连续波泵浦的高功率全光纤化超连续谱光源

郭春雨，林怀钦，阮双琛，伍一鸣，欧阳德钦，杨锦辉，韦会峰，胡学娟

1)深圳市激光工程重点实验室，先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室，深圳大学电子科学与技术学院，深圳518060;2)光纤光缆制备技术国家重点实验室，长飞光纤光缆有限公司研发中心，武汉430073

光子晶体光纤(photonic crystal fiber，PCF)具有高非线性系数和可控色散特性［1］，利用高功率光纤激光器作为泵浦源，使超连续谱(supercontinuum，SC)研究取得长足进步［2-8］.高功率连续波掺镱(Yb)光纤激光器与长度较长的光子晶体光纤结合也可产生超连续谱.与脉冲激光泵浦方式相比，基于连续波泵浦的超连续谱光源具有光谱功率密度高、光谱光滑以及强度噪声和相干长度低等优势［2］;高功率连续波超连续谱光源在高分辨光学相干层析成像、环境检测及激光雷达等领域具有重要的应用前景，因而得到广泛关注.

2003年，Avdokhin等［9］利用1 065 nm掺Yb光纤激光器泵浦100 m光子晶体光纤，实现输出功率为3.8 W超连续谱，光谱从泵浦波长扩展到1 380 nm的水峰吸收波长.由于在此波长处受强水峰的影响，光纤的吸收损耗非常大，限制了1 μm光纤激光器泵浦下，超连续谱光谱向长波的进一步扩展，以及输出功率的提高.随着光子晶体光纤拉制技术的提高，光纤的水峰吸收系数降低了1个量级.2005年，Travers等［10］在连续波泵浦下的低水峰光子晶体光纤中，实现光谱扩展到1 550 nm的超连续谱输出.利用短长度的光子晶体光纤在高功率连续波激光泵浦下，输出超连续谱也可突破1 380 nm处水峰的限制.Cumberland等［11］在50 W连续波泵浦条件下，通过一段短长度双零色散光子晶体光纤(零色散点分别为810 nm和1 730 nm)，得到平均功率为29 W的超连续谱输出，光谱从泵浦波长处扩展到1 670 nm，在长波零色散点的长波方向产生了色散波，但并未在短波零色散点的短波方向产生色散波.要想在零色散点短波方向产生新的光谱成分，要求泵浦波长位于光纤的反常色散区，且尽量接近光纤的零色散点，以利从泵浦演化产生的超短脉冲孤子扩展到正常色散区.

Travers等［3］利用400 W工业级掺Yb光纤激光器作为泵浦源，获得的超连续谱输出功率首次突破50 W，是通过零色散波长位于泵浦短波方向的PCF，得到超连续谱光谱范围为1 050～2 200 nm;同时，也利用零色散波长与泵浦波长匹配的PCF，实现了光谱范围覆盖600～1900 nm的28 W宽带超连续谱输出［3］.Labat等［12］利用 100 W 的1 075 nm光纤激光器，泵浦180 m色散匹配的掺磷PCF，实现光谱达到可见光波段的36 W超连续谱输出.

尽管在连续波泵浦下已实现如此高功率的超连续谱输出，但实验中泵浦源和光子晶体光纤非线性介质之间通过透镜进行空间耦合，并未实现全光纤化结构，因而限制了超连续谱光源的进一步应用.本文研究主振荡功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)结构的掺Yb高功率单模连续波光纤激光器，采用梯度折射率光纤(gradient-index fiber，GRIN fiber)熔接技术实现泵浦激光器与光子晶体光纤的全光纤耦合，最终研制出基于连续波泵浦的高功率全光纤化超连续谱光源.

1 实验装置

高功率超连续谱光源系统整体结构如图1.采用高非线性光子晶体光纤作为超连续谱产生的非线性介质，搭建MOPA结构的连续波单模掺Yb光纤激光器作为泵浦源.掺Yb光纤激光器尾纤与高非线性光子晶体光纤之间采用GRIN光纤熔接技术实现全光纤化高强度耦合.

图1 基于连续波泵浦的全光纤化超连续谱光源系统结构图Fig.1 Experimental setup of the all-fiber CW-pumped supercontinuum source

所用光纤为长飞光纤光缆公司的高非线性光子晶体光纤(high nonlinear PCF，HNL-PCF)，其采用堆积拉伸法拉制，纤芯与石英外层之间有5层周期结构.纤芯直径为4.7 μm，空气孔周期 Λ 为 3.3 μm，空气孔直径d为 1.9 μm.由于一般光纤在1 380 nm处存在高水峰吸收，在光纤拉制过程中采用特殊方法来减弱OH离子的影响，以减小水峰处的吸收损耗.利用光纤截断法对光子晶体光纤进行损耗测量，得到光纤水峰处的吸收系数为80 dB/km［13］.根据光纤端面图，利用有限元法(finite element method，FEM)对其色散和非线性系数进行理论计算，同时采用光纤色散测量仪(PE，CD 400)对其色散值进行验证，理论计算值与实际测量值非常吻合.光纤的零色散点位于1 030 nm处［14］，小于泵浦源的波长，在1 071.5 nm泵浦波长处的模场直径和非线性系数分别为3.9 μm和11 W-1·km-1.

图2 所用PCF的端面图及色散特性Fig.2 The cross-section and experimental measured dispersion of the PCF

MOPA结构光纤激光器的种子源为1 071.5 nm的连续波单模光纤激光器，种子源的输出功率为10 W.功率放大级是掺Yb双包层光纤放大器:泵浦源为6个25 W的976 nm半导体激光器，对Yb波段激光进行防反保护后输出;功率放大级增益光纤采用长度为15 m的大模场双包层掺Yb光纤(Nufern，LMA-YDF-20/400)，纤芯与包层的直径分别为 20和400 μm，数值孔径分别为 0.06和0.46，包层在976 nm处的泵浦光吸收系数为 1.7 dB/m;采用一个(6+1)×1的光纤合束器连接6个半导体激光器尾纤和掺Yb双包层增益光纤，进行全光纤化泵浦;在增益光纤之后熔接一个高功率包层光剥离器(cladding light stripper，CLS)，用来剥离剩余的976 nm泵浦光和激发到包层中的激光，避免对后续系统造成损坏.在CLS之后熔接一个光纤模场适配器(mode field adapter，MFA，输入光纤为LMA-20/400，输出光纤为HI-1060)，实现大模场双包层粗光纤和小芯径单模光纤之间的模场匹配耦合.HI-1060光纤的模场直径为6.2 μm，与用来产生超连续谱的HNL-PCF模场直径更为接近，易于实现两者的高效率熔接耦合.

模场适配器输出端的HI-1060光纤与高非线性光子晶体光纤之间采用GRIN光纤熔接技术实现全光纤化高效耦合，最小熔接损耗达到0.26 dB［15］.梯度折射率光纤熔接技术允许光子晶体光纤的空气孔塌陷熔接，因而提高了常规光纤和光子晶体光纤之间的熔接强度.光子晶体光纤输出端为一个8角光纤端帽，避免激光反馈对系统稳定性的影响，超连续谱的输出光谱和功率分别采用光谱仪(Yokogawa，AQ6370 B)和功率计(LP-3C)进行监测.

2 实验结果

图3为光纤放大器在不同的泵浦功率(掺Yb双包层增益光纤入纤功率)下，整个系统输出超连续谱的光谱演化过程.随着泵浦功率的增大，输出超连续谱从泵浦波长处持续向长波方向扩展.在泵浦功率分别为 0、31.9、59.4和86.5 W 时，输出超连续谱长波限分别达到1 200、1 370、1 450和1 610 nm，对应的20 dB光谱带宽分别为20、220、330和430 nm.基于连续波泵浦的超连续谱来源于调制不稳定性(modulation instability，MI)产生的超短光脉冲.脉冲能量高于孤子形成阈值的部分超短脉冲演化形成基态孤子，基态孤子进一步经历孤子自频移效应(soliton self-frequency shift，SSFS)，从而形成长波拉曼孤子超连续谱［3，16］.

图4为最大的泵浦功率下超连续谱的输出光谱，光谱的长波限已达到1 700 nm，20 dB光谱带宽为620 nm.尽管在最大泵浦功率下，输出超连续谱长波已经扩展到1 700 nm，但在泵浦波长短波方向仍未出现显著的光谱成分.这主要是因为泵浦波长为1 071.5 nm，位于光子晶体光纤的反常色散区且距离光纤1 030 nm处的零色散点较远，调制不稳定反斯托克斯边带或产生孤子的光谱没有扩展到光纤的正常色散区，因此，导致产生短波光谱成分的“孤子捕获”及“四波混频” (four-wave mixing，FWM)非线性效应效率很低［17-18］，光谱展宽机制主要是产生长波光谱成分SSFS效应.

图3 光纤放大器不同泵浦功率下所对应的超连续谱的输出光谱Fig.3 Output spectra of the supercontinuum source at different pump power of the fiber amplifier

图4 最大泵浦功率114.8 W下的超连续谱输出光谱Fig.4 The output spectrum of the supercontinuum source at the maximum pump power of 114.8 W

图5为输出超连续谱长波限与放大器泵浦功率之间的关系曲线，可见，超连续谱长波限整体趋于线性增长，仅在达到1 380 nm附近的水峰吸收处时曲线增长略有减缓.主要原因是连续波泵浦下超连续谱的产生要求较长的PCF来增强相互作用非线性效应，而较长的光纤在水峰处引入较大损耗，因此需要更大的泵浦功率来突破其吸收损耗对光谱扩展的限制.

图6为超连续谱输出功率与光纤放大器泵浦功率之间的关系曲线，两者具有较好的线性对应，在最大的114.8 W泵浦功率下，超连续谱输出功率为36.5 W，其中，10 W的1 071.5 nm种子激光单独注入时超连续谱输出功率为3.26 W，因而，整个系统的光-光转化效率达到30%.

图5 系统不同泵浦功率下输出超连续谱的长波限Fig.5 The longest wavelengths from the SC spectra with increasing pump power of the setup

图6 超连续谱输出功率特性Fig.6 Output power of the generated supercontinuum with pump power of the setup

结 语

本文对一个10 W连续波掺Yb光纤激光器进行主振荡功率放大，实现了连续波激光的高功率输出.在激光放大系统之后采用包层光剥离器和模场适配器，实现了放大系统中的大模场双包层光纤到小芯径单模光纤之间的模场匹配耦合和高功率激光的单模输出.利用梯度折射率光纤熔接技术，该高功率单模光纤激光器对200 m高非线性光子晶体光纤进行全光纤化泵浦，最终实现了最大输出功率为36.5 W的全光纤化超连续谱光源，光谱范围覆盖990～1700 nm，20 dB光谱范围达到620 nm.超连续谱输出功率和光谱扩展相对放大器泵浦功率具有较好线性关系，若采用更高功率的半导体激光器泵浦源，有望实现更高功率及更宽光谱范围的超连续谱输出.

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