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摘要：高重频飞秒激光在医疗、成像、微波产生、微纳加工等领域有着重要应用。随着技术的发展，人们对1.5μm飞秒激光器的重复频率、光谱、脉宽、稳定性等也提出了更高的要求。为了得到高重复频率、宽光谱、窄脉冲、高稳定性的1.5μm飞秒光纤激光器，设计了一种基于“9”字腔锁模的1 560 nm高重频飞秒光纤激光器，利用Semi-wdm和自主设计的双波片架等机械器件，搭建并实现347.4 MHz高重复频率脉冲序列输出，在2 100 mA 980 nm泵浦下实现锁模自启动。锁模激光中心波长为1 560 nm，光谱半高全宽度最宽为42 nm，激光脉宽最窄可以到58 fs，功率最高可到96.4 mW，单脉冲能量大于0.277 nJ。在光斑分析仪上测到，激光光斑圆度整体优于90%，具有优良的光束质量。输出的脉冲激光，偏振消光比大于25 dB。经测试，激光器具有良好的锁模自启动特性和稳定性，为以后在激光医疗、光学频率梳、成像等应用提供了可能。
关键词：激光器；锁模；高重复频率；锁模自启动
0引言
近几年随着超快激光技术的进步，高重频飞秒激光在很多领域得到了越来越广泛的应用。在激光医疗领域，由于飞秒激光脉宽窄、频谱宽的特性，在光路中引入啁啾装置和光学延迟线等器件，可搭建受激拉曼散射（SRS）显微成像系统，实现对生物活细胞中的脂类、蛋白质和核酸实现高分辨率成像而不借助于任何染色，这对脑外科医生在术中诊断以及提高肿瘤的切除效率都有着极大的积极意义[1-2]。在高重频飞秒激光成像方面，利用100 MHz 1 550 nm飞秒激光器和100 MHz 1 030 nm飞秒激光器搭建相干反斯托斯拉曼散射（CARS）双光梳成像系统，得益于双光梳较大的重频差，和在1 550 nm激光器中加入EO，并对EOM进行高频调制，大大提高了CARS信号的出现频率，很大程度上缩短了成像时间[3]。高重频飞秒激光除了在医疗[4-5]和成像[6]中的应用外，在微波产生方面也有着很广泛的应用。北京大学解晓鹏老师利用Menlo Systems商用的250 MHz 1 550 nm飞秒激光，并将激光器的梳齿锁定在NKT和OEwaves窄线宽激光器上，通过搭建4级联光学交织器（4 cascaded interleavers），在pd上产生了12 GHz的微波信号，信噪比在1 Hz处可以达到-47 dBc/Hz，50 kHz处可达到-170 dBc/Hz[7-8]。这种利用光学频率梳产生高信噪比微波信号的方法，也为后续微波的产生和研究提供了更多的可能。除此之外，飞秒激光在微纳加工[9]方面的应用也是非常广泛的。
锁模技术是超快脉冲激光产生的主要方式，而锁模方法主要有非线性偏振旋转（NPR）[10]、半导体可饱和吸收镜（SESAM）[11]和非线性放大环路反射镜（NA⁃LM）[12]。由于NPR和SESAM方式锁模的发展日渐成熟，其缺点也越来越明显，NPR锁模对外部环境极度敏感，而SESAM锁模器件寿命短。相对于前两者，NALM锁模技术具有结构简单、响应时间快、环境抗干扰能力强、容易获得窄脉冲、宽光谱等特点，近年来也受到了研究者的广泛关注，特别是在光学频率梳的应用上[13-16]。
利用NALM原理，可以构筑一个“8”字形锁模光纤激光器[17]（figure 8 laser，但在“8”字形激光器中，锁模不依赖于脉冲的瞬时偏振旋转，而依赖于光纤环路中的非线性相移和相向传播的光在分束器中的干涉效果，这样为了让激光器锁模，往往需要提高泵浦的功率或者增加腔内光纤的长度，以获得更大的非线性相移，但这不但增加成本，也让激光器无法实现高重复频率脉冲输出，这类激光器重复频率往往在100 MHz以下。虽然提高分束比可以降低锁模阈值，但也降低了环路的调制深度，使激光器容易工作在多脉冲的状态。为了解决“8”字腔难以锁模自启动的问题，人们开始研究另外一种方式去实现锁模。2017年，Menlo Systems公司在NALM锁模原理的基础上，在光纤环路中加入一个固定的相位偏置（相移器），这样大大降低了激光器的锁模阈值，而且腔不再是“8”字形，而是改为由一个环路反射镜和一个线性腔构成的“9”字形结构。这种“9”字形结构不但可以降低锁模的阈值，而且可以大幅缩短腔内光纤的长度，让激光器可以在高重频下运转，最终实现250 MHz的1 550 nm飞秒脉冲输出，而锁模阈值只需要280 mW[18]。2018年北京大学高婉丽[19]在“9”字腔的基础上，利用波分复用器、准直器、增益光纤集成封装的器件（semi-wdm），进一步缩短了整个腔长，最终在1.2 W 980 nm泵浦情况下实现257 MHz的1 550 nm脉冲输出。2021年国防科技大学（长沙）Qinghui Deng[20]将Semi-wdm（无源光纤）、相移器集成封装在“9”字腔中，腔内光纤采用全保偏的光纤，大大提高了锁模的稳定性，并实现201.14 MHz 1 550 nm脉冲输出。但由于腔内反射镜采用的是光纤结构，有很大的尾纤部分，还有基于保偏光纤熔接的长度限制，重频也难以继续提高。2024年，长春理工大学刘扬眉等[21]利用Semi-wdm将基于“9”字腔锁模的1 550 nm激光器重频提高到了280 MH，并实现锁模自启动。
为了进一步提高激光器的重复频率，必须在保证腔内增益光纤长度的同时，大幅缩短腔内空间器件的间距，以实现更短的腔长。本文利用自主设计的双波片架等机械器件和Semi-wdm等光学器件，搭建了基于“9”字腔锁模的1560nm光纤激光器，重复频率可以达到347.4 MH，在2 100 mW的980 nm泵浦中，实现锁模自启动，功率达到96.4 mW，脉宽最窄可以到58 fs，单脉冲能量大于0.277 nJ。光斑圆度整体达到90%以上，偏振消光比大于25 dB。研究结果对后续高重频飞秒光纤激光器的研究和光学频率梳等应用提供了一定的参考意义。
1实验装置及原理
激光器是基于“9”字腔锁模原理搭建的，其系统结构如图1所示，腔内的准直器用的是集成化封装的Semi-wdm，其功能是将波分复用（1 550/980）、增益光纤、准直器集成在一起，激光器的泵浦从Semi-wdm的反射端（reflect）输入，光纤是Hi1060，公共端（common）是增益光纤，腔内基本没有无源光纤，这种设计在保证腔内激光准直、耦合的同时，大大减少腔内无源光纤的使用，从而极大限度地缩短整个腔长。泵浦采用4个3S PHO⁃TONICS公司生产的750 mW 980 nm单模管子，尾纤是PM980光纤，因为Semi-wdm每端只有一个980 nm的泵浦入射口，所以需要将4个980 nm单模管子合束。合束器采用的是偏振合束器，输入光纤是PM980，与管子的尾纤一样，合束器输出光纤是Hi1060，这跟Semi-wdm器件泵浦端的光纤是一致的。4个750 mW的管子两两合束后，每端口可以到1.2 W左右的功率，满足实验中高重频激光器的功率启动需要。激光器使用的增益光纤为nLIGHT公司生产的Er80-8/128光纤，其芯径为9.5μm 1 550 nm波长，吸收浓度出厂实测为88 dB/m 1 530 nm波长，所以尽管腔内增益光纤只有500 mm附近，也能提供足够的增益，让激光器在347.4 MHz重频下锁模，腔内群速色散约为-11 700 fs2。激光器腔内的偏振分光棱镜（PBS）采用的是5 mm×5 mm×5 mm尺寸，在保证器件不会切光的同时，也有利于缩短激光器腔内的空间距离。PBS的偏振消光比为1 000∶1（30 dB），在保证了腔内激光具有很强偏振性外，也让输出激光具有很强的消光比。不同于1μm激光器，1.5μm激光器中使用的法拉第旋光器厚度只有1 mm左右，这也是1.5μm激光器可以具有很短腔长的原因。腔内反射镜采用（1 550±30）nm波段高反，其他波段高透的设计，入射角为0°。激光器腔内加入1 550 nm半波片1（HWP 1）和1550nm半波片2（HWP 2）目的是调节激光进入Semi-wdm光纤的偏振，让光从Semi-wdm 1准直器出来的光经过PBS 1后尽可能多地反射出去，而从Semi-wdm 2准直器出来的光经过PBS 1后尽可能透射出去，这两路光是互相垂直的。为了让激光器更容易锁模，在腔内加入一个λ/6波片，目的是引入固定的相位偏置，最大的相位偏移量为2π/3，在腔内起到了相位偏置非线性放大环形镜的作用，实现可饱和吸收效应。激光器输出端（PBS 2）加了一个1 550 nm空间隔离器，目的是让出射的1 550 nm激光经过后面器件后尽可能少地返回到腔里面，保证激光锁模的稳定。
激光器腔内，将Semi-wdm 1与Semi-wdm 2的增益光纤焊接在一起，与HWP1、HWP2、PBS 1构成了“9”字腔的环路部分，而法拉第旋光器（FR）、λ/6波片、PBS2、0°反射镜构成了“9”字腔的线性部分。如图2所示，λ/6波片快轴的放置与水平方向成45°夹角，所以经0°反射镜、PBS 2反射回来的P偏振光在λ/6波片中会分成互相垂直的两束偏振光，而且分别与λ/6波片的快轴和慢轴重合，产生π3的相移。两束偏振光经过法拉第旋光器后会旋转45°变成P偏振光和S偏振光，经过PBS 1分别耦合进Semi-wdm 2和Semi-wdm 1中，这两束光在光纤中分别顺时针传播和逆时针传播，然后再回到PBS 1合束，然后经过法拉第旋光器后继续旋转45°与λ/6波片的快慢轴平行，继续产生π3的相移，所以光在腔内一共产生了2π3的相移，最后在PBS 2处进行干涉和输出，PBS 2在这里起到2×2耦合器的作用。
为了将激光器腔长进一步缩短，除了腔内使用Semi-wdm器件做准直、耦合和提供腔内放大需要的增益外，本文还用了自主设计的机械器件，如图3所示，将法拉第旋光器和λ/6波片集成在一个双波片架上，器件与支架之间连接采用胶水的固定方式，波片可随意转动，这也为后续精准调整λ/6波片与水平方向的夹角提供可能。双波片架的每侧各有1个顶丝，用于固定刻度盘，防止机械件在一段时间后发生偏移，影响锁模。整个双波片架在通光方向长度仅仅只有7 mm，可极大限度地缩短激光腔空间部分距离。除了双波片架等设计外，本文中用到的单波片架，0°反射镜都是用12.7 mm通光尺寸的。
利用Semi-wdm与自主设计的双波片架等器件，最终搭建的激光器如图4所示，经测量，激光器空间部分距离（Semi-wdm 1准直器端面到Semi-wdm 2准直器端面）约为88 mm，而增益光纤部分长度约为500 mm。
2分析与讨论
通过精准调节λ/6波片，最终在2 100 mA 980 nm泵浦情况下，激光器实现了锁模，并且具有很好的自启动特性。经测试，激光器中心波长为1 560 nm，锁模光谱（线性光谱）如图5所示，激光器锁模后，可将泵浦功率降低，最低功率在1 500 mA也能够维持锁模状态，低于1 500 mA激光器则会掉锁模。在2 100 mA泵浦锁模情况下，输出光谱半高全宽度可达到42 nm附近，逐渐降低泵浦功率，输出光谱半高全宽度也会逐步变窄，在1 500 mA时候光谱缩窄到30 nm附近。
在自相关仪（NPE公司）上测量不同泵浦功率情况下激光器腔直接出来的脉冲脉宽如图6所示，随着泵浦的增大，脉宽也会进一步压缩，在2 100 mA时候可以达到58 fs，非常接近傅里叶变换极限。而且随着泵浦的增加，在自相关仪上并没有看到多脉冲的情况，也表明了此高重频激光器具有很好的单脉冲特性，为后续在光学频率梳等应用上提供可能。
图7给出了在不同泵浦功率下激光输出功率的变化趋势，基本是线性正相关的，也说明随着泵浦的增加，脉冲的能量也在不断增大。在2 100 mA泵浦情况下，可以达到96.4 mW，在频谱仪（RIGOL，DSG815）上测到重复频率为347.4 MHz（如图8所示），所以单脉冲能量可达到0.277 nJ。在1 550 mA情况下，激光器输出功率也达到34 mW，单脉冲能量0.098 nJ。
激光器锁模后，将腔内的波片通过波片架上的顶丝锁死，之后每次启动980 nm泵浦源，激光器都可以实现锁模自启动，而且每次功率输出大小恒定，这也是“9”字腔锁模的魅力所在，具有很强的锁模自启动特性，还有宽光谱、脉宽窄等优点。在光斑分析仪（DUMA OP⁃TRONICS，BeamOn VIS NIR）上，测到水平方向的圆度拟合大于91%，垂直方向圆度拟合大于94%，整体激光器激光光斑圆度优于90%（图9）。通过PBS，测到激光偏振消光比大于25dB，具有优良的光束质量。
3结束语
高重频飞秒激光在激光医疗、显微成像、微波产生、微纳加工等领域都有很重要的应用。本文基于“9”字腔锁模原理，利用Semi-wdm和自主设计的双波片架等机械器件，搭建了高重频的1 550 nm锁模光纤激光器，在2 100 mA 980 nm泵浦功率下可实现锁模自启动，锁模光谱中心波长为1 560 nm，光谱半高全宽度最宽可到42 nm。激光重复频率为347.4 MHz，脉宽最窄可到58 fs，最高功率达到96.4 mW，单脉冲能量大于0.277 nJ。在光斑分析仪上测量，激光光斑圆度整体优于90%，并通过PBS检验到激光偏振消光比大于25 dB，具有优良的光束质量。经反复测试，激光器具有很好的锁模自启动能力，而且每次启动后，输出功率恒定，非常适合光学频率等应用。
为了将激光器的重复频率继续提高，可将腔内的增益光纤换成全保偏的，可减少空间光路中半波片的使用，让整个结构更紧凑。除此之外，也可以使用更高浓度的增益光纤，在继续缩短激光器腔长的同时，高浓度增益光纤也可以提供足够的增益。
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“9”字腔锁模的1.5μm高重频飞秒光纤激光器论文
人参与 2024-12-26 09:43:14 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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