新科技：基于SESAM的全光纤被动锁模光纤激光器

　　1 引言
　　超短脉冲激光由于具有高峰值功率、窄脉冲宽度、高重复频率等特点，已经成为激光技术的一个重要研究方向。如今，在工业精细加工、精密测量、生物、医疗、光通信、军事等各个领域，超短脉冲激光都发挥着无以替代的作用。以掺镱光纤为增益介质的锁模光纤激光器近年来发展迅猛，特别是进入20世纪80年代后期，随着光纤技术的快速发展，以及大功率半导体激光器(LD)技术的不断突破，锁模光纤激光器，以其转换效率高、散热性能好、结构紧凑等优点成为了激光技术研究和应用的热点之一。
　　锁模光纤激光器从技术层面主要分为主动锁模和被动锁模两种。主动锁模光纤激光器通常在腔内采用调制器件，这会产生腔体的附加损耗，由于调制器件多为非光纤元件，其引入难以实现全光纤化集成，制约了该技术的全光纤化发展；同时，主动锁模容易受到外界环境，诸如温度变化，机械振动，以及超模噪声，谐振腔内偏振态起伏等因素的影响，需要很多复杂的技术来提高系统的稳定性，结果是大大增加了系统的复杂性并提高了激光器的成本。反观被动锁模光纤激光器，由于结构简单、性能稳定、便于集成等优点受到国内外很多科研机构的广泛关注，并在通信、医学、加工、传感和探测等众多领域得到了越来越广泛的应用。
　　被动锁模光纤激光器主要通过采用非线性光学环形镜，非线性偏振旋转和基于半导体可饱和吸收镜等机制来实现。其中，基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）的被动锁模技术由于具有设计灵活、系统稳定、自启动等诸多优点，同时，半导体可饱和吸收镜在制备过程中可灵活控制调制深度、恢复时间、饱和通量等关键参数，并且根据需要可加工集成在光纤端头上，便于全光纤化，因此，该类型被动锁模光纤激光器在实际应用领域被广泛关注。
　　本文采用主振荡功率放大(MOPA)结构，利用基于半导体可饱和吸收镜的锁模光纤激光器作为种子源，通过三级放大实现了平均功率74.3W的被动锁模光纤激光器。实验中分析了种子源的不同状态，以及这些状态对放大级的影响，同时，通过重复频率倍增系统，在增加重频的同时，加之对放大级光纤长度的优化，减小了非线性效应对输出功率的影响。
　　2 实验方案
　　图1是实验结构示意图。整个激光器由五部分组成：被动锁模光纤种子源、预放大器、重复频率倍增系统、一级功率放大器、二级功率放大器。

　　该激光器的种子源是基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)线性腔结构的被动锁模光纤激光器。种子源结构示意图如图2所示。泵浦源为带尾纤的975nm半导体激光器，最大泵浦功率约550mW，其驱动源带有温控系统，可保证输出波长的稳定性为了防止泵浦源被回光损伤，在其末端熔接一个泵浦保护器。泵浦保护器的另一端与光纤布拉格光栅(FBG)熔接，泵浦光经光栅(FBG)注入谐振腔。该光栅(FBG)中心波长1063.4 nm，3dB带宽0.15nm，反射率95%，作为腔内的一个反射镜。光纤分束器OC一端连接光纤光栅，另一侧70%分光端连接增益光纤，用于将泵浦光耦合进增益光纤，30%端用于激光输出；增益光纤采用了2m长的高浓度单模掺镱光纤，其在976nm处的吸收系数为1200dB/m，该光纤的另一端与SESAM的尾纤连接，实现谐振腔的闭合。根据SESAM的特性，腔内的强激光脉冲经尾纤汇聚在SESAM上，由于其对强脉冲吸收率低，反射后沿原路返回进增益光纤，弱激光脉冲由于SESAM吸收而被抑制，如此多次循环，强脉冲不断被放大并最终输出高强度窄脉宽脉冲序列。实验中采用的是BATOP公司生产的吸收层为多量子阱结构的SESAM，高反区1010 ～ 1120nm，反射率大于40%，调制深度30%，饱和通量30μJ/cm2，非饱和吸收损耗15%，恢复时间为9 ps。OC输出端连接的偏振控制器是一个光纤型偏振控制器件，其作用是为了调节激光的偏振态；之后连接一段0.55m的掺镱光纤用于对多余的泵浦光进行吸收，末端连接的光纤隔离器(ISO)是防止放大级的回光损伤种子源。

　　预放大器的增益介质采用与种子源相同的高浓度单模掺镱光纤，长度2.5m。泵浦源同样采用550mW带尾纤的975nm半导体激光器。为了防止光路中反向光打坏泵浦源，在泵浦源后熔接泵浦保护器。泵浦光通过WDM耦合入增益光纤，对种子光进行放大。在预放大级末端熔接光纤隔离器，防止回光损伤光路。之后的重频倍增系统由分束器和无源光纤组成，其主要原理是通过精确计算脉冲间隔和延迟时间使得一个脉冲周期内的脉冲数量得以增加。
　　功率放大器分两级结构，一级功率放大器采用的是Nufern公司生产10/130双包层掺镱光纤，泵浦源采用OCLARO公司生产的一只25W，中心波长975nm的半导体激光器；通过(2+1)×1合束器耦合入增益光纤，光纤的输出端熔接大功率光纤隔离器。二级功率放大器采用的是Nufern公司生产25/250双包层掺镱光纤；为了提高功率，泵浦源采用了4只OCLARO公司生产的25W，中心波长975nm的半导体激光器，它们通过(6+1)×1光纤合束器耦合入增益光纤。增益光纤的末端熔接一段无源光纤，在熔接点出制作了泵浦倾泻装置，滤除未被吸收的多余的泵浦光；最终输出端切8°斜角输出。
　3 实验结果与分析
　　种子源的激光输出特性随着泵浦功率的增加会经历不同的状态。当泵浦功率未达到被动锁模的阈值时，激光器无脉冲输出，经实验观察，其一直处于连续波输出阶段；而当泵浦功率达到62.1mW阈值功率时，激光器瞬时进入稳定的连续锁模状态，幅值稳定无变化。经测量，其重复频率16.80MHz，中心波长1063.6nm，光谱宽度0.908nm 脉冲形状以及光谱形状如图3和图4所示。



　　随着泵浦功率的增加，当泵浦功率高于152mW时，光纤激光器会出现多脉冲调制现象，及谐波锁模，如图5所示。其具体表现为多个脉冲序列周期性的出现，但同一序列内的各脉冲幅值、脉宽各不相同，且相应的峰值不稳定；并且随着泵浦功率的不断升高，变化的不稳定性逐渐加剧，这种现象是锁模脉冲的极不稳定现象，是由半导体可饱和吸收镜被深度饱和所引起的；此时，如果减小泵浦功率，降至152mW以下，种子源又能实现稳定的锁模状态经实验研究，多脉冲调制现象对系统稳定性和后续的功率放大是极其不利的，种子源输出应避免这种状态。同时，实验发现，选用此腔型的种子源，从连续波状态到锁模状态的过程中，激光器无调Q不稳定现象出现，这一结构优势会极大地减少SESAM的损坏几率，提高种子源的稳定性。

　　图6为连续波锁模状态下种子源输出功率随泵浦功率变化的曲线图。从图中可以看出，当泵浦功率未达到100mW 时，输出功率随着泵浦功率增大的幅度越来越大，在曲线上表现为斜率逐渐增大这是由于低泵浦功率的条件下，锁模的模式随着泵浦功率的增大而逐渐增多，使得输出功率上升的速度加快。当泵浦功率大于100mW后，由于光纤光栅带宽的约束，激发出的锁模模式数不再增加，输出功率便会随泵浦功率的增加呈线性上升。最终当泵浦功率达到152mW时，种子源稳定的锁模脉冲输出功率为5.97mW，用自相关仪测得的脉冲宽度为7ps脉冲自相关轨迹如图7所示。




　在预放大级，输出功率随着泵浦功率的增大基本呈线性增加，当泵浦功率达到552mW 时，放大器实现最大平均功率173.4mW激光输出，其输出功率随泵浦功率的变化曲线如图8所示。之后，激光器连接重复频率倍增系统(f×4) ，将重复频率从16.8 MHz增加到68MHz，脉冲序列图如图9所示。经过该系统的输出功率为76.2mW。采用重复频率倍增系统可以有效的增加重复频率，降低光纤内激光峰值功率密度，减小甚至消除后级光纤放大中的非线性效应。
　　一级功率放大器采用10/130双包层掺镱光纤作为增益介质，输出功率曲线如图10所示。当泵浦功率增大到9.6W时，输出功率达到3.56W由于该放大级采用了双包层增益光纤，因此，通过光纤放大后，输出端的光纤包层中会残留有未被吸收的泵浦光，为了消除其影响，在输出端制作了包层倾泻装置；同时，输出光纤末端连接了光纤隔离器，作用是对放大级光路进行保护，防止回光损伤器件。




　　二级功率放大器采用了25/250双包层掺镱光纤，其输出功率随泵浦功率的变化曲线如图11所示。从图中可以看出，当泵浦功率较低时，输出功率随泵浦功率增加的速度会逐渐变大，即曲线斜率增大；当泵浦增大到一定范围时，输出功率随泵浦功率的增加呈线性增加状态。造成这种现象的出现是由于LD温度变化所引起。因为该放大级采用的泵浦源不带温控和波长稳定系统，因此，当泵浦功率较低时，LD 并没有工作在最佳波长附近，从而造成增益光纤对泵浦光的吸收效率偏低。但随着驱动电流的不断增大，泵浦功率不断升高，LD的工作温度也相应升高，输出波长逐渐向最佳吸收峰976nm逼近，泵浦光的吸收效率也不断增大，这就使得输出功率随泵浦功率增加的趋势加快。当泵浦功率增大到一定范围后，LD的波长便移动到976nm附近，此时，吸收效率基本保持不变，从而表现为输出功率变化曲线的斜率保持不变。

　　最终，当泵浦功率增大到98.9W时，得到最大输出功率74.3W，中心波长1063.4nm，重复频率68MHz的锁模激光输出。通过光谱仪、示波器测得的锁模脉冲的光谱图和脉冲波形如图12、13所示。从光谱图中可以看出，除了有少量未被吸收的泵浦光外(输出激光和泵浦光的峰值波长相差 27 dB)，输出光谱波形稳定良好，没有出现受激布里渊散射(SBS)受激拉曼散射(SRS)等非线性效应引起的其他波段的光谱。同时，从示波器上显示的脉冲波形状态也很稳定，重复频率并没有随着高泵浦功率放大而产生变化。但从图形中可以看出，脉冲波形的峰值有一定起伏，这主要是由于二级放大泵浦LD输出功率和输出波长的状态变化造成的。因为该放大级采用的泵浦LD没有波长锁定功能，LD的输出特性随着驱动电流的不断增大，输出波长对应的输出功率会产生非线性波动，这种变化必然会对激光脉冲的稳定性产生影响。此外，整个系统工作过程中一直暴露在开放的实验环境中，由于光路中的部分元器件对偏振有一定程度的依赖性，因此，外界环境，诸如振动、气流等因素的变化容易引起偏振态的变化， 进而也会对输出激光脉冲的峰值变化产生一定影响。所以，基于上述分析，若能将整个激光器系统处于相对密闭的工作环境中，并采用更加稳定的泵浦源进行泵浦，相信输出激光的脉冲波形将更加稳定。


　4 总 结
　　本文研究了MOPA结构的皮秒级锁模脉冲光纤激光器。整个系统的种子源是基于SESAM的自启动被动锁模掺镱光纤激光器，预放大器是采用高掺杂浓度单模掺镱光纤构建的光纤放大器，经过重复频率倍增系统和两级双包层掺镱光纤放大器，实现了平均功率74.3 W，中心波长1063.4 nm，重复频率68 MHz，脉冲脉宽7.0 ps的锁模脉冲激光输出实验中无受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性效应产生。激光输出的脉冲波形有一定波动，若能对种子源、增益光纤等器件采用密闭环境，同时采用更加稳定的LD进行泵浦，将会提高锁模脉冲的稳定性。