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专家视点
近十年来，中红外光纤激光器的发展取得了快速进展，特别是那些使用低声子能量氟化物玻璃的光纤激光器。在此，罗鸿禹等人采用基于铌酸锂双折射板的Lyot滤波器在非线性偏振旋转锁模掺铒中红外光纤振荡器中呈现可调孤子和可切换双波长脉冲输出。在单孤子状态下，通过借助其光谱滤波效应旋转双折射板，波长可以在2752.4-2807.2 nm（约55 nm）的范围内连续调谐，脉冲宽度在199-270 fs之间。在较高的泵浦水平下，研究人员观察到两种双波长同步锁模状态（即2746.4/2782.0 nm和2787.2/2825.2 nm），可以通过调整双折射板的旋转角度灵活切换。这项研究为发展多功能中红外超短激光源开辟了新的机遇。该工作发表在Optics Letters上。
Hongyu Luo, Jian Yang, Jianfeng Li and Yong Liu, Tunable sub-300 fs soliton and switchable dual-wavelength pulse generation from a mode-locked fiber oscillator around 2.8 µm, Optics Letters 46(4): 841-844 (2021).
近红外（0.8-2.5 µm）飞秒脉冲激光源支撑了从基础研究到工业应用的众多重要应用。在光谱学、聚合物加工和激光手术等日益增长的科学和工业需求的推动下，将其波长扩展到更长的中红外波段变得非常必要。近十年来，中红外光纤激光器的发展取得了快速进展，特别是那些使用低声子能量氟化物玻璃的光纤激光器。如今，稀土掺杂氟化物光纤激光器（如Er3+、Ho3+和Dy3+）在室温下能够在2.7-4 µm的光谱范围内实现强的连续波输出，数百纳米的宽发射带表明了其是可选择的飞秒产生平台。为了补充基于孤子自频移取得的成功，即通过控制注入的泵浦功率很容易实现可调谐的中红外飞秒脉冲，锁模仍然有利，因为色散、非线性、增益和损耗管理，使得在脉冲整形和调节方面具有灵活性。其波长可调谐的工作模式无疑也将进一步扩展其应用。到目前为止，在中红外波段的锁模光纤振荡器中引入了两种波长选择方法。一种通过将反射型刻划光栅插入可饱和吸收体锁模振荡器中来实现。基于这种结构，Wei等人与Shen等人研究了半导体可饱和吸收镜锁模掺钬和铒氟化物光纤振荡器，其可调范围分别为2842-2876 nm和2710-2820 nm。然而，直接诱导飞秒产生对可饱和吸收体锁模来说是一个巨大的挑战，同时激光带宽也受到光栅的严重限制。因此，仅实现了几到几十皮秒的脉冲宽度。另一种方法是通过使用声光可调谐滤波器进行锁模，同时基于频移反馈机制对激光器进行调谐。最近，Woodward等人使用这种方法构建了一个掺镝氟化物锁模光纤振荡器，实现了2970-3300 nm创纪录的~330 nm可调谐范围。随后，Henderson Sapir等人与Pawliszewska等人分别用掺钬和铒振荡器在~2.9和~3.5 µm波段进行了类似的工作。然而，目前商用的中红外声光可调谐滤波器的窄带宽导致了亚纳米激光带宽，因此，通过用声光调制器代替声光可调谐滤波器，以牺牲调谐能力为代价，可将几十皮秒的宽度进一步降低到几皮秒。
非线性偏振旋转作为另一种广泛使用的锁模技术，于2015年用于2.8 µm掺铒的氟化物光纤振荡器，将脉冲宽度推动至飞秒级。随后，人们继续努力，例如腔内脉冲窄化（131 fs）、能量/功率提升（9.3 nJ/43.3 kW）、多脉冲演化（孤子分子和谐波态）和更长波长工作（2.87 µm与3.08 µm）。与基于近红外石英光纤的同类产品相比，尽管基于中红外氟化物光纤的非线性偏振旋转系统由于缺乏商用全光纤组件而不够稳定和紧凑，但在由有源氟化物光纤决定的负色散状态下，仍在没有任何额外色散管理的情况下获得自启动飞秒孤子。此外，研究人员还实现了它们向少周期水平（15.9 fs）的种子外部时间压缩、功率提升（峰值>600 kW，平均功率>1 W）和波长扩展（3.6 µm）。研究发现，当采用合适的波长选择方法时，基于非线性偏振旋转的稀土掺杂氟化物光纤振荡器是产生可调谐中红外飞秒脉冲的潜力平台。然而，迄今为止还没有相关工作的研究。
非线性偏振旋转锁模激光器示意图，如图1(a)所示。泵浦源是一个高功率976 nm 激光二极管，其多模尾纤芯直径为105 µm（NA=0.22），可输出最大功率27 W。增益光纤是一段3.1 m的双包层7 mol%掺铒氟化物光纤，纤芯直径为15.6 µm（NA=0.12），内包层直径为260 µm（NA=0.4），其圆对称性被两个相距240 µm的平行平面打破。为了避免光纤端部菲涅耳反射引起的寄生激光，两者都以8°的角度切割。使用一对效率为80%的透镜（L1和L2）将泵浦激光器发射到光纤的一端，在透镜之间以45°的角度放置一个二向色镜来引导~2.8 µm的激光器。来自另一端光纤的激光使用另一个透镜准直，并通过输出耦合器输出，其在~2.8 µm处具有50%的反射。将四分之一波片、偏振相关隔离器和半波片插入腔中，形成典型的非线性偏振旋转结构。将厚度为1 mm、光轴平行于其表面的无涂层铌酸锂双折射片以Brewster角（65°）放置在四分之一波片和偏振相关隔离器之间，作为Lyot滤波器。众所周知，单个双折射片的厚度与自由光谱范围成反比。如果厚度太小，滤波器将具有相对较弱的波长选择能力，因为其随波长的传输变化缓慢，不适合波长调谐。相比之下，由于增益分布内两个相邻滤波通道的串扰，太大的厚度将导致调谐范围变窄。作为折中方案，选择厚度为1 mm的双折射片。为了表征其滤波特性，研究人员建立了如图1(b)所示的装置。首先，来自内部掺铒放大自发辐射源的~2.8 µm随机偏振光在通过偏振器和半波片后被转换为平行于工作台的线偏振光。然后，它穿过以Brewster角放置的双折射片。通过记录不同旋转角度的双折射片进出光路时的最终光谱，可以通过比较获得Lyot滤波器的透射光谱。需注意的是，双折射片总是围绕垂直于表面的轴旋转。
图2(a)展示了不同旋转角度下测量的透射光谱，它的半峰全宽带宽为47 nm，自由光谱范围为90 nm，几乎可以覆盖自由运行孤子光谱的5 dB带宽[图4(d)]。图2(b)是使用以下公式计算的理论结果：
首先，对无双折射片的自由运行非线性偏振旋转腔的输出进行了表征。在适当设置两个波片的位置后，当泵浦功率增加到1.3 W时，实现了稳定的基阶连续波锁模（CWML）状态，在此之前，只观察到连续波和不稳定的调Q锁模（QSML），如图4(a)所示。保持波片的位置不变，随着泵浦的进一步增加到>1.38 W，输出转变为准稳定脉冲（QSP）状态。随后，当泵浦达到1.50 W时，由于不稳定的调Q锁模再次终止。由于这里主要关注基阶连续波锁模，因此，没有进行进一步的泵浦提升。图4(b)展示了使用时间常数≤3 ns的(HgCd)Te光电探测器捕获的脉冲序列。1.4 ms范围内<1%的小幅波动突显出高时间稳定性，19 ns的脉冲间间隔与腔往返时间匹配良好，这意味着工作在基阶状态。52.3 MHz处基频拍频信噪比高达∼78 dB[图4(c)]且高次谐波峰值平滑下降和没有调制，这是由于探测器带宽引起的，表明没有多脉冲存在，如图4(c)插图所示。图4(d)是使用单色仪捕获的光谱。对于sech2分布的理论光谱，其中心波长为2794.5 nm，半最大全宽为35.1 nm，其中，明显的Kelly边带表明孤子运转。插图绘制了由商用自相关器测量的对应自相关迹。假设为sech2分布，推导出的脉冲宽度为 239 fs，对应的时带积为 0.322，接近变换极限。在1.38 W的泵浦功率下，实现了136.3 mW的最大孤子平均功率，脉冲能量和峰值功率分别为2.6 nJ和10.9 kW。
然后，将双折射片插入腔中，如图1所示，以构建Lyot滤波器。通过旋转双折射片，同时改变泵浦功率以补偿孤子形成所需的增益，实现了波长调谐。需注意的是，在此过程中，四分之一波片和半波片的位置保持不变。图5的左栏和右栏分别是2.1 ps（原始）和4.3 ps（平滑）扫描范围内记录的光谱和对应的自相关迹。可以看出，在明显的Kelly边带标识的孤子状态下，锁模脉冲的波长可以从2752.4 nm至2807.2 nm（约55 nm）之间连续调谐，而脉冲宽度在近变换极限水平下在199-270 fs的时间范围内变化。虽然由于在2.8 µm附近环境水汽的强吸收导致光谱中出现多个主峰的情况，但激光实际上工作在单波长状态，因为在较宽的4.3 ps扫描范围内的自相关迹中未见到多拍频峰。在这种情况下，调谐范围的进一步扩展受到Lyot滤波器的自由光谱范围的限制。通过将多个双折射片级联作为具有更大自由光谱范围的滤波器，预计在掺铒氟化物光纤的增益带内实现更宽的调谐范围。
在较高的泵浦水平下，由于滤波器施加的两个离散波长的增益平衡，可以通过单独旋转双折射片来实现双波长锁模状态。图6展示了两个代表性的光谱和相应的自相关迹，这些迹线经过平滑处理，以便更好地观察光学拍频。左上角子图中的光谱在2.19 W的泵浦功率下捕获，其中有两个强光谱带，中心分别为2746.4 nm和2782.0 nm，半高全宽分别为5.4 nm和3.7 nm。这种状态可以在2.02-2.19 W的泵功率范围内实现。其时间行为和频谱分别与图4(b)和4(c)中给出的相似。在扫描范围为13 ps的相关自相关迹中，在两个载波频率之间看到的清晰光学拍频表明了同步锁模运转。考虑到Δv×t=1的关系，1.40 THz的频率差（即35.6 nm的间隔）对应于0.72 ps的理论拍频周期，其中，Δv是双波长的频率差，t是拍频周期。这与自相关迹中0.75 ps的拍频周期非常一致，假定sech2脉冲轮廓，从中可以推导出2.01 ps的脉冲宽度。在几乎相同的泵浦范围内，通过调整双折射片的旋转角度，可以将输出切换到另一种双波长同步锁模状态，双折射片有两个以2787.2 nm和2825.2 nm为中心的强光谱带，如左下图所示。相应的自相关迹导致频率差匹配的拍频周期为0.7 ps，脉冲宽度为2.48 ps。尽管通过稍微旋转双折射片，两种状态的特定波长能够在几纳米的范围内进行调谐，但由于掺铒氟化物光纤的窄强增益带，35-40 nm的波长间隔与90 nm的无滤波器光谱范围不一致。事实上，双波长分量被确定位于两个相邻的滤波通道（对于前一种状态）和一个相同的通道（对于后一种状态，它们具有由Lyot滤波器、偏振相关隔离器和光纤增益分布确定的近腔内净增益。为了实现多波长锁模状态，优选具有较小自由光谱范围的较厚的基于双折射片的Lyot滤波器。
总之，研究人员使用基于铌酸锂双折射片的Lyot滤波器，在2.8 µm附近的非线性偏振旋转锁模掺Er3+光纤振荡器中实现了可调谐孤子和可切换双波长脉冲的产生。借助Lyot滤波器光谱滤波效应，宽度低于300 fs的孤子可以在2752.4-2807.2 nm的范围内连续调谐。此外，在特定的增益平衡条件下，实现了两种可切换的双波长同步锁模运转状态，这标志着该频段的第一个双波长锁模光纤振荡器。未来，这种通用方法可以转移到其他稀土掺杂光纤平台（例如，Dy3+@3 µm、Er3+@3.5 µm、Ho3+@3.9 µm），以开发多功能中红外超短激光源。
研究人员简介
罗鸿禹，电子科技大学光电科学与工程学院副研究员，研究方向为中红外光纤激光、超快光纤激光、低维材料与光纤非线性等。
E-mail: hongyuluo@uestc.edu.cn
李剑峰，电子科技大学光电科学与工程学院教授，研究方向为光纤激光技术、中红外生物光子技术、光电传感等。
E-mail: lijianfeng@uestc.edu.cn
