王思佳

被動鎖模光纖飛秒激光器具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、光束質(zhì)量好和穩(wěn)定性強(qiáng)等突出優(yōu)勢，在高精度距離測量及定時同步、精密光學(xué)頻率計(jì)量、高精高速材料加工、太赫茲產(chǎn)生、生物醫(yī)學(xué)成像、組織處理以及納米診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

飛秒激光脈沖在被動鎖模光纖激光器中的形成過程主要是增益、群速度色散和自相位調(diào)制三者的演變平衡過程?？娠柡臀阵w在其中起到啟動和穩(wěn)定鎖模的作用，目前最常用的是非線性偏振旋轉(zhuǎn)方式。在光纖激光器腔內(nèi)呈負(fù)色散的情況下，群速度色散與自相位調(diào)制效應(yīng)的平衡支持光孤子的產(chǎn)生，稱為孤子鎖模，是最早發(fā)展起來的光纖鎖模技術(shù)。然而，這種孤子鎖模光纖激光器一般情況下只能獲得脈沖能量幾十皮焦耳（pJ，10-12J）、脈沖寬度數(shù)百飛秒的激光脈沖，過高的能量會引入過大的非線性相位積累，破壞穩(wěn)定的鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。為提高光纖飛秒激光器的輸出指標(biāo)，獲得更高的脈沖能量和更短的脈沖寬度，在腔內(nèi)引入大小相同、符號相反的色散分布，使脈沖在腔內(nèi)周期性地展寬和壓縮的鎖模機(jī)制稱為呼吸孤子鎖?；蛏⒐芾砉伦渔i模。利用這種方式可以有效地降低腔內(nèi)脈沖峰值功率，將鎖模光纖激光器的輸出脈沖能量提高到納焦耳（nJ，10-9J）量級。但是，呼吸孤子脈沖能量的進(jìn)一步提高依然會引發(fā)脈沖分裂等不穩(wěn)定現(xiàn)象。帶有線性啁啾的拋物線形脈沖可以在正色散增益光纖中產(chǎn)生并自相似地放大而不發(fā)生分裂，從而支持更高能量的脈沖輸出，當(dāng)光纖激光器腔內(nèi)呈較大的凈正色散時，也可以在光纖激光器內(nèi)實(shí)現(xiàn)脈沖自相似演化，稱為自相似鎖模。由于自相似脈沖具有拋物線脈沖形狀和線性啁啾，可以承受更高的非線性擾動而不發(fā)生光波分裂，避免脈沖裂變，因此自相似鎖模方式可以將呼吸孤子鎖模光纖飛秒激光器輸出脈沖能量提高2個數(shù)量級，同時由于自相似脈沖只帶有線性啁啾，只需采用簡單的腔外色散補(bǔ)償就可以獲得高質(zhì)量的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖。除此之外，自相似鎖模光纖激光器的時間抖動小，噪聲小，非常適合光學(xué)頻率梳之類的精密科學(xué)研究。

鎖模光纖激光器腔內(nèi)的脈沖自相似演化最早是在一段正色散的長普通單模光纖中實(shí)現(xiàn)的，這種自相似鎖模激光器采用的增益光纖很短，使得脈沖放大過程中幾乎沒有色散和非線性作用，避免破壞單模光纖中的脈沖自相似演化過程，腔內(nèi)采用光柵對補(bǔ)償脈沖在單模光纖中自相似演化累積的啁啾，實(shí)現(xiàn)激光器自洽。但是在這種腔型結(jié)構(gòu)中光纖放大器的有限增益帶寬最終會破壞脈沖的自相似演化，從而限制輸出飛秒激光脈沖能量和脈沖寬度指標(biāo)的進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的另一類自相似鎖模光纖激光器其腔內(nèi)的脈沖自相似演化過程是在正色散的長增益光纖中完成的，并通過在負(fù)色散光纖中的孤子脈沖演化或引入窄帶頻譜濾波環(huán)節(jié)來平衡非線性相位積累和穩(wěn)定脈沖成形，實(shí)現(xiàn)激光器自洽。其中，第一種自相似-孤子鎖模方式中，脈沖能量放大和光譜展寬最終受限于負(fù)色散光纖中的脈沖孤子裂變；而第二種耗散自相似鎖模方式，通常采用衍射光柵結(jié)合光纖準(zhǔn)直器形成高斯形窄帶濾波器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈的光譜濾波以完成增益光纖中的脈沖自相似放大演化，這種腔型結(jié)構(gòu)不僅引入了過多的空間分立元件，占用空間大、光路調(diào)節(jié)困難、喪失了光纖激光器最重要的緊湊性和易操作優(yōu)勢，而且這種直接采用附加頻譜濾波裝置窄化放大脈沖光譜的方式，損失了大部分的腔內(nèi)脈沖能量，不利于高能量和窄脈寬的飛秒激光脈沖輸出。
       本設(shè)計(jì)提出一種基于光譜壓縮放大的自相似鎖模光纖飛秒激光器。該激光器利用負(fù)啁啾脈沖在正色散增益光纖中放大過程中的自相位調(diào)制效應(yīng)壓縮光譜，形成窄帶的無啁啾皮秒脈沖再注入到普通單模光纖中完成自相似演化，直接輸出寬帶的線性正啁啾拋物線脈沖，去啁啾后可獲得高能量的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖。不同于現(xiàn)有技術(shù)，本設(shè)計(jì)中腔內(nèi)激光脈沖的非線性相位平衡過程并不依賴于附加分立元件的強(qiáng)制光譜濾波，而是利用增益光纖的自相位調(diào)制作用感應(yīng)的正頻率啁啾平衡初始負(fù)啁啾，在放大脈沖能量的同時實(shí)現(xiàn)光譜壓縮，極大地降低了腔內(nèi)脈沖能量損耗，提高了激光器的效率，有利于獲得高能量的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖；由光譜壓縮放大帶來脈沖光譜能量密度的提升，極大地增加了脈沖在單模光纖中獲得的光譜展寬，同時由于在增益光纖中脈沖光譜不斷窄化，遠(yuǎn)小于放大器增益帶寬，從而有效避免了增益整形的擾動，有利于實(shí)現(xiàn)超出增益帶寬的自相似鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得窄脈寬的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖；由于不需要采用空間分立元件實(shí)現(xiàn)窄帶濾波，該激光器還具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單的特點(diǎn)。

       本發(fā)明飛秒激光器利用負(fù)啁啾脈沖在正色散增益光纖中放大過程中的自相位調(diào)制效應(yīng)感應(yīng)正頻率啁啾以平衡初始負(fù)啁啾，使得負(fù)啁啾脈沖的長、短波部分脈沖能量重新分布，不斷向中心波長附近集中，在放大負(fù)啁啾脈沖能量的同時實(shí)現(xiàn)光譜非線性壓縮，形成窄帶的高峰值功率的無啁啾皮秒脈沖再注入到單模光纖，利用單模光纖的自相位調(diào)制和正群速度色散完成自相似演化和光譜展寬，直接輸出寬帶的線性啁啾拋物線脈沖，去啁啾后可獲得高能量、窄脈寬的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖。
       本設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)環(huán)形激光腔結(jié)構(gòu)。包括光纖耦合輸出激光二極管1、波分復(fù)用耦合器2、摻鐿單模光纖3、光纖頻譜濾波器4、單模光纖5、第一光纖準(zhǔn)直器6、第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、偏振分光棱鏡9、第一45°反射鏡10、第二二分之一波片11；第一光柵12、第二光柵13、爬高鏡14、第二四分之一波片15、第二光纖準(zhǔn)直器16、光纖隔離器17和第二45°反射鏡18。

圖1 基于光譜壓縮放大的自相似鎖模光纖飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖

 光纖耦合輸出激光二極管1作為飛秒激光器的泵浦光源，輸出980 nm連續(xù)泵浦光經(jīng)由波分復(fù)用耦合器2的泵浦端耦合入摻鐿單模光纖3產(chǎn)生激光，波分復(fù)用耦合器2的輸出端直接與摻鐿單模光纖3熔接。摻鐿單模光纖3作為所述飛秒激光器的增益介質(zhì)放大負(fù)啁啾脈沖，利用摻鐿單模光纖3的自相位調(diào)制作用感應(yīng)正頻率啁啾以平衡初始負(fù)啁啾，形成無啁啾的高峰值功率~10 kW皮秒脈沖，脈沖時域強(qiáng)度曲線和相位曲線分別如圖2（a）中19和20所示，使得負(fù)啁啾脈沖的長、短波部分脈沖能量重新分布，不斷向中心波長附近集中，在放大負(fù)啁啾脈沖能量的同時實(shí)現(xiàn)負(fù)啁啾脈沖光譜非線性壓縮，形成窄帶2nm~3nm的無啁啾皮秒脈沖，光譜強(qiáng)度曲線如圖2（b）中21所示，在摻鐿單模光纖后形成窄帶的高峰值功率的無啁啾皮秒脈沖。

圖2激光器摻鐿單模光纖后形成的窄帶無啁啾皮秒脈沖

 摻鐿單模光纖3的輸出端直接與光纖頻譜濾波器4熔接，該濾波器的帶寬為3nm~5nm，由此消除負(fù)啁啾脈沖在摻鐿單模光纖3中進(jìn)行非線性光譜壓縮后殘余的低功率光譜旁瓣。光纖頻譜濾波器4后面熔接有單模光纖5，使得窄帶高峰值功率無啁啾皮秒脈沖在單模光纖5的自相位調(diào)制和正群速度色散的共同作用下完成自相似演化和光譜展寬。單模光纖5后輸出的脈沖時域強(qiáng)度曲線如圖4中22所示，擬合的拋物線形脈沖強(qiáng)度曲線23與曲線22的一致性，說明脈沖在單模光纖5中完成了自相似演化形成拋物線脈沖。由于自相似演化初期脈沖的峰值功率高，在單模光纖5自相位調(diào)制作用下的光譜展寬量大，生成的拋物線脈沖具有寬帶50nm~60nm光譜，如圖3（b）中光譜強(qiáng)度曲線24所示。

 單模光纖5之后熔接有第一光纖準(zhǔn)直器6，將寬帶線性啁啾拋物線脈沖從單模光纖5中耦合輸出至空間，依次經(jīng)過第一四分之一波片7和第一二分之一波片8，將寬帶線性啁啾拋物線脈沖的偏振態(tài)從橢圓偏振光調(diào)整為線性偏振光，而后通過偏振分光棱鏡9分為兩部分。第一四分之一波片7和第一二分之一波片8固定在可旋轉(zhuǎn)調(diào)整架上，偏振分光棱鏡9固定在水平棱鏡架上。寬帶線性啁啾拋物線脈沖的一部分通過偏振分光棱鏡9反射端直接輸出，通過旋轉(zhuǎn)第一四分之一波片7和第一二分之一波片8可以調(diào)整該輸出耦合比率，在激光腔外采用光柵對補(bǔ)償直接輸出的寬帶拋物線脈沖的線性正啁啾，可以獲得脈沖寬度<>

本設(shè)計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)利用增益光纖的自相位調(diào)制作用感應(yīng)正頻率啁啾平衡初始負(fù)啁啾，在放大激光脈沖能量的同時進(jìn)行光譜壓縮，以此實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)脈沖的非線性相位平衡，穩(wěn)定自相似脈沖成形，不同于傳統(tǒng)自相似鎖模激光器，本設(shè)計(jì)不依賴于附加分立元件的強(qiáng)制光譜濾波，極大地降低了腔內(nèi)脈沖能量損耗，提高了激光器效率，可以直接從光纖鎖模激光器輸出高能量（>10nJ）的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖；
 (2)利用負(fù)啁啾脈沖在增益光纖中的光譜壓縮放大過程可以大大提升腔內(nèi)脈沖的光譜能量密度，由此極大地增加了普通單模光纖自相位調(diào)制作用下的脈沖光譜展寬；同時在增益光纖中脈沖光譜不斷窄化，使得脈沖光譜寬度遠(yuǎn)小于放大器增益帶寬，從而有效避免了增益整形對腔內(nèi)脈沖演化的擾動，因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)超出增益帶寬的自相似鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得窄脈寬（<>
 (3)    相比于現(xiàn)有自相似鎖模激光器，本設(shè)計(jì)不需要附加空間分立元件進(jìn)行窄帶濾波來實(shí)現(xiàn)激光器自洽，結(jié)構(gòu)緊湊，光路簡單，操作方便，工作穩(wěn)定。

本設(shè)計(jì)從摻Y(jié)b3+光纖中的自相似脈沖放大動力學(xué)過程和噪聲耦合物理機(jī)制出發(fā)，提出一種基于光譜壓縮放大的新型自相似鎖模光纖飛秒激光源。該激光器利用負(fù)啁啾脈沖在正色散增益光纖中放大過程中的自相位調(diào)制效應(yīng)壓縮光譜，形成窄帶的無啁啾皮秒脈沖再注入到普通單模光纖中完成自相似演化，直接輸出寬帶的線性正啁啾拋物線脈沖，去啁啾后可獲得高能量的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖。本設(shè)計(jì)不僅繼承了自相似鎖模傳統(tǒng)優(yōu)勢，而且可以突破光纖飛秒激光器發(fā)展的技術(shù)瓶頸，是具有高平均功率、窄脈沖寬度、低噪聲輸出的高性能飛秒激光源，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，在高精度大尺度距離測量及定時同步、精密光學(xué)計(jì)量、高精高速加工、太赫茲產(chǎn)生等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。