高功率高重复频率飞秒掺镱光纤激光频率梳的研究(特邀)

飞秒光学频率梳在精密计量学和光谱学中扮演着革命性的推动角色,成为近二十年超短脉冲激光技术及应用研究领域最活跃的前沿方向之一。文中基于250 MHz重复频率（frep）的掺镱（Yb）光纤激光器,研究了不同腔内色散以及锁模机制对飞秒脉冲序列载波包络相位偏移频率（fCEO）噪声的影响。通过对飞秒光梳细节的优化,得到了49 dB信噪比的fCEO拍频信号并获得了秒稳3.210-10的锁定结果,同时frep的锁定结果也达到了到了秒稳3.410-13的精度。此外文中还研究了不同啁啾状态的种子光飞秒脉冲对基于大模场面积双包层Yb光子晶体光纤放大器输出光脉冲宽度的影响。以携带-3.8104 fs2预啁啾量的光脉冲作为种子光,在60 W 976 nm半导体激光泵浦下,获得了250 MHz重复频率、23 W平均功率和66 fs压缩后脉冲宽度的激光输出。     

基于45°倾斜光栅的重复频率可切换被动谐波锁模光纤激光器

基于非线性偏振旋转（NPR）技术,搭建了一台重复频率可切换的被动谐波锁模掺铒光纤激光器。腔内45倾斜光纤光栅（45 TFG）作为一种理想的光纤型起偏器,与两侧偏振控制器（PC）一起实现非线性偏振旋转效应,实现激光器的稳定锁模输出。在673 mW恒定泵浦功率下,通过调节腔内的PC,观测到了从基频到37阶谐波等多种锁模状态。该激光器可产生稳定的最高重复频率脉冲为783 MHz,对应的谐波阶数是37阶,且具有41 dB的边模抑制比（SSR）。高重复频率且稳定性好的脉冲可用于特定的应用中,如现代光通信系统、光学传感等。     

石墨烯锁模的全保偏光纤激光器

报道了一种基于反射式石墨烯可饱和吸收镜锁模的全保偏掺铒光纤激光器。分别使用单层和十层石墨烯作为可饱和吸收器件,通过全保偏结构,避免了外界环境对腔内偏振态的影响,获得了高稳定性、高偏振度、易自启动的锁模脉冲输出,脉冲宽度分别为697 fs和502 fs。实验表明,十层石墨烯相比于单层石墨烯能够获得更窄的脉冲宽度,更高的峰值功率,具有好的锁模效果。研究同时发现,经十层石墨烯锁模,进一步提高泵浦功率,可在全保偏光纤腔中获得重复频率62.94 MHz的二阶谐波锁模脉冲输出。并通过非线性薛定谔方程对谐波锁模产生的机理进行了分析。这种基于反射式可饱和吸收镜的全保偏锁模光纤激光器有望成为实现基频锁模与谐波锁模可切换的单偏振激光源。     

主动有理谐波锁模光纤激光器

利用有理谐波锁模,实现了锁模光纤激光器输出光脉冲重复频率的倍增,得到了重复频率10GHz~50GHz输出脉冲.     

高次谐波混合锁模脉冲生成及其数值仿真研究

对混合锁模掺铒光纤激光器中高阶谐波锁模脉冲生成进行了试验和仿真研究。利用非线性偏振旋转技术和碳纳米管可饱和吸收体相结合的混合锁模技术，有效降低谐波脉冲锁模泵浦阈值，更加有利于锁模自启动。通过增加泵浦功率，利用峰值功率钳位和孤子能量量化效应，可实现泵浦功率和脉冲重复频率呈线性关系的谐波锁模脉冲输出。当泵浦功率调节为198.8 mW时，激光器最高输出重复频率约为1.31 GHz,约72阶谐波锁模脉冲，其超模抑制比约为35 dB。同时采用基于修正的非线性薛定谔方程进行了数值模拟，通过调节小信号增益系数为3.4和4.4时，单脉冲分裂为等周期间距的2阶和3阶谐波锁模脉冲，数值仿真结果和试验数据基本相吻合。谐波混合锁模脉冲生成的试验和理论结果有利于进一步了解光纤激光器中谐波脉冲的生成原理和方法。     

主动锁模飞秒光纤激光器

报道了主动锁模飞秒脉冲掺Er3 光纤激光器的实验结果。在光纤环形腔中通过引入粗波分复用器(CWDM)作为宽带滤波器,实现了中心波长在1550 nm,重复频率为2.5 GHz,谱线3 dB带宽为10.2 nm(对应的脉冲宽度为247 fs)的激光脉冲输出。此时的抽运功率为186 mW,激光器输出平均功率为1.3 mW,从而获得了能够产生飞秒脉冲的高重复频率主动锁模掺Er3 光纤激光器。     

同步泵浦锁模掺铒光纤激光器

通过对泵浦光源半导体激光器(LD)的驱动电源进行正弦调制,实现了掺铒光纤激光器(EDFL)的同步泵浦锁模。在相应于谐波锁模、有理数谐波锁模条件下得到了稳定的脉冲输出。对重复频率544．431。kHz的二次谐波锁模脉冲序列,脉冲宽度为420．4ns,占空比为1．0：4．4,峰值功率为3．34mW;实验中还观察到了自调Q现象,脉冲序列的重复频率为18．25MHz,脉冲半宽度为8ns,占空比为1．0：6．9,峰值功率为2．3mW。     

功率4.1 W，脉宽48 fs，重复频率74 MHz的掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器

基于克尔透镜锁模机制，实现了掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器的高平均功率和短脉宽输出。使用功率为16 W、波长为532 nm的连续光进行泵浦，使用高折射率的棱镜对进行色散补偿，同时使用狭缝辅助锁模，实验获得了平均输出功率为4.1 W、脉冲宽度为48 fs、重复频率为74.15 MHz的飞秒脉冲。相比当前同类型激光器参数（20 W泵浦光下输出功率为4 W，脉宽为130 fs，重复频率为76 MHz的飞秒激光），功率提升了2.5%，光-光转换效率提高了28%，脉宽缩短了63%，峰值功率提升了2.8倍。     

高能量飞秒脉冲掺Er3 光纤激光器

为了从反常色散光纤构成的飞秒锁模掺Er^3＋光纤（EDF）激光器获得高能量锁模脉冲，提出了采用集总放大器和高损耗耦合输出器有机组合的办法来设计激光器腔体。实验结果表明，该方法能有效地减小降低腔内脉冲能量周期性波动，抑制频谱边带幅度，提高飞秒脉冲高能量及其频谱宽度。采用非线性偏振旋转机制进行锁模，成功获得谱线宽度为18．0nm、重复速率为14．0MHz、脉冲宽度约200fs、单脉冲能量超过1nJ稳定锁模光脉冲，并且激光器自启动锁模泵浦阈值小于20mW。     

基于半导体光放大器交叉增益调制效应的主动锁模光纤激光器

提出一种腔内损耗小的基于半导体光放大器(SOA)交叉增益调制效应(XGM)的主动锁模光纤激光器结构。使用光环行器成功减小了激光器的腔内损耗,提高了激光器的输出功率。从理论上对有理数谐波锁模过程中腔内脉冲复合的物理机制进行了详细分析。利用有理数谐波锁模技术,在调制频率为10 GHz下,得到了重复频率为30 GHz的皮秒级光脉冲序列输出,其峰值功率约0.5 mW。由于半导体光放大器的宽增益谱与滤波器的较大可调谐范围,使得激光器输出可以在较大的波长可调谐范围内保持较大功率输出。成功实现了调制频率为20 GHz的谐波锁模短光脉冲输出,可调谐范围达40 nm,峰值功率大于0.65 mW。半导体光放大器和激光器的短腔长保证了激光器的长期稳定性。     

High-repetition-rate optical pulse generation using a rationalharmonic mode-locked fiber laser

Rational harmonic mode locking takes place in an actively mode-locked fiber laser when the modulation frequency f_m=(n+1/p)f_c, where n and p are both integers and f_c is the inverse of the cavity round-trip time, the 22nd order of rational harmonic mode locking has been observed when f_m ≈1 GHz. An optical pulse train with a repetition rate of 40 GHz has been obtained using a modulation frequency f_m=10 GHz. The theory of rational harmonic mode locking has also been developed. The stability of the mode-locked pulses is improved considerably when a semiconductor optical amplifier is incorporated into the fiber laser cavity. The supermode noise in the RF spectrum of a mode-locked laser is removed for a certain range of current in the semiconductor optical amplifier     

Mode-locked erbium-doped fiber ring laser using intracavity polarization-maintaining loop mirror

Erbium-doped fiber lasers at repetition rate of 40 and 80 GHz are demonstrated in an injection-locked and rational harmonic mode-locked ring cavity. The cavity has a polarization-maintaining loop mirror. The injection-locking pulse is generated at repetition rates of 20 and 40 GHz from another rational harmonic mode-locked fiber laser. When these pulses are injected into the second fiber laser, pulses at twice the repetition rates viz. 40 and 80 GHz are produced.     

调Q锁模类噪声方波脉冲掺铒光纤激光器

对基于非线性偏振旋转技术的L波段掺铒被动锁模光纤激光器中产生调Q锁模类噪声方波脉冲进行了实验研究。该类型脉冲中调Q包络内部包含的脉冲是基频方波,通过自相关迹证实该方波为类噪声脉冲。为了容易实现类噪声方波脉冲输出,将一段250 m普通单模光纤引进激光腔内。适当调节腔内的偏振控制器和泵浦功率,获得了基频为778.21 kHz的连续波锁模类噪声方波脉冲和由3.81 kHz可调谐到9.01 kHz的重复频率,单个调Q包络最高能量为1.06 J的调Q锁模类噪声方波脉冲。研究结果有利于进一步理解被动锁模光纤激光器中类噪声脉冲和调Q锁模的机理和特性。     

Synchronous mode-locking in passively mode-locked semiconductor laser diodes using optical short pulses repeated at subharmonics of the cavity round-trip frequency

Synchronous mode-locking was achieved in passively mode-locked semiconductor lasers using optical pulses with repetition rates at subharmonics of the cavity round-trip frequency. Stable and continuous mode-locked pulses at 8.5 GHz were generated when the repetition rate of the control optical pulses was 4.25 GHz (2nd subharmonic). The timing jitter of the mode-locked pulses was reduced to 1 ps. The relationship between repetition rates of the control pulses and the realization of stable and continuous mode-locking was examined.     

Wavelength and Repetition-Rate Tunable Mode-Locked Semiconductor-Seed-Source for Yb-Fiber-Amplifier Systems

We present a wavelength and repetition-rate tunable passively mode-locked semiconductor-seed-source for ytterbium-doped fiber amplifiers (YDFAs). Ultrashort pulses 2-6 ps in duration are generated over a broad tuning range of 1030-1090 nm, while passive harmonic mode-locking permits pulse repetition rates to vary from 500 MHz to over 5 GHz. We compare the amplification characteristics under fundamental and eighth harmonic mode-locking using a single-mode YDFA.     

"Rational harmonic mode-locking" in a phase-modulated fiber laser

The repetition rate multiplication was observed in a phase-modulated mode-locking fiber laser when the modulation frequency was detuned by a fraction of the fundamental frequency. This phenomenon is quite similar to the rational harmonic mode-locking in amplitude modulated lasers, which almost everybody believed could not exist when applying phase modulation. The harmonics of the amplified driving signal is the reason behind this phenomenon. Because most RF amplifiers cannot avoid generating high-order harmonics of the amplifying signal, the "rational harmonic mode-locking" can be obtained in most phase-modulation fiber lasers when the driving signal is amplified, even in some cases when using linear amplifiers.     

全正色散被动锁模掺镱全光纤环形激光器

采用976 nm半导体激光器为泵浦源,高掺杂Yb3+光纤为增益介质,利用非线性偏转效应实现被动锁模.得到了中心波长为1046 nm,光谱宽度为24 nm,脉冲宽度为54 ps,平均输出功率为93 mW的超短脉冲.通过缩短腔长,获得了较高的重复频率,达到41 MHz.     

同步抽运锁模的掺镱光纤激光器

同步抽运锁模是一种调制增益的锁模技术，就是调节抽运光的调制频率使之等于激光器纵模间隔的整数倍。通过对抽运光源半导体激光器的驱动电流进行正弦调制，实现了掺镱光纤激光器(YDFL)的同步抽运锁模。通过调整抽运激光器的调制频率，在相应于二次谐波锁模，4阶有理数谐波锁模条件下分别得到了较窄的脉冲输出。对重复频率625kHz的二次谐波锁模脉冲序列，脉冲宽度小于20ns，约为抽运光宽度的1／40；平均输出功率2．34mw，能量转换效率约为5％。     

端面抽运全固态皮秒被动锁模激光器

利用国产半导体可饱和吸收镜(SESAM),设计了不同的腔型结构,实现了平均功率5W单路输出,5W双路输出,输出透过率可调节的半导体可饱和吸收镜线型腔连续锁模(CWML)激光器,双向输出六镜环行腔连续锁模激光器等。将半导体可饱和吸收镜放在腔内的特殊位置,利用一种新的技术方法实现了锁模激光器的频率翻倍。利用由非线性晶体KTP和双色镜构成的非线性镜(NLM),实现了端面抽运Nd∶YVO4激光器的4W锁模输出。