隨機(jī)光纖激光器由于結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)域穩(wěn)定、以及低相干等特點(diǎn),在通信、成像、傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。超連續(xù)譜激光因其光譜范圍寬、亮度高等特點(diǎn)在密集波分復(fù)用、光學(xué)相干層析成像、高光譜激光雷達(dá)、以及脈沖壓縮等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。因此把隨機(jī)光纖激光技術(shù)和超連續(xù)譜技術(shù)相結(jié)合可以極大簡化超連續(xù)譜激光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低系統(tǒng)成本。
國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院侯靜研究員課題組近年來對隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜開展研究,在改善超連續(xù)譜的光譜帶寬和平坦度、超連續(xù)譜的線偏振輸出等方面取得了系列研究成果。相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在Optics Express上。
隨機(jī)光纖激光器輸出可見光至近紅外超連續(xù)譜
目前,常規(guī)的產(chǎn)生可見光至近紅外波段超連續(xù)譜的方案主要有兩種:一種是利用脈沖光纖激光泵浦光子晶體光纖,另外一種則是利用非線性光纖放大器來獲得超連續(xù)譜輸出。2019年,課題組實(shí)現(xiàn)了一種共腔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器來獲得超連續(xù)譜輸出,實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)中使用寬帶的光纖反射鏡來提供反饋,腔內(nèi)使用摻鐿光纖和1 km長的被動光纖,利用摻鐿光纖和受激拉曼散射的混合增益,基于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)首次實(shí)現(xiàn)了覆蓋可見光至近紅外波段的超連續(xù)譜輸出,輸出光譜如圖2所示。
圖1 隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
圖2 泵浦功率分別為4.3 W和44.7 W時(shí)產(chǎn)生超連續(xù)譜的光譜對比
全保偏結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜
線偏振超連續(xù)譜激光在生物醫(yī)學(xué)檢測和目標(biāo)探測與識別等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用前景。為了獲得線偏振超連續(xù)譜輸出,課題組首次基于全保偏結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器,獲得了平均輸出功率為4.43 W、光譜范圍覆蓋600 nm~1900 nm線偏振超連續(xù)譜輸出,在最高輸出功率水平下的偏振消光比(PER)大于18 dB,相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
課題組又對比了線偏振隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)中使用100 m長的PM-GDF和非線偏振隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)中使用1000 m長的GDF輸出超連續(xù)譜的光譜特性,圖4為相應(yīng)的光譜對比結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn),雖然線偏振隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)中使用了較短的光纖長度,卻表現(xiàn)出更優(yōu)異的光譜特性。該項(xiàng)研究對于簡化隨機(jī)激光器的結(jié)構(gòu),改善超連續(xù)譜的輸出特性方面具有重要意義。
圖3 線偏振隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
圖4 非線偏振隨機(jī)激光器和線偏振隨機(jī)激光器分別使用1000 m GDF和100 m PM-GDF時(shí)輸出超連續(xù)譜的光譜對比
基于光子晶體光纖的隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜
光子晶體光纖具有很高的非線性系數(shù),同時(shí)其色散特性靈活可調(diào),通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)很容易滿足寬帶超連續(xù)譜產(chǎn)生的色散匹配條件。為了優(yōu)化隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的光譜帶寬和平坦度,課題組在隨機(jī)光纖激光器的半開腔內(nèi)引入光子晶體光纖,利用光子晶體光纖提供隨機(jī)分布反饋和作為光譜展寬的非線性介質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖6為隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜在不同泵浦功率下的光譜演化曲線,在最高17 W泵浦功率下獲得了光譜范圍覆蓋400 nm~2300 nm的超連續(xù)譜輸出,其中20 dB光譜范圍超過1600 nm。相比于傳統(tǒng)使用脈沖光纖激光器泵浦光子晶體光纖輸出超連續(xù)譜的方法,該結(jié)構(gòu)輸出的超連續(xù)譜不僅具有可以比擬的光譜帶寬和平坦度,還具有結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)工作進(jìn)一步豐富了隨機(jī)光纖激光器和超連續(xù)譜的研究內(nèi)容。
圖5 基于光子晶體光纖的隨機(jī)激光器輸出超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
圖6 輸出光譜在不同泵浦功率下的演化曲線
總結(jié)
隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但是,目前隨機(jī)光纖光纖激光器輸出超連續(xù)譜的產(chǎn)生機(jī)理還不完全清晰,后續(xù)我們將進(jìn)一步建立理論模型,揭示其中超連續(xù)譜的產(chǎn)生過程。另一方面,隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的功率水平也有巨大的提升空間,需要研究人員進(jìn)一步探索??梢灶A(yù)見,在未來的發(fā)展過程中,高功率、寬光譜帶寬的隨機(jī)光纖激光器仍將不斷發(fā)展,這些發(fā)展也必將為超連續(xù)譜激光提供更廣闊的應(yīng)用前景。
論文信息:
1. J. He, R. Song, L. Jiang, J. Hou. Supercontinuum generated in an all-polarization-maintaining random fiber laser structure[J]. Optics Express, 2021, 29(18): 28843.
2. J. He, R. Song, W. Yang, J. Hou. High-efficiency ultra-compact near-infrared supercontinuum generated in an ultrashort cavity configuration[J]. Optics Express, 2021, 29(12): 19140.
3. J. He, R. Song, Y. Tao, J. Hou. Supercontinuum generation directly from a random fiber laser based on photonic crystal fiber[J]. Optics Express, 2020, 28(19): 27308.
4. L. Chen, R. Song, C. Lei, W. Yang, and J. Hou. Random fiber laser directly generates visible to near-infrared supercontinuum[J]. Optics Express, 2019, 27(21): 29781.
5. L. Chen, R. Song, C. Lei, W. Yang, F. He, and J. Hou. Influences of position of ytterbium-doped fiber and ASE pump on spectral properties of random fiber laser[J]. Optics Express, 2019, 27(7): 9647.
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