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976 nm类噪声锁模光纤激光器.pdf
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1、Vol.40 No.6Nov.2023第 40 卷 第 6 期2023 年 11 月深圳大学学报理工版Journal of Shenzhen University Science and Engineeringhttp:/【光电工程/Optoelectronic Engineering】976 nm类噪声锁模光纤激光器陈鸿毅1,王佳晨1,董繁龙1,2,於林鹏1,罗兴1,王金章1,闫培光1,吕启涛3,郭春雨1,阮双琛1,21)深圳大学物理与光电工程学院,深圳市激光工程重点实验室,广东深圳 518060;2)深圳技术大学先进光学精密制造技术广东省普通高校重点实验室,广东深圳 518118;3)大族
2、激光科技产业集团股份有限公司,广东深圳 518057摘 要:输出波长为976 nm的脉冲激光器在科研及工业领域具有重要应用利用非线性光纤环镜(nonlinear optical loop mirror,NOLM)搭建了“9”字型谐振腔,通过在环镜中加入长度为30 m的无源光纤,实现了类噪声脉冲(noise-like pulse,NLP)输出,丰富了976 nm波段的脉冲类型脉冲的重复频率为4.79 MHz,最大输出功率为13.35 mW,最大脉冲能量为2.79 nJ进一步研究该NLP在不同泵浦功率的脉冲特性变化,结果表明,脉冲能量以及脉冲宽度均随着泵浦功率的增大而增大,但是其自相关曲线中的相干
3、尖峰宽度随泵浦功率的增大而减小该研究为976 nm类噪声脉冲的产生提供一种简单经济的方案,在超连续谱产生以及类噪声脉冲动力学研究方面具有潜在应用价值关键词:光电子与激光技术;非线性光纤环镜;类噪声脉冲;锁模光纤激光器;976 nm激光器;自相关;“9”字腔中图分类号:TN248;O437 文献标志码:A DOI:10.3724/SP.J.1249.2023.06674976 nm noise-like pulse mode-locked fiber laserCHEN Hongyi 1,WANG Jiachen 1,DONG Fanlong 1,2,YU Linpeng 1,LUO Xing
4、1,WANG Jinzhang 1,YAN Peiguang 1,L Qitao 3,GUO Chunyu 1,and RUAN Shuangchen 1,21)College of Physics and Optoelectronic Engineering,Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,Guangdong Province,P.R.China2)Key Laboratory of Advanced Optical Precision Manufacturing
5、 Technology of Guangdong Higher Education Institutes,Shenzhen Technology University,Shenzhen 518118,Guangdong Province,P.R.China3)Hans Laser Technology Industry Group Co.Ltd.,Shenzhen 518057,Guangdong Province,P.R.ChinaAbstract:Pulse lasers with an output wavelength of 976 nm play an important role
6、in scientific research and industrial fields.Using a nonlinear optical loop mirror(NOLM),we build a 976 nm mode-locked fiber laser with a figure-9 resonant cavity.By adding a 30 m passive fiber to the loop mirror,the noise-like pulses(NLPs)with a repetition frequency of 4.79 MHz,a maximal average ou
7、tput power of 13.35 mW and corresponding pulse energy of 2.79 nJ,are achieved.Furthermore,the variation of the pulse characteristics at different pump powers is investigated.The pulse energy and pulse width both increase with increasing pump power,but the coherent peak Received:2023-02-20;Accepted:2
8、023-03-05;Online(CNKI):2023-03-28Foundation:National Key R&D Program of China(2022YFB3605800);National Natural Science Foundation of China(61975136,61935014,62105222,61775146,61905151,62275174,62105225);Basic and Applied Basic Research Foundation of Guangdong Province(2019A1515010699);Shenzhen Basic
9、 Research Foundation(JCYJ20210-324094400001,CJGJZD20200617103003009,GJHZ20210705141-801006)Corresponding author:Professor GUO Chunyu()Citation:CHEN Hongyi,WANG Jiachen,DONG Fanlong,et al.976 nm noise-like pulse mode-locked fiber laser J.Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2023,40(
10、6):674-680.(in Chinese)第 6 期陈鸿毅,等:976 nm类噪声锁模光纤激光器http:/width in the autocorrelation curve decreases with increasing pump power.The laser provides a simple and cost-effective solution for the generation of 976 nm noise-like pulses,which has potential application value in the generation of superconti
11、nuum spectrum and the study of noise-like pulse dynamics.Key words:optoelectronics and laser technology;nonlinear optical loop mirror;noise-like pulse;mode-locked fiber laser;976 nm laser;autocorrelation;figure-9 cavity光纤激光器具有光束质量高和结构紧凑等优点,在科研以及工业加工等领域具有重要应用价值波长为976 nm的高功率光纤激光器可作为掺镱或掺铒光纤的优质泵浦源,产生可见光
12、1、近红外2以及中红外3激光976 nm脉冲光纤激光器也可以通过非线性频率转换产生蓝光(480490 nm)以及紫外(240245 nm)激光,有望取代笨重的氩离子激光器或准分子激光器4,在水下通信与高精度加工领域具有潜在应用价值半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)作为目前应用最广泛的锁模器件,其调制深度、饱和通量以及非饱和损耗均可以通过结构设计进行调控OKHOTNIKOV 等5使用自制的SESAM首次实现了980 nm锁模光纤激光器,随后不断有基于SESAM锁模的976 nm光纤激光器的相关报道6-8为提升激光器的稳
13、定性,ALESHKINA等9在基于全保偏光纤的谐振腔中加入SESAM实现了首个全保偏的976 nm锁模光纤激光器976 nm锁模光纤激光器中也可以使用二维材料作为可饱和吸收体,如单壁碳纳米管(single-wall carbon nanotube,SWCNT)10、单 层 二 硫 化 钼(MoS2)11及层状结构二元碱金属磷化体(KP15)12,进而实现脉冲输出然而,上述真实可饱和吸收体具有损伤阈值低以及制作工艺复杂的缺点,基于非线性效应的类可饱和吸收体,可以有效解决这个问题LHERMITE等13基于非线性偏振演化(nonlinear polarization evolution,NPE)技术
14、,在 976 nm 处获得了耗散孤子(dissipative soliton,DS)输出,并通过腔外压缩将输出脉冲宽度压缩至286 fsLI等14也使用NPE技术开发了976 nm全光纤锁模激光器为了进一步提高锁模激光器的自启动性能,基于 NPE 以及SESAM的混合锁模技术进一步被应用于976 nm锁模光纤激光器中15-16相较于NPE技术,采用基于Sagnac 干涉仪的非线性光纤环镜(nonlinear optical loop mirror,NOLM)和非线性放大环镜(nonlinear amplified loop mirror,NALM)作为锁模器件的 976 nm激光器较少报道LI
15、等17在2018年报道了基于NALM锁模的“8”字腔光纤激光器,通过在腔内加入长度为165 m的无源光纤,获得了重复频率为1.14 MHz 的耗散孤子共振(dissipative soliton resonance,DSR)输出,并利用自行设计的脉冲啁啾系统研究了DSR脉冲中的啁啾分布相比于“8”字腔结构,“9”字腔中避免使用隔离器,使整个谐振腔结构更为紧凑一般通过在环镜中加入非互易性的相移器18,以提高基于NOLM或NALM锁模激光器的自启动性能目前尚未有基于“9”字腔结构976 nm锁模光纤激光器的公开报道976 nm位于Hi1060光纤的正色散区,较易产生 DS 和 DSR 型脉冲,而类
16、噪声脉冲(noise-like pulse,NLP)鲜有报道NLP是一系列超短脉冲组成的脉冲包络,具有脉冲能量高、光谱宽及相干性低的特点,在超连续谱产生、光纤传感及激光加工等方面具有广泛应用目前仅有LI等19在掺钕光纤激光器中,利用级联拉曼效应在980 nm处实现了NLP输出在掺镱光纤(ytterbium doped fiber,YDF)激光器中,利用下转换直接产生976 nm NLP激光尚处空白,值得深入研究本研究基于NOLM研制976 nm锁模光纤激光器激光器采用“9”字腔结构,将掺镱离子有源光纤置于“9”字腔的线型臂中,在环境中加入长度为30 m的Hi1060无源光纤,通过调整环内的偏振
17、态得到稳定的NLP输出,丰富了976 nm波段的脉冲类型在最大泵浦功率为300 mW时,激光最大平均输出功率为 13.35 mW,对应脉冲能量为2.79 nJ该激光器没有使用隔离器及相移器,结构简单紧凑,为976 nm NLP的产生提供一种经济实惠且操作简单的方案1实验装置基于NOLM的976 nm锁模光纤激光器结构如图1泵浦源采用商用的915 nm单模激光二极管(laser diode,LD),最大输出功率为300 mW泵浦光通过 1 个波分复用器(wavelength division multiplexer,WDM)注入到有源光纤中有源光纤为8 cm675第 40 卷深圳大学学报理工版h
18、ttp:/长的单模掺镱光纤(Coractive,Yb501),纤芯和包层直径分别为6 m 和125 m,数值孔径(numerical aperture,NA)为0.14,915 nm处的纤芯吸收系数约为150 dB/m有源光纤的长度选取需满足:能够为激光器提供足够的增益;需要尽可能短以减小镱离子对976 nm激光的重吸收有源光纤后熔接1个带宽为10 nm的带通滤波器(band pass filter,BPF),该BPF既可以滤除剩余泵浦光,也能有效抑制镱离子在1 030 nm附近的自发辐射将分光比为80/20的光学耦合器(optical coupler,OC)的同侧两端连接在一起构成NOLM,
19、作为激光器谐振腔的1个端镜,反射率约为63%,该NOLM的透射端作为激光器的输出端环内加入长度为 30 m 的Hi1060光纤,配合非对称的耦合比,有利于使环镜中相向传输的两路光获得足够的非线性相位差,从而实现非线性可饱和吸收环镜中还加入1个三桨式偏振控制器(polarization controller,PC),用于调节腔内激光的偏振态谐振腔的另一个端镜是刻写在 Hi1060 光纤上的光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG),其反射谱中心位于975.9 nm,带宽为0.82 nm,反射率为99.92%实验系统中除有源光纤外,其余光纤以及器件尾纤均为Hi1060光纤有源
20、光纤和Hi1060光纤在976 nm的群速度色散分别为25.3 ps2/km和27 ps2/km,腔内群延迟色散为1.15 ps2,该激光器工作在全正常色散区激光器的输出特性使用如下仪器表征:光谱仪(Yokogawa AQ6373)、示波器(Teledyne LeCroy SDA 820Zi-B,带宽为20 GHz)、射频谱分析仪(Rohde&Schwarz FSWP8)、光电探测器(EOT ET-5000F,带宽为12.5 GHz)、自相关仪(Femtochrome FR-103XL)及功率计(Thorlabs S130C)2实验结果与分析当泵浦功率超过30 mW时,系统输出连续激光(con
21、tinuous wave,CW)继续增加泵浦功率,直到泵浦功率大于240 mW时调整环内的PC,系统工作在稳定锁模(mode-locking,ML)状态此时再降低泵浦功率,系统依旧可以输出稳定锁模脉冲,当泵浦功率降至70 mW以下时,系统失锁以上现象符合NOLM锁模阈值相对较高且自启动性能较差的特点通过在环内加入非互易性相移器,为相向传输的两路光提供额外相位差,使得NOLM工作在饱和吸收区,更有利于系统的自启动输出激光功率随泵浦功率的变化曲线如图2可见,当系统从CW状态切换到ML状态时,输出功率会出现跳变,这是因为当系统工作于ML状态时,输出光谱宽度会有一定程度展宽,只有处于FBG带宽内的光谱
22、部分会被反射回谐振腔内,导致ML状态下输出功率的下降系统在锁模状态的最大输出功率为 13.35 mW,最小输出功率为2.42 mW输出功率随泵浦功率的增大线性增大,未观察到饱和现象激光器的最大输出功率受限于泵浦功率,若泵浦光的功率进一步提升时,激光器的最大输出功率可以继续增长图3为泵浦功率为300 mW时,系统的脉冲输出特性图3(a)中实线代表输出端光谱,虚线代表15129630050100150200250300?/mW?/mWCWML图图2输出功率随泵浦功率变化曲线Fig.2Output power as a function of pump power.915 nmLDWDMBPFYDF
23、 8 cmFBG99.9%OC?PCHi 106030 m80:20图图1基于NOLM的976 nm锁模光纤激光器结构Fig.1Experimental setup of 976 nm mode-locked fiber laser based on NOLM.676第 6 期陈鸿毅,等:976 nm类噪声锁模光纤激光器http:/FBG端测得的光谱可见,输出光谱中心波长为975.84 nm,谱宽为1.32 nm图3(a)中虚线的谷值与实线的峰值不是完全重合,系统输出的中心波长与FBG的中心波长(975.9 nm)相比有所偏移输出光谱宽度大于FBG的带宽(0.82 nm),这是因为腔内具有较强
24、的非线性,导致被FBG反射回谐振腔内的光谱发生展宽图3(b)为脉冲的自相关(autocorrelation,AC)曲线可见,曲线具有明显的双尺度结构,即在1个较宽的底座上有1个较窄的尖峰,这是NLP的典型特征AC曲线底座部分的两边沿陡峭,这是由于输出激光的脉宽超出了自相关仪的量程(200 ps)采用双曲正割函数对AC曲线的尖峰进行拟合,拟合曲线如图3(b)中虚线所示,计算得到尖峰的半高全宽(full width at half maximum,FWHM)约为6.32 ps,表明NLP包络中最窄的脉冲宽度约为6.32 ps由于腔内加入了较长的光纤(30 m),净群速度色散较大导致脉冲展宽,因此,
25、该尖峰宽度与其他波段报道的NLP尖峰宽度20-21(百飞秒)相比较宽尖峰高度与底座高度的比值可用来衡量输出脉冲的相干程度,比值越大,脉冲相干性越强22图3(c)为使用光电探测器配合示波器得到单个脉冲包络波形可见,脉冲包络的FWHM为313.76 ps,在300 mW的泵浦功率下,脉冲并未分裂图3(c)插图为1 s范围内的一串脉冲序列,脉冲等间距分布,间距约为208.96 ns,与谐振腔的基频吻合该脉冲序列的顶部平整没有明显的强度调制,表明系统锁模的稳定性较好图3(d)为输出脉冲的射频谱可见,输出激光的重复频率为4.79 MHz,与图3(c)中的脉冲间隔对应信噪比为 79 dB,与 NLP 锁模
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