掺铥石英光纤的荧光光谱范围是1.6-2.2 μm[1]，该波段在长波通信、医学手术和三光子显微成像等领域倍受关注。掺铥光纤激光器（Tm-doped fiber lasers，TDFLs）的短波段（<1.8 μm）相较长波段（>1.8 μm）增益系数显著降低，要求器件的损耗很低，不容易被观察到，研究起来更困难。在研究短波段时，为了避免长波段的影响，可利用波长选择元件抑制长波段的增益。在锁模激光器中，增加孤子脉冲能量受孤子面积定理和背景噪声干扰的限制，而耗散孤子体系的脉冲能量可大幅提升。此外，考虑到实际应用需要，激光器的输出波长最好可调谐。本文将分享一篇主题为“覆盖1700-1900 nm（包含短波段和长波段的超宽带）、可调谐、基于耗散孤子体系的TDFL”的期刊文章[2]。
如图1所示，实验装置由种子激光器、放大级和压缩级三部分组成。种子激光器中的声光可调滤波器（acousto-optic tunable filter，AOTF）能够对光谱高斯滤波，与1/4波片和半波片组合，可作为起偏器，实现基于非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation，NPR）的锁模。此外，AOTF还能让入射光发生频移，使锁模脉冲更稳定。作者采用75 cm的掺铥光纤来提供增益 ，采用7.1 m的UHNA4光纤补偿色散。整个腔体包含11.5 m的光纤和43 cm的自由空间部分，总的净腔色散在1734 nm处约为0.42 ，可产生重复频率约为17 MHz的脉冲。在放大级中，TDF2光纤为高吸收的大纤芯光纤（芯径为10 μm），可有效利用剩余泵浦、抑制寄生激光，显著提升输出功率。为抑制在长波段的高增益，作者在ISO和WDM之间插入一段长1 m、弯曲半径为9.8 cm的色散补偿光纤（单模阶跃折射率光纤）。压缩级采用刻线密度为711 线/mm的光栅对。
图1 实验装置[2]
图2为可调谐耗散孤子激光器输出的光谱（灰线表示自发辐射放大），调谐范围为1700-1900 nm，光谱宽度在10-23 nm范围内变化。不同波长处的光谱受到波片的旋转角度、净腔色散、增益曲线等多个因素的影响。
图2 波长可调谐性[2]
在光谱调谐范围内，脉冲宽度在8.7-18.3 ps范围内变化（图3左上），输出功率主要在2-5 mW范围内（图3右上）变化，但以最长波长工作时，输出功率升至12 mW。耗散孤子波长为1807 nm时，所需的泵浦功率最低。图3左下为种子激光器工作在1807 nm时，不同分辨率带宽下的射频频谱。图3右下的脉冲序列展示了稳定的单脉冲工作状态。
图3 种子激光器性能[2]
图4为增益边（1708 nm）和增益峰（1807 nm）处的功率曲线、光谱和自相关曲线。工作波长为1708 nm时，输出功率随着泵浦功率的增加而增加。当泵浦功率为2.7 W时，放大级的输出功率达到31.5 mW，脉冲能量为1.85 nJ。在放大前，ISO和WDM之间的色散补偿光纤可以抑制ASE、减小信号光的损耗。如图4(c)所示，光谱经过放大后没有显示出非线性引起的失真。经光栅对压缩后，脉冲宽度可降至523 fs。在1807 nm情况下，当泵浦功率为2.7 W时，输出功率为141 mW，脉冲能量为8.2 nJ；光谱同样没有非线性畸变；压缩后的脉冲宽度为478 fs，存在较强基底。
图4 增益边和增益峰处放大级和压缩级结果[2]
图5为脉冲在种子激光器腔内演变的模拟结果。观察不同位置处脉冲时域和频域形态，可以获知不同器件的功能：增益光纤显著提升了脉冲峰值功率，使光谱稍有变宽；色散补偿光纤展宽脉冲，让频谱出现“猫耳”结构（耗散孤子的典型特征），这是正常色散和非线性双重作用的结果；经过耦合器后，脉冲略变窄，光谱宽度保持在21 nm，与实验结果吻合很好；经过可饱和吸收体（SA）和光谱滤波后，脉冲宽度缩短为4.6 ps，光谱宽度变为12 nm。
图5 模拟结果[2]
综上所述，这一在1700-1900 nm范围内可调谐的TDFL经过放大，可在增益边（1708 nm）和增益峰（1807 nm）分别实现31.5 mW和141 mW的功率输出，经过压缩的脉宽分别为523 fs和478 fs。较宽的可调谐范围和短波段的功率可扩展性有望开辟新的应用。
参考文献：
[1] S. D. Jackson, "Towards high-power mid-infrared emission from a fibre laser," Nature Photon 6(7), 423–431 (2012).
[2] X. Liu, J. K. Sahu, and R. Gumenyuk, "Tunable dissipative soliton Tm-doped fiber laser operating from 1700 nm to 1900 nm," Opt. Lett. 48(3), 612 (2023).
原文标题 : 超快光纤激光技术之四十三 1700-1900 nm范围内可调谐的耗散孤子掺铥光纤激光
