自啟動(dòng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模的飛秒摻鉺光纖激光源實(shí)驗(yàn)研究

張龍，張顏艷，姜海峰，張首剛

自啟動(dòng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模的飛秒摻鉺光纖激光源實(shí)驗(yàn)研究

張龍1，2，張顏艷1，2，姜海峰1，2，張首剛1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

基于實(shí)用化光學(xué)頻率梳的應(yīng)用需求，開(kāi)展了自啟動(dòng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模的飛秒摻鉺光纖激光源實(shí)驗(yàn)研究。該激光源主要由激光振蕩器和光纖放大器組成，其中激光振蕩器是基于全保偏光纖結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡構(gòu)成的，具有高實(shí)用性和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，輸出鎖模脈沖的重復(fù)頻率為116 MHz，平均功率為3 mW，脈沖寬度為385 fs；為了提高激光輸出的參數(shù)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)上研究了全保偏光纖放大系統(tǒng)，進(jìn)一步將激光輸出功率提升至218 mW，相應(yīng)的單脈沖能量近1.9 nJ，并通過(guò)優(yōu)化脈沖壓縮器中光纖長(zhǎng)度，最終獲得脈寬為42 fs的超短脈沖激光輸出。該實(shí)用化飛秒摻鉺光纖激光源非常適用于極端環(huán)境下光頻計(jì)量研究。

鎖模激光；摻鉺光纖；光學(xué)頻率梳；孤子激光

0　引言

20世紀(jì)末，光學(xué)頻率梳憑借高分辨率、高精確度的梳齒頻率和高穩(wěn)定度的頻率傳遞特性，為光頻測(cè)量[1-2]，光頻傳遞及比對(duì)[3-4]，精密光譜學(xué)[5]，量子頻標(biāo)[6]，天文定標(biāo)[7]等眾多研究領(lǐng)域帶來(lái)了革命性進(jìn)展。正是由于在多研究領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，光學(xué)頻率梳獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的表彰[8-9]。光學(xué)頻率梳的核心結(jié)構(gòu)是一臺(tái)鎖模飛秒激光源[10]，其時(shí)域上輸出的超短脈沖序列經(jīng)過(guò)傅立葉變換，可以在頻域上獲得具有一定頻率間隔的光頻梳齒。由于受到外界環(huán)境的擾動(dòng)，這些光頻梳齒并不是穩(wěn)定分布的，它主要受兩個(gè)參數(shù)的影響——激光重復(fù)頻率（frep）和載波包絡(luò)相移頻率（fceo）[11-12]，因此必須在實(shí)驗(yàn)上利用鎖相環(huán)電路對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行鎖定和控制，從而獲得頻率穩(wěn)定的光學(xué)頻率梳并用于相關(guān)研究。在光學(xué)頻率梳的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，鎖模飛秒激光源的性能首先決定光學(xué)頻率梳的整體性能。在研究初期，光學(xué)頻率梳的激光源主要依靠飛秒鈦寶石激光[12]，這主要是由于鈦寶石激光的鎖模技術(shù)成熟，并具有極短的脈沖寬度和合適的超連續(xù)光譜擴(kuò)展介質(zhì)[13]。但是固態(tài)鈦寶石激光的搭建主要依賴(lài)于空間光路結(jié)構(gòu)，其啟動(dòng)和日常運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)常需要專(zhuān)業(yè)人員的調(diào)試和維護(hù)，而且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，研制成本昂貴，以上方面都不利于鈦寶石激光頻率梳向?qū)嵱没姆较虬l(fā)展。

近年來(lái)，光纖激光材料及相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，光纖激光的鎖模研究受到眾多研究領(lǐng)域的密切關(guān)注，特別是在光纖通信飛速發(fā)展的激勵(lì)下，鎖模摻鉺光纖飛秒激光首先受到人們的青睞并取得優(yōu)異成績(jī)[14-16]。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊，高性?xún)r(jià)比及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，摻鉺光纖飛秒激光源的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了光纖激光頻率梳的發(fā)展，特別是在實(shí)用化應(yīng)用研究方面提供了強(qiáng)有力的支持。在實(shí)驗(yàn)研究中，摻鉺光纖激光頻率梳的激光源多數(shù)是基于非線性偏振演化的原理而實(shí)現(xiàn)的[15-16]，其鎖模脈沖輸出具有高重復(fù)頻率、高脈沖能量和色散特性可控的優(yōu)勢(shì)。但是該類(lèi)鎖模激光源更適合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，主要原因首先是由于鎖模的啟動(dòng)需要通過(guò)波片的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；其次是激光系統(tǒng)光纖光路全部由非保偏光纖構(gòu)成；而且某些非線性偏振演化的激光源也含有空間光路結(jié)構(gòu)。這些不足使激光的鎖模狀態(tài)容易受到環(huán)境的影響而降低光學(xué)頻率梳的實(shí)用性和可靠性。因此，為了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室外環(huán)境的應(yīng)用研究需求，構(gòu)建實(shí)用化、高可靠性的鎖模飛秒激光源是光學(xué)頻率梳研究首要解決的內(nèi)容。在這方面，國(guó)外的幾個(gè)研究單位已獲得了階段性的成果，包括德國(guó)MenloSystems公司研究的“9字形”鎖模摻鉺光纖激光源，日本國(guó)立先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)部和美國(guó)IMRA公司研究報(bào)道的基于全保偏光纖和可飽和吸收體的摻鉺光纖飛秒激光源[17-18]，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所研究的全保偏光纖結(jié)構(gòu)鎖模摻鉺光纖激光源[19-20]等。這些飛秒激光源不僅可以實(shí)現(xiàn)鎖模的自啟動(dòng)，還具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，在實(shí)用化、高可靠性的光纖頻率梳研究中具有較大的應(yīng)用潛力。

基于上述研究背景及研究組在實(shí)用化光學(xué)頻率梳的應(yīng)用研究需求，本文針對(duì)鎖模自啟動(dòng)、免調(diào)節(jié)維護(hù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的飛秒摻鉺光纖激光源展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。該鎖模激光源由激光振蕩器和光纖放大器兩部分組成，其中激光振蕩器的主要結(jié)構(gòu)包括全保偏光纖光路和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，僅通過(guò)簡(jiǎn)單開(kāi)啟泵浦光源即可實(shí)現(xiàn)鎖模飛秒激光脈沖輸出，其重復(fù)頻率約為116MHz，直接輸出的脈沖寬度為385 fs，輸出平均功率為3mW；其次為了提升激光振蕩器的輸出功率及壓縮時(shí)域脈寬，進(jìn)一步開(kāi)展了非線性光纖放大的實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過(guò)全保偏光纖結(jié)構(gòu)的脈沖展寬、光纖放大和脈沖壓縮的參數(shù)優(yōu)化，最終輸出激光功率提升至218mW，單脈沖能量近1.9nJ，脈沖寬度壓縮至42fs的量級(jí)。該飛秒摻鉺光纖激光源的發(fā)展為后續(xù)實(shí)用化光學(xué)頻率梳搭建提供了重要的研究基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

飛秒摻鉺光纖激光源的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由鎖模飛秒激光振蕩器（圖1上半部分）和全保偏光纖放大器（圖1下半部分）組成。鎖模飛秒激光振蕩器主要為全保偏光纖的線性腔結(jié)構(gòu)，其中左端鏡為保偏光纖反射鏡，尾纖長(zhǎng)度約為15cm，該長(zhǎng)度也是盡量保證光纖元件可以滿(mǎn)足光纖熔接機(jī)進(jìn)行保偏熔接的最短尾纖要求，后續(xù)光纖元件的尾纖長(zhǎng)度也是基于此方面考慮。信號(hào)光經(jīng)過(guò)光纖反射鏡返回后，進(jìn)入摻鉺保偏增益光纖（PM-ESF-7/125，Nufern）中，該增益光纖在1530nm處的吸收為55dB/m，實(shí)驗(yàn)選擇的長(zhǎng)度約為22cm左右，同時(shí)該保偏光纖的模場(chǎng)直徑為8.8μ m，與普通保偏傳輸光纖（PM-1550 PANDA）的模場(chǎng)直徑相近，因此它們之間的熔接損耗可以很好地控制在0.2dB以?xún)?nèi)。泵浦光（波長(zhǎng)為974 nm）通過(guò)耦合拉錐式波分復(fù)用器反射入保偏增益光纖中，使其粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生足夠的增益，同時(shí)該波分復(fù)用器的耦合拉錐端可以將產(chǎn)生的一部分信號(hào)光（～10%）導(dǎo)出，作為飛秒激光振蕩器的輸出端口。這樣的結(jié)構(gòu)配置不僅可以使腔內(nèi)減少一個(gè)輸出耦合器件，提高系統(tǒng)的重復(fù)頻率，而且還減少腔內(nèi)負(fù)色散的引入。剩余90%的信號(hào)光經(jīng)過(guò)非球面透鏡聚焦至半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（semiconductor saturableabsorption mirror，SESAM）上。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，聚焦到SESAM上的非球面透鏡使用了保偏尾纖式封裝，通過(guò)選擇非球面透鏡的焦距決定入射到SESAM上的光斑直徑大小，從而改變?nèi)肷涞絊ESAM上的能流密度而優(yōu)化激光鎖模的閾值或鎖模狀態(tài)。SESAM同時(shí)也作為諧振腔的另一端鏡將產(chǎn)生的激光反射，實(shí)現(xiàn)激光的共振。

激光鎖模的實(shí)現(xiàn)與SESAM的參數(shù)密切相關(guān)，其中包括飽和能流密度、調(diào)制深度、恢復(fù)時(shí)間等。實(shí)際能流密度與SESAM的飽和能流密度的關(guān)系需要在實(shí)驗(yàn)中多次優(yōu)化。如果入射到SESAM的能流密度超過(guò)飽和能流密度時(shí)，激光的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)化為鎖模。由于能流密度又與入射光斑直徑的平方成反比關(guān)系，因此可以通過(guò)聚焦到SESAM上的光斑大小來(lái)改變激光的能流密度。我們首先選擇了聚焦光斑直徑約10μ m的非球面透鏡，并將SESAM置于非球面透鏡的聚焦光斑位置處，通過(guò)優(yōu)化SESAM端鏡以及適當(dāng)增加泵浦功率，激光的鎖模可以很好地啟動(dòng)并長(zhǎng)期保持，但是實(shí)現(xiàn)鎖模的泵浦光閾值和輸出功率都相對(duì)較低，這主要是由于聚焦光斑過(guò)小導(dǎo)致SESAM上的能流密度過(guò)高的原因所致。若要提高振蕩器的鎖模閾值和激光輸出功率，需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步擴(kuò)大聚焦光斑的直徑。經(jīng)優(yōu)化，最終我們實(shí)驗(yàn)所用非球面透鏡的聚焦光斑大約為20μ m。SESAM的調(diào)制深度則需要提前確定，實(shí)驗(yàn)中我們選擇了5組SESAM輔助鎖模，其調(diào)制深度分別是5.5%，6%，7%，8%和9%。實(shí)驗(yàn)研究表明，調(diào)制深度為9%的SESAM實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好，激光的輸出光譜、輸出功率以及鎖模狀態(tài)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性都是最優(yōu)的。而SESAM的恢復(fù)時(shí)間則盡量選擇較短的時(shí)間（～2ps），這更有利于超短脈沖激光的建立以及鎖模的啟動(dòng)。綜合上述分析以及實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)所選用SESAM的具體參數(shù)如下：調(diào)制深度為9%，恢復(fù)時(shí)間為2ps，飽和能流密度為60μJ/cm2，SESAM上的聚焦光斑直徑約為20μm。

圖1　飛秒摻鉺光纖激光源的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

激光振蕩器的鎖模脈沖經(jīng)過(guò)10%的耦合拉錐端輸出后，首先進(jìn)入到3.2m保偏傳輸光纖（PM-1550，PANDA）構(gòu)成的光纖展寬器中，傳輸光纖所提供的負(fù)色散可以在時(shí)域上展寬飛秒脈沖寬度，較寬的脈沖在光纖放大過(guò)程中具有較低的峰值功率，從而減少自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)的積累，還可以降低高峰值功率引入的器件損壞的可能[21]。隨后，展寬脈沖經(jīng)過(guò)集成于波分復(fù)用器內(nèi)的光纖隔離器傳輸至保偏光纖放大器（圖1下半部分）中，該光纖隔離器可以阻止有害的回光進(jìn)入振蕩器內(nèi)影響鎖模的穩(wěn)定性。光纖放大器為正、反向混合泵浦配置，每個(gè)泵浦都可以提供高達(dá)680mW的泵浦功率。相比于正向泵浦，反向泵浦結(jié)構(gòu)具有較高的光光轉(zhuǎn)化效率。在保偏光纖放大器中，保偏增益光纖（ER80-4/125-PM，nLight Photonics）的長(zhǎng)度約為85cm，該光纖在1530nm的吸收可以達(dá)到80dB/m，但其1550nm處的模場(chǎng)直徑（～5.6μ m）與保偏傳輸光纖的模場(chǎng)直徑相差較大，這種模場(chǎng)直徑間的不匹配會(huì)增加光纖熔接間的模場(chǎng)失配損耗（～0.5dB）；值得一提的是，該保偏增益光纖可以在1550nm處提供正色散，加上光纖放大過(guò)程引入的非線性效應(yīng)，最終使放大后的光脈沖具有正色散的特性，這為后續(xù)壓縮器的研究提供了便利，僅選擇可以提供負(fù)色散的保偏傳輸光纖（PM-1550 PANDA）即可實(shí)現(xiàn)脈沖的時(shí)域壓縮。實(shí)驗(yàn)研究證明，脈沖壓縮器的光纖長(zhǎng)度約50cm時(shí)，輸出脈沖具有最窄的時(shí)域?qū)挾取?/p>

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1飛秒激光振蕩器

組成飛秒激光振蕩器的保偏光纖光路長(zhǎng)度約為85cm，其中包括22cm長(zhǎng)的摻鉺保偏增益光纖。在實(shí)驗(yàn)中，激光諧振腔的調(diào)節(jié)主要依賴(lài)于SESAM的俯仰和左右傾斜以及非球面透鏡與SESAM間的距離。一旦激光諧振腔達(dá)成共振，除了適當(dāng)增加泵浦激光的功率外，還需要改變非球面透鏡與SESAM間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)激光的鎖模。圖2的曲線為鎖模脈沖輸出的光譜圖，此時(shí)泵浦光功率為230mW，鎖模激光輸出功率約為3mW，光譜的中心波長(zhǎng)在1557nm處，半高全寬為7.4nm左右。就鎖模光譜的對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)看（實(shí)線），Kelly邊帶較明顯地出現(xiàn)在激光光譜的兩側(cè)，證明該鎖模機(jī)制為傳統(tǒng)孤子鎖模[22]，即激光諧振腔內(nèi)的凈色散為負(fù)；而根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用光纖的色散參數(shù)分析，諧振腔內(nèi)的凈色散量約為-0.04ps2且無(wú)正色散提供，符合傳統(tǒng)孤子的脈沖演化條件。圖3（a）為鎖模脈沖序列的射頻譜曲線，實(shí)驗(yàn)所用的光電探測(cè)器帶寬為2GHz。圖3（a）中可以看到鎖模脈沖的重復(fù)頻率約為116MHz，其頻譜的諧波整齊排列且無(wú)雜波出現(xiàn)。為檢測(cè)鎖模的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們記錄了重復(fù)頻率的長(zhǎng)期漂移情況，如圖3（b）所示。在未封裝情況下，激光振蕩器在12h的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，重復(fù)頻率漂移500Hz且未有失鎖模的情況出現(xiàn)，這證明了該激光系統(tǒng)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模的特性。

圖2　飛秒激光振蕩器的輸出光譜圖

圖3　飛秒激光振蕩器鎖模脈沖序列的射頻譜曲線和12h的重復(fù)頻率漂移曲線

我們也通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了鎖模激光的輸出功率隨泵浦功率的變化情況。圖4（a）為輸出激光的光光轉(zhuǎn)化效率曲線，產(chǎn)生激光的泵浦光閾值約為40mW，但較低的內(nèi)腔功率使振蕩器的鎖模很難實(shí)現(xiàn)；當(dāng)泵浦功率增加至110 mW左右時(shí)，激光從直流狀態(tài)變化至鎖模狀態(tài)，隨著泵浦功率的提升，光譜寬度不斷增加，兩側(cè)Kelly邊帶也逐漸出現(xiàn)并越發(fā)明顯。當(dāng)泵浦功率為230mW時(shí)，激光輸出功率為3mW左右，至此鎖模都為穩(wěn)定的基波鎖模，進(jìn)一步增加泵浦功率會(huì)導(dǎo)致輸出光譜出現(xiàn)直流成分甚至破壞鎖模狀態(tài)；當(dāng)泵浦功率提升至250mW時(shí)，鎖模光譜重新變窄并且曲線光滑，光譜寬度隨著泵浦功率的提高而再度增加，但此時(shí)的射頻譜變得參差不齊，這主要是由于脈沖較高的峰值功率使其在諧振腔內(nèi)傳輸時(shí)發(fā)生孤子裂變的原因，這一階段的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)隨著泵浦功率繼續(xù)增加而反復(fù)出現(xiàn)，即表明孤子裂變的數(shù)目也隨著腔內(nèi)峰值功率的升高也增加。當(dāng)泵浦光功率為最大680mW時(shí)，振蕩器的最大輸出功率為8.5mW，這時(shí)的孤子裂變較為嚴(yán)重，不利于后續(xù)光纖放大和光學(xué)頻率梳的載波包絡(luò)相移頻率產(chǎn)生的研究，因此我們將振蕩器的泵浦功率降低回230 mW，在穩(wěn)定的基波鎖模狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。我們進(jìn)一步利用自相關(guān)儀測(cè)量振蕩器直接輸出的脈沖寬度，圖4（b）是強(qiáng)度自相關(guān)曲線，假設(shè)脈沖形狀為雙曲正割（sech2）類(lèi)型，可以得知輸出脈沖的寬度約為385 fs，計(jì)算所得的時(shí)間帶寬積為0.352，稍大于理論值0.315，這可能是由于輸出激光經(jīng)過(guò)一段保偏光纖傳輸而引起了時(shí)域展寬的原因。

圖4　飛秒激光振蕩器輸出光的光光轉(zhuǎn)化效率曲線圖和鎖模脈沖寬度的自相關(guān)曲線

如上所述，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了飛秒激光振蕩器的長(zhǎng)期鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，鎖模脈沖的重復(fù)頻率為116MHz，輸出功率約為3mW，脈沖寬度為385fs。激光振蕩器的結(jié)構(gòu)由全保偏光纖熔接構(gòu)成，可以有效地抵抗環(huán)境干擾；鎖模狀態(tài)也可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)且可以保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。光路中僅有的SESAM空間聚焦光路也可以利用光纖元件的封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全光纖化，最終實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)、免維護(hù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模的飛秒激光振蕩器研究。

2.2全保偏光纖放大器

飛秒激光振蕩器輸出的種子激光經(jīng)過(guò)光纖展寬后，脈沖寬度增加到600fs左右，并進(jìn)一步進(jìn)入到放大器中實(shí)現(xiàn)光纖放大。放大的光光轉(zhuǎn)化效率曲線由圖5（a）給出，曲線中明顯的斜率增大的位置是由于正向和反向泵浦配置的效率不同所致，光纖放大開(kāi)始時(shí)使用的是正向泵浦方式，其放大的效率相對(duì)較低，隨后利用反向泵浦則具有較高的效率。最終經(jīng)過(guò)光纖放大后，輸出功率最高可達(dá)218mW，相應(yīng)的單脈沖能量近1.9nJ，整個(gè)放大的光光轉(zhuǎn)化效率約為16%。

圖5　全保偏光纖放大器的放大效率曲線圖和放大脈沖輸出光譜圖

圖5（b）為放大脈沖的輸出光譜曲線。相比振蕩器輸出光譜，光纖放大光譜具有明顯的調(diào)制，這主要是由于光纖放大過(guò)程中自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)所致[23]。在脈沖的功率升高過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)中可以明顯觀察到光譜調(diào)制逐漸出現(xiàn)及光譜寬度逐漸增加的過(guò)程，而較寬的光譜在理論上可以支持更窄的脈沖，但是脈沖在光纖放大過(guò)程中經(jīng)歷了增益光纖提供的正色散以及非線性效應(yīng)后具有一定的正啁啾，需要后續(xù)提供適當(dāng)?shù)呢?fù)色散將脈沖壓縮回較窄的寬度。根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)上多次嘗試，脈沖壓縮的光纖長(zhǎng)度約為50cm時(shí)，輸出脈沖具有最窄的脈寬，同樣假設(shè)脈沖形狀為雙曲正割（sech2）型，脈沖的時(shí)域?qū)挾茸钫瓰?2fs，圖6為最窄脈沖寬度時(shí)的強(qiáng)度自相關(guān)曲線，由于壓縮后脈沖的二階色散補(bǔ)償接近于0，三階色散的作用表現(xiàn)越加明顯，加上非線性效應(yīng)的作用結(jié)果，最終脈沖的時(shí)域基底很難壓縮干凈，因此自相關(guān)曲線的兩側(cè)旁瓣稍顯突出，該現(xiàn)象是不可避免的。

圖6　全保偏光纖放大器輸出脈沖寬度的自相關(guān)曲線圖

總之，鑒于激光振蕩器的輸出脈沖具有較低的功率和較寬的脈寬，我們進(jìn)一步利用全保偏光纖放大對(duì)振蕩器輸出的種子激光進(jìn)行放大，最終輸出脈沖的平均功率約為218mW，單脈沖能量將近1.9nJ；經(jīng)高效率的光纖壓縮后，脈沖寬度最窄可達(dá)42fs，該結(jié)果為后續(xù)超連續(xù)光譜的擴(kuò)展及光學(xué)頻率梳研究打下了良好基礎(chǔ)。

3　結(jié)論

本文針對(duì)光學(xué)頻率梳的實(shí)際應(yīng)用需求，在實(shí)驗(yàn)上開(kāi)展了自啟動(dòng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模的飛秒摻鉺光纖激光源研究。該激光源主要由激光振蕩器和全保偏光纖放大器組成，其中激光振蕩器為線性腔結(jié)構(gòu)，主要基于全保偏光纖和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡搭建，經(jīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化，最終激光振蕩器輸出脈沖的重復(fù)頻率為116MHz，輸出功率為3mW，直接輸出的脈寬為385fs。后續(xù)光纖放大器為全保偏光纖配置，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)光纖展寬、光纖放大及脈沖壓縮等參數(shù)的優(yōu)化，將激光振蕩器輸出的種子激光放大至218 mW，單脈沖能量近1.9nJ的量級(jí)，并利用最優(yōu)長(zhǎng)度的保偏光纖對(duì)放大脈沖進(jìn)行時(shí)域壓縮，最終輸出最窄脈寬達(dá)到42fs。該激光系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)以及鎖模長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)，不僅滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多研究領(lǐng)域?qū)Τ堂}沖激光源的需求，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展至實(shí)驗(yàn)室外環(huán)境的應(yīng)用研究中，特別為光學(xué)頻率梳的應(yīng)用研究提供了實(shí)用化的光頻梳齒產(chǎn)生激光源。

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Self-starting,long-term stable mode-locked femtosecond erbium-doped fiber laser source

ZHANG Long1，2，ZHANG Yan-yan1，2，JIANG Hai-feng1，2，ZHANG Shou-gang1，2（1.National Time Service Center，ChineseAcademy of Sciences，Xi′an 710600，China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards，National Time Service Center，ChineseAcademy of Sciences，Xi′an 710600，China）

We demonstrate a self-starting，long-term stable mode-locked femtosecond erbium-doped-fiber laser in this paper，which includes a laser oscillator and a fiber amplifier.The laser oscillator consists of polarization maintaining fibers and a semiconductor saturable absorption mirror，possessing the superiority of high practicability and high reliability.It starts mode-locked state whenever the power is on.The direct output of the oscillator is about 3 mW with a repetition rate of 116 MHz and pulse duration of 385 fs.To improve the laser power，we develop an all polarization maintaining fiber amplifier，which increases the laser power to 218 mW，corresponding to～1.9 nJ of single pulse energy.The pulse duration is compressed to 42 fs by the nonlinear opticalamplifier and compressor.This laser source is a good candidate for the research of optical frequency metrology in critical environments.

mode-locked laser；erbium-doped fiber；optical frequency combs；soliton laser

TN21

A

1674-0637（2015）04-0193-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-04-0193-08

2015-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（91336101，61127901）；中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃西部博士資助項(xiàng)目（2013ZD02）

張龍，男，博士，助理研究員，主要從事超短脈沖激光產(chǎn)生及應(yīng)用，光學(xué)頻率梳的研究。