1 背景
所謂自相似脈衝是指入射的一般短光脈衝, 在摻雜三價元素的增益光纖的正色散區域中傳輸時, 產生了能量放大、功率譜形狀相似(稱為“自相似”)以及具有線性啁啾演化的光脈衝。自相似光脈衝具有三個顯著特點:1)自相似演化特性只由入射脈衝的能量和光纖參數決定;2)在高功率傳輸時, 具有抵禦脈衝分裂的能力;3)具有嚴格的線性啁啾。由於具有嚴格的線性啁啾和較大的、穩態的能量增益, 所以自相似光脈衝易於進行高效的脈衝整形和壓縮, 可以獲得高功率、無基座的近似變換極限的飛秒量級光脈衝。因此, 類比於光孤子, 有的學者又將自相似光脈衝稱為自相似孤子或自相似子。
與一般光纖雷射器不同, 自相似光纖雷射器是套用光纖放大器對光信號進行自相似的增益放大, 脈衝時域和頻域同時增加, 經過特定的啁啾補償和濾波壓縮後, 得到大能量、高峰值功率和高重複頻率的輸出超短脈衝的光纖雷射器。近十幾年來, 歐美、亞太地區國家及中國台灣的研究人員從理論和實驗兩個方面對光纖放大器中的拋物形自相似光脈衝進行了大量的研究。在國外, 人們在自相似光纖放大器的基礎上, 對自相似光纖雷射器研究的熱點主要集中在摻鐿光纖(YDF)或摻鉺光纖(EDF)被動鎖模的自相似光纖雷射器, 而在國內, 相關研究尚未引起足夠關注和尚未形成研究規模。
2 自相似光纖雷射器的基本原理
從光纖脈衝放大器到自相似光纖雷射器
相對於其他固體雷射器, 光纖雷射器的優點之一是腔形結構簡單, 體積緊湊。大量的研究表明:在光纖放大器具有正群速度色散(GVD)區域的增益光纖的增益頻寬以內, 採用增益參數縱向恆定分布、縱向指數分布、光纖的受激拉曼效應、色散漸減光纖、光纖布拉格光纖光柵以及光纖光子晶體等, 都可以實現輸入脈衝的自相似演化。
基於自相似光脈衝的優良特性, 藉助於光纖放大器中產生自相似脈衝的方法, 2004 年, F. Ilday 等最早提出了自相似脈衝光纖雷射器的設計原理, 他們根據色散管理孤子的傳輸原理, 用摻Yb 光纖放大器的原理設計了自相似光纖雷射器的原理, 並且進行了初步的實驗, 由於缺乏有效的脈衝濾波整形和明確的鎖模方法, 所產生的並不是嚴格意義的自相似脈衝, 實際上是色散管理孤子的脈衝。隨後, F . .Ilday 等對鈦寶石雷射器產生自相似脈衝雷射的可能性進行了理論上的分析。
2005 年,C .Finot 等用全光器件設計的自相似脈衝雷射器, 但是其結構、元件較為複雜。因此, 由光纖脈衝放大器過渡到自相似光纖雷射器的一個難點是讓帶有啁啾的自相似脈衝必須具備周期性反饋條件, 使脈衝能夠在諧振腔內周而復始地演化, 以滿足鎖模和選頻條件, 所以, 原來的光纖放大器只能作為雷射器諧振腔的能量增益部分, 還必須設定脈衝整形的啁啾補償元件, 為此自相似脈衝雷射器應當具有4 個主要部分構成:
1)一段具有正GVD 光纖放大器作為雷射器的增益介質, 提供自相似脈衝演化的主體, 這一部分必須在自相似脈衝中心波長及其附近具有正的二階色散, 而且其非線性效應以及高階效應要足夠小,具有足夠的頻寬;
2)一個特定中心波長和具有一定頻寬的啁啾濾波器, 其為自相似脈衝進行整形(解啁啾);
3)一段飽和吸收體(SA)或者偏振控制器(PC)為雷射器提供鎖模, 或者使用其他鎖模元件;
4)一段具有負GVD 的單模光纖(SMF)與耦合器連線, 其與正GVD 的增益光纖進行有效地耦合, 為雷射器提供反饋, 同時提供穩定的雷射輸出通道。
此外, 還有抽運源、輸入波分復用耦合器、輸出波分復用(WDM)耦合器、單向隔離器和連線光纖以及和其他特種光纖(比如, 保偏光纖、色散補償光纖等)。
自相似脈衝光纖雷射器結構決定了雷射器的鎖模機制和鎖模器件的類型。雷射器的鎖模類型主要有主動鎖模(比如, 內置附加環形鏡鎖模、內置聲光、電光調製器鎖模、外逆向抽運交叉相位調製鎖模等)、被動鎖模(比如, 偏振旋轉鎖模、增益飽和吸收鎖模、半導體飽和吸收鎖模等)、主被動混合鎖模和被動加成鎖模。目前研究的自相似脈衝光纖雷射器的鎖模方法主要是採用被動鎖模方式, 常用的是非線性偏振旋轉演化(NPE)方法和半導體飽和吸收鏡(SESAM)。
自相似光纖雷射器的數學表征
自相似光纖雷射器標量孤子脈衝的數學表征
自相似光纖雷射器是套用光纖放大器對光信號進行自相似脈衝增益放大的, 其光脈衝的拋物形自相似演化的數學表征問題, 最初在2000 年由V .I .Krug lov 等[ 14] , 首先假定增益光纖介質頻寬大於脈衝啁啾頻寬的理想情況下, 採用非線性薛丁格方程(NLS E), 描述了光纖放大器具有正色散區域的脈衝自相似演化的理論特性。此後, 國內外研究自相似脈衝演化特性的解析分析、數值計算以及對實驗結果的析, 大部分沿用了V .I .Kruglo v 等的方法。
3 線形諧振腔自相似孤子光纖雷射器
人們對自相似光纖雷射器的腔形結構進行了大量的數值計算、設計和實驗研究, 總體上有兩種類型:線形腔和環形腔。線形腔可以分為直線腔和σ型腔;環形腔可以分為單環腔和多環腔, 多環腔中的8 字環形腔已經很少採用, 目前大多數都採用單環腔。
直線腔自相似孤子光纖雷射器
2005 年以來,C .K .Nielsen 等通過實驗研究了典型的直線形諧振腔研究自相似光纖雷射器, 其結構由高反射率鏡(HR)、光柵壓縮器半波片(HWP)、準直透鏡、單模976 nm 抽運源、波分復用耦合器、0 .31 m 的摻鐿保偏光纖、輸出耦合器(30/70)以及半導體飽和吸收鏡構成。
自相似脈衝線性啁啾補償採用負二階色散的保偏光纖(保偏光纖的模場直徑是4 .8 mm);增益介質由摻鐿光纖放大器(長31 cm , 增益約300 dB)充當;SESAM 作為非線性鎖模元件。實驗獲得了輸出能量為1 nJ 、重複081409-448 , 081409頻率為17 MHz 、脈寬為7 .2 ps, 其中心波長為1035 nm 的自相似脈衝, 壓縮後的輸出脈衝的脈寬為130 f s 。
σ型腔自相似孤子光纖雷射器
類似的線形腔如2008 年,A .Cho ng 等的σ型自相似光纖雷射器,N .Co lucceli 等的V 型自相似光纖雷射器。特別是B .Or tac 等的準σ型自相似光纖雷射器, 運用光子晶體光纖的頻率特性作為鎖模元件, 獲得了重複頻率為63 MHz 、平均功率為1 .6 W 、輸出能量為25 nJ 的飛秒脈衝。直線形諧振腔自相似光纖雷射器的腔內損耗比較大, 輸出能量和平均功率都比較小, 目前較少採用。
4 環形諧振腔自相似孤子光纖雷射器
最新研究的典型環形諧振腔自相似光纖雷射器有:孤子-自相似子光纖雷射器;耗散孤子自相似全正二階色散光纖雷射器;全光纖環拉曼拋物自相似脈衝雷射器;自相似矢量孤子光纖雷射器;G raphene 鎖模自相似光纖雷射器等。以下簡要描述這些雷射器腔型結構、動力學機制、鎖模方法和實驗結果。
孤子-自相似子光纖雷射器
2010 年,B .Oktem 等研究的最新的“孤子-自相似子”光纖雷射器是單環腔, 採用非線性偏轉演化被動鎖模方法, 其實驗裝置如圖3 所示, 其中QWP 是1/4 波片, PBS 是偏振分束器。
全正二階色散自相似光纖雷射器
2010 年,W .H .Renning er 等研究了單環腔“全正二階色散自相似光纖雷射器”的特性, 即ANDi 光纖雷射器, 其結構由三大主要部分構成:增益光纖(摻Yb 光纖)、NPE 鎖模元件和光柵濾波器。該裝置的最大特點是不採用負GVD 的色散補償光纖對自相似進行整形, 而是用負啁啾函式的光柵對自相似啁啾脈衝進行濾波, 從而減少了非線性效應和高階效應對脈衝演化的影響。
他們首先採用的單模保偏光纖, 在忽略偏振模色散(線性偏振)效應而僅僅考慮自相似脈衝演化非線性偏振分量的耦合作用的條件下, 運用耦合的N LSE 進行表征和數值計算所示。在5 m 長的增益介質演化過程中, 脈衝功率譜趨於自相似拋物線包絡.但是, 他們的研究結論沒有指出由於脈衝功率變化可能引起的正交偏振分量的耦合效應(比如,交叉相位調製)或者不出現耦合效應時脈衝的閾值, 這兩個問題都是大功率自相似光纖雷射器運行中不可迴避的實際問題。
雙環形腔自相似光纖雷射器
為了研究自相似光纖雷射器重複頻率的穩定性問題,Wei-Wei Hsiang 等把一個摻Yb 單環形腔自相似光纖雷射器(其二階色散為+0 .068 ps2)和一個摻Er 單環形腔自相似光纖雷射器(其二階色散為-0 .182 ps2)通過波分復用耦合器耦合成雙環形腔自相似光纖雷射器。其中M2 為半反射鏡,GP 是光柵對壓縮器。
兩個單環形腔各自採用偏振控制加成鎖模P-APM方式實現鎖模, 雙環形腔依賴兩個單環雷射器脈衝的交叉相位效應實現鎖模。通過測量雙脈衝序列的重複頻率, 實驗結果發現:雙環形腔的交叉相位鎖模與兩個單環形偏振加成鎖模可以同時實現, 獲得了穩定重複頻率的雙波長輸出。摻Yb 單環形腔鎖模雷射脈衝的中心波長在1035 nm(其二階色散約為+0 .068 ps2), 從5 %輸出耦合器輸出的脈衝的頻譜如圖9(a)所示, 在頻譜的中心附近是拋物形狀, 前後沿非常陡, 可以判斷081409-748 , 081409是脈衝自相似演化的結果, 其中的小插圖是通過偏振分束器輸出5 %的自相似雷射脈衝的頻譜, 所需要補償的啁啾量約為-0 .182 ps2 , 補償整形後的脈衝寬度約為3 ps 。通過調節腔內光纖長度和波片的方位, 摻Er單環形腔也同步實現了脈衝鎖模, 摻Er 光纖長度是該腔單模光纖的1/3 , 但是由於摻Er 光纖對於1560 nm中心波長的脈衝應當具有負的二階色散, 所以, 脈衝在腔內進行的是呼吸孤子(又稱為拉伸孤子)脈衝演化,形成耗散孤子, 其頻譜形狀如圖9(b)所示, 其中的小插圖是由該腔內PBS 輸出5 %的耗散孤子雷射脈衝的頻譜。兩種波長同步輸出, 形成相同重複頻率的雙波長雷射脈衝的穩定輸出。
如果繼續增加抽運功率, 實驗發現, 雙波長雷射脈衝會發生相互“碰撞”作用, 形成有邊帶結構、中心波長約為1550 nm 雷射脈衝, 其產生的物理機制需要做進一步研究。但是, 該雷射器的實驗沒有給出輸出脈衝的能量、脈寬以及峰值功率, 也沒有給出具體的重複頻率值。
由於人們對腔內GVD 的大小和正負缺乏準確地測量, 對結果的理解和對實驗結論的解釋缺乏一致性;同時, 其輸出脈衝的能量、脈寬和峰值功率, 以及重複率大小與實際套用還有一定的距離。
耗散孤子自相似光纖雷射器
把耗散孤子光纖雷射器歸類為自相似光纖雷射器, 是因為其信號脈衝的增益過程實際上是自相似演化過程, 即脈衝的能量增益階段是在正的二階色散區域完成的———自相似演化, 該自相似脈衝繼續傳輸到腔內的負色散區域後, 自動進行了整形(可能使輸出頻譜偏離了自相似脈衝的頻譜特徵)。由於腔內各種複雜參數(已知的和未知的)的作用, 整形後的脈衝特性與自相似脈衝、耗散孤子脈衝、色散管理孤子等有很大的差別。2010 年, Liu Xueming採用18 m 長的摻Er 光纖和雙偏振控制器的加成鎖模單環形腔耗散孤子———自相似光纖雷射器的特性。
