 nm，中心部分带宽约为21.3 nm。清晰的Kelly边带在光谱上可以观察到，这意味着激光器在孤子锁模状态下工作。根据Kelly边带的位置，研究人员计算出净腔色散约为-0.029 ps²。注意，在光谱上出现了一个周期约为1.8 nm的轻微的光谱调制。这可能是由于偏振分束器产生的双折射滤波效应，偏振分束器是基于两个胶合矾酸镱 双折射晶体。相应的自由光谱范围由Δλ = λ²/Δn·L， λ为中心波长，Δn为特殊射线和普通射线的折射率差，L为晶体长度。根据制造商提供的参数，研究人员计算出Δλ约为1.86 nm，接近实验值（~1.8 nm）。使用相同的体光学，研究人员也观察到锁模长腔铥光纤激光器中有相似的调制周期。二次谐波产生频率分辨光门在光谱和时域上表现了更多的输出性能细节。所有测量的频率分辨光门测量误差均<0.7%。测量和检索光谱之间的强烈一致性[图2(a)]表明频率分辨光门测量高度可靠。注意，光谱右侧第一个Kelly边带出现了一个微小的峰，这是由光谱调制引起的。图2(a)中的扭曲谱相位表明脉冲是非线性的。图2(b)显示了检索到的和转换受限的脉冲分布。检索到的脉冲半波长最大持续时间约为165 fs，大于转换限制值120 fs。强脉冲底座跨越>3 ps范围，归因于方Kelly边带。综合整个时间分布，峰值功率约为5.8 kW，∼71.8%的脉冲能量位于主脉冲。一个自相关器（APE PulseCheck）也是用于测量脉冲的自相关迹，它与从频率分辨光门中检索到的自相关迹具有良好的一致性[图2(b)的插图]，进一步确认了检索到的脉冲分布的可靠性。图2(c)所示为分辨率带宽为100 Hz的频谱，其基本重复频率约为344.07 MHz，与整个空腔长度一致。信噪比高达85 dB，脉冲稳定性好。单脉冲连续波锁模运转通过测量的宽带射频频谱（高达5 GHz）表明，没有任何可见调制或多脉冲效应的迹象[图2(d)]。图2(e)中还提供了测量到的脉冲持续时间和计算出的峰值功率作为泵浦功率的函数。在2.5 W的最大泵浦功率下，可实现最高峰值功率为6.18 kW，最短脉冲持续时间约为160 fs。

 

图2 激光脉冲的性能。(a) 光谱分析仪独立测量的线性和对数尺度光谱以及频率分辨光门检索的光谱和相应的光谱相位。(b) 在时域内检索和计算变换限制分布。图中为APE自相关器测量的自相关迹（黑线）和从频率分辨光门控检索的自相关迹（红线）。(c) 以~ 344.07 MHz为中心的基本重复率频谱。(d) 宽频谱（高达5 GHz）。(e) 不同泵浦功率下的峰值功率和实测脉冲持续时间。

 

图3 344 MHz光纤激光器的噪声特性。(a) 单边带（SSB）相位噪声（黑线）和综合均方根时序抖动（红线）。(b) 相对强度噪声（RIN）（黑线）和综合均方根噪声（红线）。

为了评估光纤激光器的噪声特性，研究人员将12.5 GHz光电探测器(Newport, 818- b – 51f)与相位噪声分析仪(Rohde & Schwarz FSWP)连接，用于测量激光脉冲序列。激光器第一次频率谐波的单边带相位噪声，如图3(a)所示。从10 MHz到1 kHz的均方根时间抖动也显示为一条红线。在[5 kHz, 10 MHz]频率范围内积分的时间抖动约为35 fs，这与之前研究的低噪声自由运行的高重复率光纤激光器相当。均方根抖动在5 kHz以下的显著增加主要归因于技术噪声（如泵浦强度噪声和声学噪声）以及环境波动（如温度漂移和机械振动）对有效腔长的影响。这种抖动可以通过锁相环锁住重复频率来抑制，这种锁相环通常具有高达10 kHz的响应带宽。图3(b)为激光器的相对强度噪声。在整个频率区间[1 Hz, 10 MHz]内，积分得到的相对强度噪声约为0.048%而在[10 Hz, 10 MHz]内，相对强度噪声降至~0.009%。相对强度噪声在10 Hz以下的增加可能是泵浦功率波动的结果，因为当研究人员监测泵浦功率时，很容易观察到~ 1%的频率波动。然而，在2 µm条件下，研究人员可获得的均方根噪声仍优于半导体可饱和吸收镜锁模高重复率光纤激光器。虽然这种激光器的相位噪声和相对强度噪声在自由运行的锁模光纤激光器家族中已经处于相对较低的噪声水平，但由于测量已经受到超过200 kHz的系统噪声的限制，所以它们是一个上限（图3）。

由于Kelly边带相当强，了解它们如何确切地影响脉冲性能至关重要。采用基于光栅的光谱滤波器（图4(a)插图），研究人员测量不同泵浦功率下光谱不同部分的能量分布，如图4(a)所示。脉冲谱中心部分的能量保持在~ 0.85 nJ而剩余的脉冲能量主要来自Kelly侧带，随着泵浦功率的增加呈线性增加。这意味着脉冲中孤子部分的能量几乎是饱和的而额外的脉冲能量会分散到相互协作的色散波中，从而产生强大的方Kelly边带。图4(b)显示的是光谱边带滤波后的中心光谱，很好的拟合了高斯形状分布而不是一个sech形状，因为孤子光谱的前边和后边都被滤掉了。图4(c)给出了对应的脉冲持续时间约为291 fs的傅里叶变换限制脉冲，其峰值功率计算约为2.7 kW。Kelly边带存在的一个潜在缺点是它们会导致较差的脉冲质量。然而，与滤波后的脉冲相比，带边带的原始脉冲的脉冲持续时间要短约1.8倍，峰值功率要高>2倍[图2(e)]。因此，具有强方Kelly边带的孤子锁模光纤激光器可能是一个适用于激光持续时间短、峰值功率高的激光器。

 

图4 (a) 脉冲光谱中心部分的能量（蓝色方块）和剩余脉冲能量（黑色三角形）作为泵浦功率的函数。插图为基于光栅的光谱滤波器的原理图。(b) 边带滤波后的脉冲谱及高斯和sech² 形状。(c) 傅里叶转换极限脉冲。

总之，研究人员开发了一种紧凑的、自启动的非线性偏振演化锁模铥掺光纤激光器，能够以~344 MHz的基本重复频率直接产生~160 fs脉冲，最大输出功率~560 mW（对应的最大脉冲能量~1.63 nJ），由于可用泵浦功率有限，这并不是上限。噪声表征结果证实了一个相对较低的噪声水平，在频率范围[5 kHz, 10 MHz]内积分获得的均方根定时抖动约为35 fs，在频率范围[10 Hz, 10 MHz]，积分得到的相对强度噪声约为0.009%。这种低噪声、大模距飞秒铥激光器是中红外频率组合和高速光采样应用的潜在源。