基于平行集成光纤布拉格光栅的自同步多色调Q光纤激光器

在相干脉冲合成、非线性频率转换、时间分辨成像和光谱学以及新型波包的发现等应用中，具有不同波长的同步脉冲源是非常理想的。由于其在稳定性、效率和紧凑性方面的巨大优势，锁模调Q光纤激光器一直被认为是最好的先进脉冲源，包括同步多色脉冲光纤激光器。然而，光纤固有的一阶色散使多色脉冲以不同的群速度传播并在腔内发生周期性碰撞，这给同步带来了挑战。迄今为止，解决方案可分为三类：(i) 非线性耦合多腔配置；(ii) 接近零群速度色散腔；(iii) 利用可编程脉冲整形器进行群延迟补偿。上述方法已广泛应用于同步锁模光纤激光器。

与同步多色超短脉冲相比，同步持续时间更长的多色脉冲似乎对腔色散的依赖性更小，例如同步多色调Q激光器，它在相干多普勒和差分吸收激光雷达中显示出巨大潜力。例如，2012 年，Wang等人在调Q光纤激光器中实现了同步双色微秒脉冲，尽管其净腔群速色散高达-1.45 ps² 。因此，科学家们主要关注如何在单腔中产生不受色散影响的多色调Q脉冲，这也是另一个备受关注的关键问题。由于增益均匀展宽引起的模式竞争，单腔激光器通常工作在单色状态。

目前，光谱滤波器已被广泛用于在单腔中产生同步多色调Q脉冲。其中，光纤布拉格光栅因其独特的全光纤集成潜力而受到更多关注。Luo和Zhang等人通过光纤布拉格光栅产生的同步双色调Q光纤激光器，其波长间距低于0.4 nm。通过沿腔级联两个光纤布拉格光栅，Liu等人实现了波长间距为0.8 nm的同步双色调Q光纤激光器，波长间距由两个级联光纤布拉格光栅决定。然而，沿腔的纵向空间级联两个或多个光纤布拉格光栅实际上是一种多腔配置，需要精确控制腔长失配以确保同步。因此，可定制工作波长、波长间距和波长数的单腔多色滤波器值得进一步探索。此外，多色调Q脉冲的腔内同步机制（包括腔色散的作用）尚未揭示。

图1显示了同步多色调Q掺铒光纤激光器的实验装置。它由980/1550 nm波分复用器、3.5 m掺铒光纤(D=-18.5 ps nm^-1km^-1)、三端口环行器、平行集成光纤布拉格光栅、偏振控制器和碳纳米管可饱和吸收体组成。其他光纤包括所有光纤组件的尾纤，均为标准单模光纤(D=17 ps nm^-1km^-1)，总长度为4.5米。腔长和净腔群速色散分别估计为8米和-0.015 ps² 。激光由波长为976 nm的激光二极管泵浦，通过碳纳米管可饱和吸收体进行调Q，并通过偏振控制仪进行优化，然后，从平行集成光纤布拉格光栅的传输端口输出。在碳纳米管直径为1.0-1.5 nm的情况下，碳纳米管可饱和吸收体的调制深度、非可饱和吸收和饱和强度的测量值分别为6.1%、38.6% 和160.2 MW/cm、2160.2 MW/cm²。平行集成光纤布拉格光栅由标准单模光纤纤芯中多个不同波长的平行刻划光纤布拉格光栅组成，采用飞秒激光逐点平行刻划法制造。与之前沿腔级联光纤布拉格光栅相比，平行集成光纤布拉格光栅在单模光纤的横向空间中复用了光纤布拉格光栅，不仅能提供鲁棒的多色滤波，还能确保多色脉冲在腔内沿相同路径传播，而不会产生额外的群延迟，有利于实现腔内同步运转。

首先，研究人员制作了一个平行集成光纤布拉格光栅，并将其应用于激光腔中。如图1所示，平行集成光纤布拉格光栅由单模光纤芯中的两个平行刻光纤布拉格光栅组成，光栅间距分别为1.608 µm和1.612 µm，在1551.9 nm和1555.6 nm波长处呈现两个反射峰，反射率分别为31.0%和26.4%。当泵浦功率高于20 mW时，该激光器可实现稳定的自同步双色调Q脉冲。图2显示了1552.0 nm (λ₂)和 1555.9  nm (λ₁)为中心的同步双色脉冲的典型状态。值得注意的是，在示波迹上只能观察到一个脉冲。如图2(b)所示，通过可调谐带通滤波器进行的分辨脉冲测量证实，两种颜色的激光器在调Q状态下工作，脉冲间隔相同，均为47.3 µs，表明两个脉冲在时域上同步和重叠。总脉冲(λ1+λ₂)和单个脉冲(λ₁, λ₂)的重复频率相同，均为21.1kHz，如图2(c)所示，进一步证实了双色脉冲的同步性。总脉冲和单个脉冲的半最大全宽分别为3.5 µs和3.4 µs，如图 2(d)所示。此外，与平行集成光纤布拉格光栅的反射光谱相比，双色脉冲的中心波长出现了0.1-0.3 nm的红移，如图1所示。这是由于在高能量脉冲照射下，热积累导致光栅间距增大。由于平行集成光纤布拉格光栅的偏振依赖性，激光器的性能，包括启动阈值、稳定性和双色脉冲的相对强度，都可以通过调整偏振控制来灵活优化。

在保持其他设置不变的情况下，通过改变泵浦功率来研究同步双色脉冲的演变。如图3(a)所示，随着泵浦功率从20 mW增加到320 mW，总脉冲和单个脉冲的持续时间缩短，而重复率增加。图3(a)和3(b)是Q 开关激光器的典型特征，在演化过程中，它们的重复率始终保持相同，这表明双色脉冲具有稳健的同步性，这种同步运行状态至少可以维持2小时。双色脉冲的脉冲间强度稳定性约为±5%。双色脉冲的平均输出功率和单脉冲能量随着泵浦强度的增加而增加，最大值分别为19.0 mW和0.3 µJ。

为了阐明腔内自同步机制，研究人员进一步研究了同步双色调Q激光器的起始动态。如图5(a)-5(c)所示，连续波开始脉动，由于碳纳米管可饱和吸收体的可饱和吸收，在λ₁处形成一个调Q脉冲，这是一个被动调Q过程。之后，在λ₂处出现连续波激光，并迅速转变为与λ₁处脉冲具有相同重复率和持续时间的调Q 脉冲状态，如图5(d)和5(e)所示，最后，双色脉冲演化成具有相似强度的稳定状态。实验中，λ₁处的脉冲总是首先自启动，然后，λ₂处的脉冲紧随其后。

其动力学原理可解释如下，λ₂处脉冲的启动由λ₁处的脉冲通过主动Q开关机制同步触发，其中，λ₁处的第一个自启动被动调Q脉冲周期性地漂白碳纳米管可饱和吸收体，从而周期性地调制λ₂处连续波激光腔的品质因子，导λ₂处脉冲的启动，其重复率与λ₁处脉冲的重复率相同。在稳态运行期间，双色脉冲通过碳纳米管可饱和吸收体中的交叉可饱和吸收调制效应相互调制，从而产生鲁棒的时间同步和重叠。基于纳米材料的中的这种效应已在多色超短脉冲的全光调制和被动同步中得到证实。当群延时差从0增大到±3.4 ps时，交叉可饱和吸收调制效应由于双色脉冲的重叠度降低而逐渐减弱，但同步状态仍然保持；当群延时差超过±3.4 ps时，交叉可饱和吸收调制效应不足以补偿较大的时间偏移，导致同步中断，λ₂处的有源Q开关脉冲消失，这与图4中的结果非常吻合。

利用平行集成光纤布拉格光栅和三个平行刻入光纤布拉格光栅，可以获得同步三色调Q脉冲，如图6(a)和6(b)所示。在实验过程中，只观察到一个稳定的单脉冲序列，分辨脉冲序列显示出相同的脉冲间隔和重复率，表明三色脉冲是同步的。由于同步脉冲的中心波长、波长间距和波长数由平行集成光纤布拉格光栅决定，因此，可以通过控制平行积分光纤布拉格光栅的空间分布、光栅数和光栅间距来实现同步大于4种波长的多色调Q开关光纤激光。

总之，研究人员利用平行集成光纤布拉格光栅实现了同步多色调Q掺铒光纤激光器。当相邻光谱之间的群延迟差在-3.4~3.4ps之间时，多色调Q脉冲是自同步的。动态分析显示，腔内自同步归因于碳纳米管可饱和吸收体的可饱和吸收效应：(i) 一种波长的脉冲首先通过被动调Q自启动，然后，通过主动调Q迫使另一种波长的连续波激光同步启动；(ii) 碳纳米管可饱和吸收体中多色脉冲之间的交叉可饱和吸收调制效应可以在一定程度上自发补偿多色脉冲由于一阶腔色散而产生的时间走离。相信基于这种自同步机制，通过将平行集成光纤布拉格光栅集成到光纤激光器中，可以实现可定制波长的同步调Q脉冲。同步多色调Q光纤激光器可用作多波长相干多普勒和差分吸收激光雷达的激光源，用于遥感、污染监测和医疗诊断。