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0431-81702023
光學工程
利用調Q 的諧振腔直接輸出超連續譜

利用調 Q 的諧振腔直接輸出超連續譜

摘要 采用在諧振腔內加入非線性介質的方法,制作了由諧振腔直接產生超連續譜輸出的全光纖結構激光器。解決了傳統超連續譜激光器光源需要高功率和多級放大結構的問題。利用聲光調制器作為調 Q 介質,在調制不穩定性效應的影響下使脈沖分裂,利用諧振腔直接輸出的結構獲得了平均功率為 102 mW 的超連續譜輸出,光譜范圍為 440~1700 nm,10 dB 帶寬為 500 nm,光-光轉換效率為 5%。

關鍵詞 激光器; 超連續譜; 諧振腔; 調制不穩定性

1 引 言

      超連續譜激光光源由于具有光譜范圍寬且平坦、高強度和高亮度等優點。如激光雷達、密集波分復用、醫學成像和光譜分析等諸多領域有著重要的應用[1] 。1970 年,Alfano 等[2] 首次利用倍頻后的鎖模皮秒脈沖激光抽運 BK47 玻璃獲得了 400~700 nm 的超連續譜輸出;1994 年,Morioka 等[3] 首次在光纖中獲得了譜寬為 200 nm 的超連續譜輸出。1996 年第一根光子晶體光纖(PCF)誕生,2000 年 Ranka 等[4] 利用一段長 75 cm 的光子晶體光纖, 首次觀察到了 400~1600 nm 的超連續譜,其寬度遠遠超過了以往所有的超連續譜寬度。

      近年來,由于 PCF 具有無單模截止、色散可控以及高非線性等特性,可以用于超連續譜產生,引起了人們的廣泛關注[5] 。PCF 結構設計參數可調,通過減小光子晶體光纖的模式面積或者增大光纖長度,就可以極大地增強光纖中的非線性效應[6] ,在實驗中可以依據需求選擇光子晶體光纖的結構參數及光纖長度,滿足實驗中對非線性效應的需求。

      目前報道過的超連續譜主要技術方案是利用高功率大模場面積光纖激光器在腔外抽運高非線性光纖[7] ,如 PCF,或者利用拉錐技術在放大器中直接產生[8] 。這兩類產生機制主要存在的缺陷為結構復雜且產生超連續譜所需要的抽運功率較高。因此,如何利用簡單結構在較低抽運功率的情況下產生光譜較寬且平坦度良好的超連續譜光源是目前擴大超連續譜應用的一個重要的問題。2009 年西班牙瓦倫西亞大學[9] 首次使用諧振腔直接輸出超連續譜的方式獲得了功率為 17 mW 的激光輸出。2014 年廈門大學[10] 利用相似的方式獲得了 400 mW 的超連續譜輸出,光譜范圍拓展到了 550~1950 nm。

     傳統非線性機制如自相位調制、交叉相位調制、受激拉曼散射和四波混頻對超連續譜的影響已經有很多的報道[11] ,但依靠這類機制通常需要很高的峰值功率,在峰值功率相對較低的情況下很難產生上述機制。而通常在連續激光器抽運產生超連續譜時,起源于噪聲的,其中典型的機制為調制不穩定性[11] 。2007 年 Demircan 等[12] 研究發現,在光子晶體光纖中有長脈沖入射時,調制不穩定性依然可以成為產生超連續譜的主要原因之一,由調制不穩定性導致的脈沖分裂和脈沖內拉曼散射可以使得產生超連續譜的峰值功率降低到千瓦級,甚至亞千瓦級。在皮秒和納秒激光產生超連續譜的過程中,調制不穩定性和四波混頻都可以成為展寬超連續譜的重要非線性效應[13] 。在這一機制的影響下可以將產生超連續譜所需的峰值功率降低。

      本實驗采用諧振腔直接輸出超連續譜的方案,將 PCF 置于諧振腔內,利用中心波長為 1064 nm,脈沖重復頻率可調的調 Q 納秒脈沖激光入射到腔內的 PCF,最終成功產生了 102 mW 的超連續譜輸出,光譜寬度超過 1300 nm。

2 實驗和實驗結果分析

2.1 實驗結構

      實驗采用諧振腔直接輸出超連續譜,圖 1 為實驗結構圖。如圖 1 所示,利用合束器將抽運半導體激光 (LD)耦合入諧振腔內來激勵增益介質(Yb),并由聲光調制器(AOM)進行調 Q,產生高峰值的納秒脈沖激光, PCF 為非線性介質用以產生超連續譜,超連續譜激光從右側光纖 Bragg 光柵(FBG)輸出。圖中的耦合器耦合比為 1∶99,用于實時監測通過 AOM 的平均功率。

     實驗所用的 PCF 為長飛公司生產,纖芯為 4.8 μm ,零色散點在 1040 nm,長度為 20 m,圖 2 為其在電子顯微鏡掃描下的端面結構圖。實驗中的調 Q 介質為古奇公司生產的聲光調制器,尾纖為 Hi1060,外接信號發生器可以對輸出脈沖信號的重復頻率進行調節。上升/下降沿時間為 10 ns;增益介質為 5/130 μm,數值孔徑 (NA)為 0.12 的摻鐿光纖,吸收系數(975 nm)為 1.7 dB/m,長度為 10 m;抽運源為 975 nm 波長的半導體激光器,最高輸出功率為 9 W,諧振腔兩端的光柵均是中心波長為 1064 nm,反射率為 99%的高反光柵,雙高反光柵可以增加諧振腔內的能量強度,更容易在能量低的情況下產生超連續譜,同時還可以減少輸出超連續譜激光中 1 μm 處的激光剩余,獲得較平坦的超連續譜輸出。

      實 驗 中 光 譜 測 量 采 用 的 是 Yokogawa 公 司 的 AQ6370C 光 譜 儀 ( 測 量 范 圍 600~1700 nm) 和 Avantes Avaspce-2048 短波光譜儀(測量范圍 200~1100 nm);脈沖的波形圖測量采用 Tektronix 公司的 DPO4054B 示波器和 Thorlabs 公司的 DET01CFC 光電轉換探頭;輸出功率測量使用 OPHIR 公司的 3 W 功率計。

2.2 實驗結果

      首先,測試了調 Q 脈沖信號的重復頻率分別為 100 kHz 和 50 kHz 時諧振腔的輸出,此時 AOM 可以進行穩定的調 Q,隨著功率的增高,光譜有一定的展寬,但是光譜可見光部分幾乎沒有能量分布,且整體功率很低,幾乎無法測量,輸出光譜如圖 3 所示,可見此情況下無法獲得良好的超連續譜輸出。 

     

    之后將重復頻率改為 5 kHz,由放置于諧振腔內的檢測裝置觀測到,在低功率時諧振腔可以穩定調 Q,隨著功率增高,脈沖逐漸分裂,調 Q 呈現不穩定狀態,如圖 4 所示。

       隨著脈沖序列的分裂,在腔外也觀測到了超連續譜的輸出,輸出光譜隨著功率的提高而不斷展寬,最終在抽運功率為 2.59 W 時獲得了 102 mW 的超連續譜輸出。圖 5 為激光輸出效率曲線。

       由圖 5 可以觀測到,當抽運功率在1W以下時,激光器幾乎沒有功率輸出,這是因為在這種狀態下,功率較低,非線性效應相對較弱,光譜沒有展開,能量大部分都聚集在 1064 nm 處,而實驗采用的光柵對 1064 nm 附近的激光有 99%反射,因此沒有激光輸出,激光器能量幾乎全部留在了激光器內部,隨著抽運功率增高到 1 W 以上,諧振腔內的能量逐漸升高,非線性效應增強,同時脈沖開始分裂,光譜逐漸展開至其他波長,因為光柵反射帶寬較窄(約為 0.5 nm),展寬后的光譜能量可以輸出,且隨抽運功率的增加而增大,抽運功率達到 1.5 W 之后,光譜趨于穩定,此時輸出功率與輸入功率開始呈線性變化,由于所使用聲光調制器額定平均功率為 1 W,因此實驗輸出超連續譜最高為 102.3 mW。若采用額定功率更高的聲光調制器,可獲得更高功率的超連續譜輸出。

     利用短波光譜儀對輸出光進行測量,其輸出光譜短波邊界至 440 nm,幾乎覆蓋整個可見光波段,如圖 6 所示。

     光譜整體平坦度較好,長波可以延伸至 1700 nm 以上,光譜如圖 7 所示。

       其中圖 3 和圖 7 均為諧振腔內部峰值功率在 1000~1200 W 時測得,產生圖 3 光譜的脈沖序列穩定,沒有脈沖分裂現象,而產生圖 7 的脈沖序列產生脈沖分裂,通過對光譜圖 3 和 7 的對比可以得出,在脈沖分裂的情況下所獲得的光譜遠遠優于脈沖不分裂的狀態。

      對于脈沖分裂的現象,可以理解為調制不穩定性在時域上的影響,使得脈沖頂部出現振幅振蕩所導致的。實驗表明調制不穩定性可以成為低峰值功率情況下產生超連續譜的主要原因之一,而其他的非線性效應則產生斯托克斯和反斯托克斯波,調制不穩定性和邊帶的調制不穩定性能產生新的頻率分量,同時斯托克斯和反斯托克斯波也起到了拓展頻譜的作用。因此在調制不穩定性的影響下,隨著脈沖的傳輸,光譜將被極大地展寬,從而產生了超連續譜[14] 。

3 結 論

      本實驗采用諧振腔直接輸出超連續譜的實驗方案,利用 AOM 獲得調 Q 的脈沖信號,通過改變調 Q 的重復頻率,最終獲得了 102.3 mW 的超連續譜輸出,輸出光譜寬度超過 1300 nm,幾乎可以覆蓋整個可見光波段,且整體平坦度良好,驗證了諧振腔內部直接產生超連續譜實驗的可行性,并對超連續譜的產生機制進行了分析。但是所獲得的光譜并沒有如預想完全消除 1000 nm 附近的峰值,可見光部分能量所占比例還不夠高,且整體光-光轉換效率偏低。對于進一步優化光譜及整個諧振腔結構的研究還在繼續。所得結論可以為進一步發展超連續譜光源提供一定的參考。    


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