基于抛物线演化的宽光谱光纤啁啾脉冲放大系统

2022-11-26 03:42杜李靳翠红杨直崔玉栋
光子学报 2022年11期
关键词:高能量色散光栅

杜李,靳翠红,杨直,崔玉栋,3

(1 浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室,杭州 310027)(2 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710119)(3 华中科技大学 武汉光电国家研究中心,武汉 430074)

0 引言

光纤激光器由于高稳定性、高光束质量、结构紧凑等特点,在众多研究领域中受到广泛关注[1-3]。工作在1550 nm处的高能量超快光纤激光器由于在通讯波长处的低衰减,价格便宜等特点被广泛应用于超快光谱学、精密材料加工以及太赫兹产生等研究领域[4-6]。而如何获得高能量脉冲也成为光纤激光器的研究热点。为了获得高能量脉冲,通常需要将增益光纤作为放大器,但将超短脉冲直接进行放大时由于高峰值功率会积累大量的非线性效应,例如自相位调制(Self-Phase Modulation,SPM)、受激拉曼散射等,从而降低光束质量[7-8]。为了避免强非线性,常用的一种解决方法是在放大前引入啁啾从而将脉冲宽度增大,降低峰值功率强度,随后利用光栅对等压缩器件对脉冲去啁啾以获得高能量的超短脉冲。这种放大方式也被称为啁啾脉冲放大(Chirped-Pulse Amplification,CPA)[9-10]。

近年来研究人员报道了一些1550 nm波长处的高能量全光纤CPA系统。MORIN F等[11]提出了一种将大模场面积的铒镱共掺光纤(Er/Yb Co-Doped Fiber,EYDF)作为放大器的CPA系统,使用色散补偿光纤(Dispersion Compensating Fiber,DCF)作为展宽器,光栅对作为压缩器,实现了脉宽605 fs,脉冲能量1.5 μJ的激光输出。DAI W等[12]选用碳纳米管锁模激光器作为种子源,并采用基于EYDF的二级放大结构对脉冲进行放大,经光栅对压缩后产生了平均功率为3.4 W,脉宽为765 fs的脉冲输出。同样PAVLOVⅠ等[13]使用EYDF作为功率放大器,脉冲经光纤展宽器展宽后再进行两级放大,最后压缩输出的脉冲平均功率为10 W,脉宽为450 fs。在以上报道中,研究人员都是利用EYDF去实现高能量脉冲输出,以此获得的脉冲光谱半高全宽都限制在5~15 nm范围内。到目前为止,在波长1550 nm处实现光谱宽度高于30 nm的全光纤型CPA激光器鲜有报道。

一些产生宽光谱脉冲的方法,例如使用类噪声锁模[14-15]、非线性光纤[16-17]、Mamyshev谐振腔[18]等,虽然均可实现宽光谱脉冲输出,但是由于脉冲不可压缩,参数结构复杂或者不够稳定等限制,不适于简易型CPA系统。在本文中,我们将自相似放大和CPA相结合,在1.55 μm处实现了一种结构紧凑的宽光谱瓦量级光纤激光器。其中种子源采用基于碳纳米管锁模的色散管理腔,可产生无Kelly边带的高斯型脉冲。根据自相似放大理论,脉冲在正色散掺铒光纤放大器中谱宽和脉宽都将增大,并演化成抛物线型,以此获得的宽光谱脉冲再经DCF展宽,10/125双包层铒镱共掺光纤(Double-Clad Erbium-Ytterbium Co-Doped Fiber,DC-EYDF)放大后,在40.1 MHz的重复频率下实现了光谱宽度为30 nm,平均功率为1.3 W的激光输出,最后通过透射光栅对压缩后的最窄脉宽为587 fs。

1 实验装置与原理

宽光谱CPA系统实验装置图如图1所示,它由全光纤种子源、光纤展宽器、主功率放大器、光栅压缩器组成。其中种子源为环形谐振腔结构,包括碳纳米管可饱和吸收体(Carbon Nanotubes Saturable Absorber,CNT-SA)、掺铒光纤(Erbium-Doped Fiber,EDF)、单模光纤(Single-Mode Fiber,SMF)、色散补偿光纤、波分复用器(Wavelength Division Multiplexer,WDM)和隔离器构成的二合一器件以及耦合器(Optical Coupler,OC)。其中二合一器件用来耦合980 nm泵浦光并保证激光在腔内的单向传输。OC的分束比为30∶70,确保输出端有较大的输出功率。

图1 宽光谱啁啾脉冲放大激光器实验装置Fig.1 Experimental setup of the broadband chirped-pulse amplification laser

种子源的输出脉冲首先注入到正色散掺铒光纤进行放大,在放大过程中高斯型脉冲在光纤色散以及非线性效应的共同作用下会逐渐演化成抛物线型,谱宽以及脉宽都将增大,实现自相似演化。随后WDM可用来滤掉多余的980 nm泵浦光。接着使用DCF对脉冲进行展宽,并使用隔离器阻止反向光对谐振腔的影响。第二级放大器采用10/125的DC-EYDF,最大功率为9 W的泵浦光通过1×2的合束器耦合进放大器。最后一级中,通过准直器输出的放大脉冲经由刻线密度为966 lines/mm的透射型光栅对进行压缩。光栅对平行放置且脉冲以Littrow角入射时可确保92%的最大衍射效率。反射镜可保证光束往返通过光栅对以缩短光栅对间距。为了分离压缩光和入射光,可通过半波片以及四分之一波片调节光束偏振态使得压缩光从偏振分束器的另一端输出。

为了对后续实验提供理论指导,首先对宽光谱CPA系统进行了理论模拟,脉冲在光纤中的传输可通过非线性薛定谔方程表示为[19]

式中,u为脉冲包络函数,z和t分别代表传输距离以及时间,β2代表二阶色散系数,Ωg和g分别为增益带宽以及增益系数。对于EDF,增益系数可表示为

式中,g0为小信号增益系数,Es为增益饱和能量,Ep为脉冲能量。基于碳纳米管的可饱和体模型可表示为

式中,α0为未饱和损耗,α为调制深度,P为瞬时脉冲功率,Psat为饱和功率。

依托分步傅里叶算法,将激光器内的所有器件根据实验装置依次分布在激光腔内。然后采用脉冲追迹法模拟脉冲在腔内的运转情况。在仿真中我们采用预设置的小信号高斯型脉冲作为输入,当信号在腔内运转一周后,将其结果作为下一个循环的起始信号。在适当的腔内参数和误差控制下,经过100~1000次循环后,最终就会得到稳定的锁模脉冲输出。

仿真模型中所使用的参数为:g0=3 dB/m,Es=12 pJ,Ωg=30 nm,对于EDF,γ=4.5 W-1km-1,β2=20 ps2/km;对于SMF,γ=1.3 W-1km-1,β2=-21.6 ps2/km;对于DCF,γ=5 W-1km-1,β2=120 ps2/km;对于DC-EYDF,γ=0.8 W-1km-1,β2=20 ps2/km;对于光栅对,β2=-9.1×103ps2/km。谐振腔内的SMF、EDF以及DCF的长度分别为4.2 m,0.5 m,0.42 m。谐振腔外的EDF、DCF以及DC-EYDF的长度分别为10 m、15 m、2.3 m。光栅对间距设置为22 cm。

模拟计算的色散管理孤子时域输出如图2(a)所示,脉冲宽度为524 fs并带有线性啁啾。图2(b)为预放大器到压缩器之间脉冲脉宽以及谱宽的演化,其中点a~d的值分别代表种子源、预放大器、展宽器、主放大器处的输出谱宽大小,点e~h的值则代表相应位置处的脉宽大小。可以观察到脉冲在正色散EDF中放大时脉宽和谱宽迅速增大,在展宽光纤中脉宽变大,而谱宽几乎不变,随后在主放大器中由于增益窄化效应,脉宽和谱宽都减小,最后经压缩器后脉冲被压缩至230 fs。为了进一步观察此过程中的光谱演化,绘制了如图2(c)所示的脉冲在腔内不同位置处的光谱图。

图2 宽光谱啁啾脉冲放大激光器理论模拟特性Fig.2 The theoretical simulation characteristics of broadband chirped-pulse amplification laser

2 结果与讨论

实验中,根据模拟结果选择了最佳的器件参数,搭建了图1所示的宽光谱啁啾脉冲放大系统。色散管理腔的EDF(Liekki,β2=1.148 ps2/cm)长为0.5 m,DCF(dispersion~-160 ps/(nm·km))长为0.42 m,SMF(β2=-2.168 ps2/cm)长为4.2 m,腔内总腔长约为5.1 m,对应于40.1 MHz的重复频率,腔内总色散为0.0364 ps2,符合色散管理孤子的产生条件。将色散管理种子源的泵浦功率调节为120 mW,此时可得到稳定的锁模孤子,输出功率为2.54 mW。种子源的输出光谱如图3(a)所示,其中心波长位于1560 nm附近,半高全宽为8 nm,对应于图2(b)中点a处的值,光谱为高斯型且没有Kelly边带。为了表征脉冲宽度,使用自相关仪(APE,Pulse-check 50)对输出脉冲进行测量[20],结果如图3(b)所示,高斯拟合后的脉宽为414 fs,与图2(b)中的点e对应。图3(c)为示波器测量的时域脉冲,可计算出脉冲序列的时域间隔为24.9 ns。脉冲的信噪比可由频谱分析仪测量,如图3(d)所示,此时输出信噪比为50 dB,反映了较好的腔内锁模稳定性。

图3 色散管理型锁模光纤激光器的输出特性Fig.3 Output characteristics of dispersion-managed mode-locked fiber lasers

基于自相似放大理论,脉冲在正色散光纤中将由高斯型演化为抛物线型。同时由于SPM的作用,光谱宽度会随着泵浦功率的增加而增大。根据模拟仿真可知,光纤长度越长,所获得的脉冲光谱宽度越大。为了获得宽光谱抛物线脉冲,我们选择10 m长的正色散EDF作为预放大器,并通过调节泵浦功率大小改变输出脉冲的光谱大小及形状。不同泵浦功率下的输出光谱如图4(a)所示,随着泵浦功率的增大,光谱宽度单调增加,并且光谱也从高斯型演化为顶部平坦边沿陡峭的形状,这是抛物线脉冲的典型特征[21-25]。当泵浦光功率为400 mW时,光谱的半高全宽为44 nm,输出功率为87 mW,脉冲自相关迹如图4(b)所示,高斯拟合后脉宽为3.67 ps,此时的谱宽以及脉宽分别与图2(b)中的点b和f的值对应。

图4 自相似放大后激光器输出特性Fig.4 Output characteristics of the laser after self-similar amplification

放大后的脉冲随后在15 m长的DCF中进行时域展宽以降低峰值功率。由于DCF和SMF之间的模场直径不匹配,输出功率将下降至42 mW。接着脉冲将在2.3 m长的DC-EYDF中进行进一步放大,脉冲输出功率随泵浦光功率的变化如图5(a)所示,当泵浦功率为9 W时测量的输出功率为1.3 W。图5(b)为放大后的光谱图,可以明显观察到由于放大器中的增益窄化效应,光谱带宽减小至30 nm,对应于图2(b)中的点d。放大后的脉冲将通过准直器输出为空间光,并利用光栅对进行压缩。由于DC-EYDF的纤芯半径近似于单模光纤,因此不存在高阶模式[13],通过红外激光显示卡观察到的输出光为高斯型圆斑,光束质量良好。为了测量压缩后的脉冲宽度,我们将自相关仪的光纤输入端口更换为空间光端口,并通过两块反射镜调整光束平行入射。图5(c)为自相关仪测得的最窄压缩脉冲,高斯拟合后的脉宽为587 fs。可以发现实验结果的脉宽大小是理论模拟的两倍,其主要原因是光栅对存在固有的高阶色散,将导致光纤展宽器无法与之完全匹配,出现色散失配现象从而影响脉冲宽度。此外,该激光器在长时间工作下具有良好的稳定性。

图5 主放大器后的激光器输出特性及压缩时域Fig.5 Output characteristics of laser after main-amplifier and compressor

3 结论

本文研究了一种工作在1.55 μm附近的基于抛物线演化的宽光谱啁啾脉冲放大系统,搭建了碳纳米管锁模的色散管理型激光器,并将其作为种子源注入到正色散的EDF中实现自相似放大,以获得宽光谱高能量脉冲。随后脉冲经DCF展宽以降低峰值功率,并使用单模芯径的Er/Yb共掺光纤进一步放大。当主放大器的泵浦功率为9 W时,输出功率达1.3 W,并最终利用光栅对将脉冲压缩至587 fs,在40.1 MHz的重复频率下实现脉冲能量为32 nJ,光谱宽度为30 nm的脉冲输出。本文所研究的激光器结构紧凑,简易方便,为光纤型宽光谱高能量激光器系统的实现提供了可行方案。

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