鎖模光纖激光器是工業(yè)、科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中許多光學(xué)系統(tǒng)的基本器件。 迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了1-2 μm的鎖模光纖激光器； 然而，在可見光區(qū)（380-760 nm）被動鎖模光纖激光器從未有過報道。 在此，鄒金海等人 提出并實現(xiàn)了一種波長為 635 nm的可見光被動鎖模全光纖激光器。 首先，通過求解金茲堡-朗道方程，研究人員 從理論上預(yù)測和分析了工作在耗散孤子共振區(qū)的635 nm被動鎖模氟化物 光纖激光器的脈沖形成和演化。 然后，在全光纖“8”字腔中，采用 Pr 3+ /Yb 3+共摻氟化物光纖作為可見光增益介質(zhì)以及非線性放大環(huán)鏡作為鎖模元件，實現(xiàn)了 中心波 長約為635 nm的矩形耗散孤子共振脈沖的穩(wěn)定產(chǎn)生， 它 具有超窄的光譜帶寬（< 0.1 nm）、可調(diào)脈沖持續(xù)時間為96-1298 ps、 信噪比為67 dB及重復(fù)頻率為 3.8713 MHz。 此外，通過調(diào)整腔內(nèi)偏振狀態(tài)，研究人員還觀察到波長為635 nm的 類噪聲脈沖運轉(zhuǎn)， 具有590-1434 ps脈沖持續(xù)時間和寬 調(diào)制光譜（> 1 nm） 的635 nm類噪聲脈沖 。 這項工作代表了一種重要的可見光譜范圍內(nèi)的超快激光器 ，在激光材料加工、可見光通信和通過 倍頻直接產(chǎn) 生超快紫外方面有著多種潛在應(yīng)用。 該工作發(fā)表在 Light: Science & Applications 上。

Jin-Hai Zou, Chu-Chu Dong, Hong-Jian Wang, Tuan-Jie Du, Zheng-Qian Luo. Towards visible-wavelength passively mode-locked lasers in all-fibre format, Light: Science & Applications 9(1): 1-10 (2020).

超短脈沖鎖模光纖激光器具有魯棒、緊湊及優(yōu)良光束質(zhì)量的優(yōu)點，在材料加工、醫(yī)學(xué)、光譜學(xué)、光通信和科學(xué)研究等應(yīng)用中引起了極大的興趣。近幾十年來，工作在近紅外和中紅外光譜區(qū)的超快光纖激光器得到了很好的發(fā)展，但可見光譜區(qū)（380-760 nm）的超快激光源仍然嚴(yán)重依賴摻鈦藍寶石鎖模振蕩器和光學(xué)參量放大系統(tǒng)（或近紅外超快激光器的倍頻），其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。為此，研究人員希望有一種替代的超快可見光激光解決方案，它緊湊、成本低、用戶友好且無需維護。研究發(fā)現(xiàn)，全光纖形式的被動鎖模滿足所有這些要求，因此，在可見光區(qū)發(fā)展被動鎖模光纖激光器具有很強的研究動機。過去的二十年里，可見光被動鎖模光纖激光器的研究進展甚微。主要挑戰(zhàn)如下：(1) 低損耗可見光增益光纖的制造相對困難，幾乎所有含氟玻璃基質(zhì)材料的可見光增益光纖都不能與其他光纖低損耗熔接，因而阻礙了可見光全光纖；(2) 缺少與光纖兼容的可見光鎖模器（如可見光可飽和吸收體）；(3) 可見波長光纖組件（光纖隔離器、波分復(fù)用器、耦合器、高功率泵浦源等）都不成熟，在一定程度上制約了全光纖可見光激光器的實現(xiàn)；(4) 光纖腔在可見波長下的超大正常色散大大增加了被動鎖模的難度。近年來，低損耗軟玻璃光纖（如氟化物光纖）和高功率藍色激光二極管的快速發(fā)展，使得摻稀土（如Pr3+和Ho3+）的氟化物光纖可以在可見光范圍內(nèi)提供高性能光學(xué)增益。與此同時，在可見光波長無源光纖組件和基于納米材料（石墨烯、過渡族金屬硫化物和碳納米管）的可見光可飽和吸收體 方面也取得了快速進展。特別是，研究人員提出了一種新的工作機制——耗散孤子共振，以克服在大的法向色散光纖腔中被動鎖模的困難。基于耗散孤子共振機制，研究人員在1.55 μm的正色散鉺鐿共摻光纖激光器中，實現(xiàn)了約10 μJ的高能耗散孤子共振脈沖并在927 nm短波長下獲得了強正色散摻釹鎖模光纖激光器。此外，如果能很好地將耗散孤子共振機制與上述可見區(qū)域的進展結(jié)合起來，那么可見波長被動鎖模光纖激光器就有望取得突破 。

01

理論研究

635 nm被動鎖模光纖激光器的數(shù)值模型與實驗結(jié)構(gòu)一致。Pr3+/Yb3+共摻氟化物光纖提供635 nm附近的可見光增益，鎖模元件是一個非線性放大環(huán)形鏡，它會引起周期性的飽和吸收效應(yīng)。光纖激光器中的635 nm脈沖傳播可以由標(biāo)量復(fù)三次-五次金茲堡-朗道方程控制并通過標(biāo)準(zhǔn)分步傅里葉方法進行數(shù)值求解，該模擬以1 ps高斯脈沖作為初始脈沖開始并且期望該脈沖可以在穩(wěn)定鎖模中快速收斂到穩(wěn)定解。如圖1所示，研究人員模擬了635 nm鎖模脈沖在耗散孤子共振區(qū)域的形成和演化。隨著往返次數(shù)的增加，初始脈沖迅速收斂并在空腔中形成穩(wěn)定的脈沖（圖1a）。由于群速度色散效應(yīng)、自相位調(diào)制和峰值功率箝位效應(yīng)，脈沖幅度先增大后保持不變。相應(yīng)的光譜演變，如圖1b所示。隨著往返次數(shù)的增加，光譜變窄，光譜帶寬的變化趨勢與脈沖寬度的變化趨勢相反。最后，即使往返次數(shù)進一步增加，脈沖、光譜和峰值功率都達到穩(wěn)態(tài)，表明可以建立635 nm的穩(wěn)定鎖模。圖1c描繪了635 nm鎖模脈沖輪廓（實線）和相應(yīng)頻率啁啾（虛線）隨小信號增益系數(shù)的變化。隨著小信號增益系數(shù)的增加（相當(dāng)于增加泵浦功率），脈沖持續(xù)時間線性變寬，脈沖幅度保持不變。脈沖沿其分布具有兩種不同的啁啾特征（圖1c）。一個是穿過中心區(qū)域的低線性啁啾，另一個是在脈沖的兩個邊緣的大的非線性啁啾。圖1d顯示了635 nm鎖模脈沖的相應(yīng)光譜。這些光譜在635 nm附近顯示出超窄的光譜帶寬（< 0.1 nm）以及具有陡峭邊緣的三角形輪廓。當(dāng)小信號增益系數(shù)增加時，三角形光譜邊緣保持不變而新生成的光譜部分將覆蓋光譜并形成峰。圖1c,d的模擬結(jié)果表明，635 nm鎖模脈沖具有恒定的振幅、線性展寬的脈沖持續(xù)時間和窄的光譜峰輪廓以及陡峭的邊緣，這是耗散孤子共振區(qū)的典型特征。

圖1 數(shù)值模擬結(jié)果：小信號增益系數(shù)為1.6m-1、調(diào)制深度為0.6、飽和功率為5.5 W、光纖環(huán)路長度為47 m。a、脈沖演化；b、最佳光譜演化；c、不同小信號增益系數(shù)下的脈沖時間輪廓（實線）和頻率啁啾（虛線）；d、光譜（插圖：線性范圍內(nèi)的光譜）；e、不同峰值功率下的脈沖時間分布。f、在不同調(diào)制深度下的脈沖時間分布；g、不同光纖環(huán)路長度下的脈沖持續(xù)時間；h、不同光纖環(huán)路長度下脈沖能量與小信號增益系數(shù)的關(guān)系。

眾所周知，非線性放大環(huán)形鏡鎖模源自對向傳播光場的非線性干涉，其飽和功率和調(diào)制深度取決于最優(yōu)耦合器的分光比和光纖環(huán)路長度。例如，通過將光纖環(huán)路長度從7 m逐漸更改到87 m，可以飽和功率將從52.8 W變化到2.7 W。隨后，為了優(yōu)化設(shè)計在635 nm被動鎖模光纖激光器上的實驗，有必要模擬非線性放大環(huán)形鏡特性對耗散孤子共振鎖模性能的影響。隨著飽和功率增加，耗散孤子共振脈沖持續(xù)時間減少（圖1e）而脈沖峰值功率增加并且光譜變寬。如圖1f所示，調(diào)制深度越大，可以支持的脈沖持續(xù)時間越寬且在耗散孤子共振狀態(tài)下可以獲得的峰值功率越高。此外，隨著光纖環(huán)路長度的增加（意味著更大的非線性累積和更低的非線性放大環(huán)形鏡飽和功率），從圖1g可以看出，耗散孤子共振鎖模閾值首先急劇下降，然后保持不變（當(dāng)L> 47 m時）而脈沖持續(xù)時間顯著變寬。如圖1h所示，脈沖能量和斜率轉(zhuǎn)換效率隨著光纖環(huán)路長度而逐漸增加。應(yīng)該指出的是，一旦光纖環(huán)路長度固定，由于周期性可飽和吸收引起的峰值功率箝位效應(yīng)，脈沖峰值功率總是保持恒定。根據(jù)圖1中的數(shù)值結(jié)果，考慮到低閾值鎖模和高性能輸出，耦合器的分光比和非線性放大環(huán)形鏡光纖環(huán)路長度應(yīng)分別設(shè)計為50：50和 ~47 m。

02

實驗研究

根據(jù)數(shù)值模擬，研究人員設(shè)計并進一步提出了一個635 nm被動鎖模全光纖激光器的實驗研究。圖2a,b分別描繪了實驗裝置示意圖和相應(yīng)的照片。激光腔以“8”字形結(jié)構(gòu)構(gòu)建，包括非線性放大環(huán)形鏡和單向環(huán)。非線性放大環(huán)形鏡充當(dāng)鎖模元件，由635/850 nm波分復(fù)用器、3 m Pr3+/Yb3+共摻氟化物光纖、同軸光纖偏振控制器和約40 m的HP 460光纖組成。Pr3+/Yb3+共摻氟化物光纖具有以下參數(shù)：850 nm處，吸收系數(shù)約為4.0 dB/m，數(shù)值孔徑為0.23，芯/包層直徑為2.8/125 μm。一個帶有單模光纖尾纖的850 nm激光二極管通過635/850 nm波分復(fù)用器后泵浦氟化物光纖，通過Pr3+和Yb3+離子之間的協(xié)同能量轉(zhuǎn)移提供約635 nm的強上轉(zhuǎn)換增益，其激發(fā)途徑如下：(1) Yb3+的2F5/2能級被850 nm泵浦的基態(tài)吸收激發(fā)；(2) 從Yb3+的2F5/2能級到Pr3+的1G4能級發(fā)生電子轉(zhuǎn)移；(3) Pr3+離子然后被激發(fā)到3P0能級，這可以通過3P0→3H6在大約635 nm處產(chǎn)生強發(fā)射。單向環(huán)包括一個約635 nm的10：90輸出光耦合器、一個嵌入的光纖偏振控制器和一個635 nm光纖光隔離器。 50：50光纖耦合器連接非線性放大環(huán)形鏡和被動單向環(huán)。選擇50：50光纖耦合器和40 m長的HP 460光纖，其在635 nm處具有高非線性和大的法向色散，以確保非線性放大環(huán)形鏡的大調(diào)制深度和低飽和功率，這有助于耗散孤子共振鎖模的形成。實驗中，空腔往返長度約為53 m，在強正色散區(qū)，空腔凈色散估計約為3.1 ps2。此外，研究人員制作了Pr/Yb共摻氟化物光纖的跳線并通過光纖適配器將其高效連接到單模硅酸鹽光纖（如HP 460光纖），確保了緊湊的全光纖腔。輸出光譜由350-1750 nm光譜分析儀（Ando AQ-6315E）測量；可見光鎖模激光器的時間特性由12.5 GHz光電探測器（ET-4000F，Electro-Optics Technology, Inc.）以及40 GSa/s、12 GHz帶寬的高速數(shù)字存儲示波器（Agilent Infiniium DSO81204A）或電子光譜分析儀記錄。

圖2 可見光被動鎖模光纖激光器的實驗裝置。a、裝置示意圖；b、635 nm耗散孤子共振鎖模光纖激光器的照片。

實驗中，連續(xù)波紅色激光的閾值是58 mW。當(dāng)泵浦功率超過68 mW時，研究人員觀察到穩(wěn)定的鎖模。泵浦功率為93 mW時，紅光鎖模脈沖的輸出特性，如圖3所示?？梢钥闯觯i模光譜的中心波長為635.04 nm，3-dB寬約為0.07 nm，在三角形基座輪廓上顯示出窄的光譜峰（類似于圖1d中的數(shù)值模擬）。圖3b給出了典型的脈沖序列，其間隔約為258.3 ns，與空腔往返時間（對應(yīng)于約53 m的空腔長度）匹配，輸出脈沖具有均勻的強度（圖3b的插圖），表明鎖模紅色激光器非常穩(wěn)定。圖3c展示了單脈沖包絡(luò)，如果使用超高斯擬合，脈沖具有平頂矩形輪廓和567 ps脈沖持續(xù)時間。值得注意的是，在68 mW的泵浦功率下，研究人員觀察到最小脈沖持續(xù)時間為96 ps（圖3c插圖）。此外，如圖3d所示，以10 Hz分辨率帶寬記錄的輸出頻譜具有3.8713 MHz的基頻和66.9 dB的高信噪比。圖3的插圖顯示了100 MHz跨度的頻譜調(diào)制，進一步表明了635 nm可見光光纖激光器的穩(wěn)定連續(xù)波鎖模運轉(zhuǎn)。

圖3 泵浦功率為93 mW時635 nm鎖模激光器的特性。a、鎖模運轉(zhuǎn)的輸出光譜。b、 脈沖序列的典型示波器軌跡。c、單脈沖包絡(luò)（插圖：68 mW泵浦功率下的單脈沖包絡(luò)）。d、基頻頻譜（插圖：寬帶頻譜（100 MHz跨度））。

為了更好地理解635 nm鎖模運轉(zhuǎn)，研究人員進一步研究了紅色鎖模光纖激光器的典型輸出特性。圖4a顯示了單脈沖隨泵浦功率的變化?？梢钥吹?，隨著泵浦功率的增加，脈沖持續(xù)時間逐漸增加，呈現(xiàn)出典型的耗散孤子共振區(qū)域的特征。相應(yīng)的光譜在圖4b中給出并且三角形基座輪廓上的窄峰變得更強和更尖銳?？梢钥吹?，圖4a,b中的實驗結(jié)果與圖1c,d中的數(shù)值結(jié)果非常一致，進一步表明635 nm鎖模激光器工作在耗散孤子共振區(qū)。圖4c記錄了不同泵浦功率下寬范圍（6 GHz）的寬帶頻譜。在頻譜中，可以清楚地觀察到周期性調(diào)制包絡(luò)（與脈沖持續(xù)時間有關(guān)）。隨著泵浦功率從90 mW增加到104 mW，射頻調(diào)制周期從~1.83 GHz減少到~1.20 GHz，脈沖持續(xù)時間相應(yīng)地從~550 ps增加到~830 ps（圖4a），這與耗散孤子共振理論一致。為了評估635 nm耗散孤子共振鎖模全光纖激光器的工作穩(wěn)定性，研究人員在93 mW的泵浦功率下，每10分鐘記錄一次光譜和頻譜。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，基頻處射頻強度的均方根值可估計為約0.209 dBm（僅對應(yīng)于約0.4%的相對射頻強度波動），這意味著脈沖運行穩(wěn)定。此外，如圖4d所示，激光輸出的中心波長沒有漂移，3-dB帶寬在2小時測試期間也沒有變化，這說明了極好的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。圖4e是平均輸出功率和脈沖能量與泵功率的函數(shù)關(guān)系。平均功率和脈沖能量線性增加，沒有任何飽和。實驗中，研究人員獲得了1.35 mW的最大輸出功率并且在122.9 mW的泵浦功率下，脈沖能量被計算為0.35 nJ。脈沖持續(xù)時間和峰值功率作為泵功率的函數(shù)繪制在圖4f中。隨著泵浦功率從68 mW增加到122.9 mW，脈沖持續(xù)時間從96 ps線性展寬到1298 ps而峰值功率最初略有增加，然后保持不變。

圖4 635 nm耗散孤子共振區(qū)域的特征。a、泵功率增加時的單脈沖包絡(luò)；b、光譜對泵浦功率的對數(shù)標(biāo)度；c、在大跨度（6 GHz）范圍內(nèi)，泵浦功率為90 mW至104 mW的頻譜；d、在93 mW泵浦功率下，耗散孤子共振運轉(zhuǎn)的光譜穩(wěn)定性測量；e、平均輸出功率和脈沖能量與泵功率的關(guān)系；f、作為泵功率函數(shù)的脈沖持續(xù)時間和峰值功率。

實驗中，研究人員試圖使用簡單的可見光光柵對（GR25-1208），但是僅獲得了從703 ps到626 ps的輕微壓縮，可能受到這種耗散孤子共振脈沖的大非線性啁啾的限制（圖1c）。通過專門設(shè)計非線性可見光柵，可以預(yù)期更高的壓縮比。此外，使用自制的Pr3+/Yb3+共摻氟化物光纖放大器放大了持續(xù)時間約為567 ps、平均功率為0.4 mW的635 nm耗散孤子共振激光器，研究人員獲得了最大平均功率為5.1 mW、脈沖能量為1.32 nJ及峰值功率為約2.3 W的放大激光輸出，顯示了這種635 nm鎖模脈沖的全光纖放大潛力。

類噪聲脈沖由許多低時間相干性的混沌子脈沖組成，是635 nm被動鎖?！?”字形光纖激光器的另一種典型工作狀態(tài)。實驗中，通過改變偏振態(tài)和調(diào)整泵浦功率，研究人員也可以觀察到類似噪聲的鎖模脈沖。圖5顯示了類噪聲脈沖的典型特征。如圖5a所示，盡管隨著泵浦功率的增加，類噪聲脈沖的演化具有與圖4a中的耗散孤子共振脈沖相似的特征（即恒定的振幅和脈沖展寬）而635 nm的非線性光學(xué)脈沖在矩形脈沖的頂部非?；靵y，與耗散孤子共振脈沖的穩(wěn)定頂部完全不同。圖5b給出了635 nm光纖激光器在不同工作狀態(tài)下的輸出光譜?？梢钥吹?，在連續(xù)波工作下，光譜（綠色）比較寬，由一些不規(guī)則的峰組成；在耗散孤子共振鎖模運轉(zhuǎn)下，光譜（紅色）變得非常平滑并且具有窄的帶寬（< 0.1 nm）光譜，具有典型的陡峭邊緣；在類噪聲脈沖鎖模運轉(zhuǎn)下，光譜（藍色）明顯更寬并且隨著泵浦功率的增加具有增加的光譜帶寬，這是類噪聲脈沖的典型光譜特性。隨著時間的推移，在類噪聲脈沖鎖模中出現(xiàn)調(diào)制光譜（~0.24 nm周期），這是由于類噪聲脈沖中的高峰值功率子脈沖在光纖中激發(fā)的強非線性效應(yīng)（例如，自相位調(diào)制和四波混頻）。類噪聲脈沖的基頻為3.8713 MHz，信噪比為57.1 dB。應(yīng)該注意的是，在耗散孤子共振狀態(tài)下的頻譜具有高度對比的包絡(luò)調(diào)制（圖4c）而類噪聲脈沖是混沌并具有低振幅包絡(luò)調(diào)制。為了進一步呈現(xiàn)類噪聲脈沖的輸出特征，圖5c中給出了作為泵浦功率的函數(shù)的平均輸出功率和脈沖能量。從圖5d可以看出，當(dāng)泵浦功率從93 mW增加到122.9 mW時，類噪聲脈沖的脈沖持續(xù)時間從590 ps擴展到1434 ps而峰值功率保持不變，這與耗散孤子共振方案的情況非常相似。

圖5 635 nm非線性光學(xué)系統(tǒng)的特性。a、隨著泵功率的增加，單脈沖包絡(luò)的變化；b、在連續(xù)波（綠色）、非線性偏振鎖模（藍色）和耗散孤子共振鎖模（紅色）工作狀態(tài)下的光譜；c、平均輸出功率和脈沖能量是泵功率的函數(shù)；d、脈沖持續(xù)時間和峰值功率作為泵浦功率的函數(shù)。

綜上所述，研究人員用理論和實驗方法研究了基于非線性放大環(huán)形鏡的635 nm全光纖被動鎖模激光器。首先，通過用標(biāo)準(zhǔn)分步傅里葉方法求解金茲堡-朗道方程，研究人員預(yù)測了635 nm鎖模脈沖在耗散孤子共振區(qū)的形成和演化規(guī)律。理論研究表明，隨著小信號增益系數(shù)的增加（泵浦功率增加），635 nm矩形脈沖呈現(xiàn)出線性加寬的脈沖持續(xù)時間、恒定的振幅和窄的光譜峰及陡峭的邊緣。此外，研究人員還模擬了非線性放大環(huán)形鏡特性對耗散孤子共振鎖模性能的影響并揭示了非線性放大環(huán)形鏡光纖耦合器應(yīng)選擇最佳的光纖環(huán)路長度（~47 m）和大的分光比（50:50），以保證低閾值鎖模和高性能輸出?；诶碚撗芯?，研究人員還實驗實現(xiàn)了635 nm全光纖被動鎖模Pr3+/Yb3+共摻氟化物光纖激光器，其中，耗散孤子共振光譜的中心波長為635.04 nm，光譜帶寬小于0.1 nm，相應(yīng)地，激光脈沖具有可調(diào)的皮秒持續(xù)時間（96-1298 ps）和3.8713 MHz的脈沖重復(fù)率以及優(yōu)異的信噪比（> 66 dB）。此外，通過調(diào)整同軸光纖偏振控制器和泵浦功率，研究人員還獲得了脈沖持續(xù)時間從590 ps到1434 ps可調(diào)諧的類噪聲脈沖運轉(zhuǎn)和規(guī)則調(diào)制的光譜。因此，這項研究為可見波長超快脈沖的產(chǎn)生提供了一個新的范例，在激光材料加工和紫外波長區(qū)倍頻方面有著廣泛的潛在應(yīng)用。

END

研究人員簡介

羅正錢，廈門大學(xué)電子工程系教授，研究方向為光纖激光技術(shù)及應(yīng)用、片上集成光子器件及非線性光纖光學(xué)。