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专家视点
在中红外光谱区工作的超快激光源由于其广泛的科学和工业应用，如分子光谱、材料加工和医疗手术，具有重要意义。在此，深圳大学郭春雨教授团队实现了一种基于大模场面积Er:ZBLAN光纤的2.8 µm混合锁模光纤激光器。通过非线性偏振旋转和半导体可饱和吸收体的组合实现了可靠的自启动锁模。实验中，产生了脉冲能量为9.4 nJ、脉冲持续时间为325 fs的稳定锁模脉冲。测得的M2因子低于1.13，表明获得了高光束质量的光束轮廓。在高泵浦功率下，研究人员观察到一种特殊的多孤子锁模状态，其中孤子之间的时间间隔从几十皮秒到几纳秒不等。这项研究为提高中红外锁模氟化物光纤激光器的脉冲能量提供了一种有效的方法，具有广泛的应用前景。该工作发表在Optics Letters上。
Lin-Peng Yu, Zi-Ya Tang, Jin-Hui Liang, Qing-Hui Zeng, Jia-Chen Wang, Xing Luo, Jin-Zhang Wang, Pei-Guang Yan, Fan-Long Dong, Xing Liu, Qi-Tao Lue, Chun-Yu Guo, and Shuang-Chen Ruan, High-energy femtosecond pulse generation from a hybrid mode-locked large-mode-area Er:ZBLAN fiber laser, Optics Letters 48(7): 1830-1833 (2023).
在中红外光谱区工作的超快激光源由于其广泛的科学和工业应用，如分子光谱、材料加工和医疗手术，具有重要意义。锁模氟化物光纤激光器由于其结构紧凑、效率高、高光束质量等优点，近年来引起了人们的广泛关注，是产生中红外超短脉冲的一个很有前途的平台。基于锁模氟化物光纤激光器，研究人员使用各种锁模技术产生了约3 µm的超短脉冲，包括非线性偏振旋转、频移反馈和各种实际可饱和吸收体（半导体可饱和吸收镜、黑磷、金纳米线等）。最近，在氟化物光纤激光器中实现了混合锁模技术。与非线性偏振旋转锁模相比，混合锁模具有更好的噪声抑制和更高的时间稳定性。锁模氟化物光纤激光器的快速发展使中红外纳焦级飞秒脉冲的直接产生成为可能。
新的应用激发了对具有更高脉冲能量同时保持超短脉冲持续时间的高性能激光器的持续研究。由于氟化物光纤在中红外光谱范围内的反常色散，锁模氟化物光纤激光器通常在孤子区工作，这需要非线性和色散之间的平衡。脉冲能量受孤子面积定理的限制，而高非线性相位的积累将导致脉冲分裂。振荡器外的放大是增加飞秒孤子脉冲能量的最直接方法，而需要庞大而复杂的光学系统。腔内色散管理是提高激光器性能的常用方法，可以有效地减少累积的非线性相位，减轻脉冲能量限制效应。最近，Qin等人通过将激光从孤子推进到呼吸脉冲锁模，2.8 µm飞秒脉冲的脉冲能量达到了9.3 nJ。然而，由于传统单模氟化物光纤的纤芯尺寸较小（通常约为16 µm），因此，相对较大的非线性将阻碍脉冲能量的进一步提升。缩短氟化物光纤的长度也可以降低腔的净非线性，从而产生具有潜在更高脉冲能量的锁模脉冲，例如，Duval等人使用长度为1.6 m的短氟化物光纤实现了2.8 µm、能量为7 nJ的270 fs脉冲，然而，该光纤存在严重的自启动问题。因此，应该做出更多努力来提高锁模氟化物光纤激光器的性能。
混合锁模大模场面积Er:ZBLAN光纤激光器的原理图，如图所1示。泵浦源是商用976 nm激光二极管，具有纤芯直径为105 µm、数值孔径（NA）为0.22的尾纤输出光纤。通过使用平凸透镜L1（f=10 mm）和非球面透镜L2（f=20 mm），泵浦光被准直并聚焦到增益介质中。增益介质是4米长的双包层6 mol.%Er:ZBLAN光纤。光纤芯的直径为30 µm（NA=0.12），周围是直径为300 µm的内包层（NA=0.51），在2.8 µm处支持六种简并波导模式。大的纤芯直径确保了低的光纤非线性，从而确保了高脉冲能量运转。为了有利于激发基模，大模场面积Er:ZBLAN光纤以7 cm的半径盘绕，以抑制高阶模。此外，仔细调整腔对准，以优化注入模式场与输入光纤端的增益光纤的重叠，从而实现空间滤波。光纤两端都以8°的角度裂开，以避免寄生激光。为了进行热管理，增益光纤的前端和后端安装在带有V形槽的金属固定装置上，而其他部件则固定在铝板上。来自输出光纤端的光由另一个非球面透镜L3（f＝20 mm）准直。将二向色镜DM2（在976 nm处T=90%，2.8 µm左右R>95%）放置45°，以过滤残余泵浦。从偏振分束器（PBS）的输出端口获得线性偏振输出脉冲。由放置在一对ZnSe透镜（L4，L5，f=6mm）之间的商用半导体可饱和吸收体组成，而非线性偏振旋转单元由半波片、偏振相关隔离器和四分之一波片组成。隔离器确保了信号在环形腔中的单向传播。基于混合锁模技术，利用非线性偏振旋转和可饱和吸收体的协同作用，实现了可靠的自启动锁模。
当泵浦功率增加到大约1 W时，研究人员观察到连续波激光发射。在3.1 W的泵浦功率下，在适当的波片设置下，可以获得2.8 µm的平均功率为310 mW的稳定锁模脉冲。锁模状态可以通过泵浦功率增加到3.6 W来维持，超过该功率可以观察到调Q锁模运转。进一步将泵浦功率增加到5.2 W将迫使激光器在多孤子状态下工作。随后，当泵浦功率达到5.9 W时，它再次被调Q锁模机制终止。图2描述了在不同操作模式下平均输出功率随泵浦功率的演变，其中A、B和C分别表示单孤子模式、调Q锁模模式和多孤子模式。可以看出，无论运转状态如何，平均输出功率几乎与泵浦功率线性增加，导致13.8%的斜率效率。单孤子态的最大平均输出功率为386 mW，对应于9.4 nJ的脉冲能量。
研究人员表征了锁模脉冲在单孤子状态下的详细性能，并在图3中给出了结果。脉冲串由中红外光电探测器（带宽，250 MHz）监测，该探测器与数字示波器（带宽，1 GHz）相连。图3(a)显示了在200 ns和4 ms时间尺度上测量的脉冲串，其中没有观察到明显的调制，显示了高度的时间稳定性。24.4 ns的脉冲间间隔与腔往返时间匹配良好。频谱分析仪测量的频谱，如图所示。第3(b)显示，在41 MHz的基频下，信噪比高达75 dB。良好的稳定性归因于混合锁模技术的固有优势。如图3的插图所示，谐波在没有调制的情况下平滑衰减，证实了单脉冲状态。使用商业强度自相关仪测量脉冲持续时间。图3(c)显示了自相关迹，由sech2形状的轮廓很好地拟合。位于两翼的二次峰由强色散波引起。脉冲持续时间为325 fs，假设为sech2脉冲形状。考虑到9.4 nJ的脉冲能量，相应的峰值功率估计为28.9 kW。光谱由光谱分析仪测量，该分析仪的波长范围为1.5至3.4 µm，如图3(d)所示。由共振色散波引起的光谱中典型的Kelly边带证实了孤子锁模运转，而光谱下降是由于信号在长自由空间传播中的水蒸气吸收引起的。
光束质量是大模场面积光纤激光器的一个重要参数。因此，研究人员检查了单孤子状态下锁模脉冲的光束质量。图4描述了M2因子的测量结果，其中插图显示了相应的准直光束轮廓。该光束具有平滑且对称的分布。M2因子被测量为x轴为1.05，y轴为1.13，产生1.09的平均M2值。近乎衍射极限的光束质量表明，在单孤子状态下，激光腔中的高阶横模得到了有效的抑制。
研究人员简介
郭春雨，深圳大学物理与光电工程学院教授，研究方向为近红外和中红外波段光纤激光器。
E-mail: cyguo@szu.edu.cn
