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被动锁模光纤激光器具有结构紧凑，操作方便，光束质量高，峰值功率强等优点，在光通信、传感测量、生物医学成像，材料加工等领域有着广泛的应用前景[1]。到目前为止，根据增益光纤的不同，各种波长的锁模光纤激光器，如1.0 μm、1.5 μm、2.0 μm光纤激光器已经被大量研究。其中1.0 μm波段的掺镱光纤激光器，因其工作在全正色散域，能够有效产生高能量耗散孤子，受到了人们的广泛关注[2-3]。
另一方面，随着高速大容量光纤通信系统的发展，波长可切换可调谐光纤激光器已成为人们的研究热点。波长可切换可调谐锁模脉冲激光器可以在不同中心波长处产生超短脉冲，相对于单一波长激光器，其具有成本低、使用方便等优点[4-5]。到目前为止为了在光纤激光器中实现波长可调谐和可切换的锁模运作，人们提出了很多种方法，如在腔内引入滤波器、保偏光纤、光纤光栅等，2013年，H. Ahmad等报道并设计了一种基于马赫−曾德(M-Z)结构的可调谐光纤激光器，锁模波长可调谐范围达19 nm [6]；2012年，Z. X. Zhang等人在掺镱光纤激光器中插入了保偏光纤，不仅实现了中心波长1 048.7~1 064.9 nm的可切换运作，而且研究了双波长的可调谐运作[7]；2019年D. Wang等利用光纤布拉格光栅作为波长选择元件，在波长1 063.8 nm和1 064.1 nm间实现波长可切换锁模[8]。借助于这些附加的滤波器件，光纤激光器实现了波长可切换可调谐功能，但是同时也增加了光纤激光器系统的复杂性。因此，为了保持激光器结构的紧凑性，可采用腔内双折射诱导的滤波效应来实现可切换可调谐锁模。2014年 S. Huang等在基于氧化石墨烯的全光纤锁模掺镱光纤激光器中，实现了波长1 060.7 nm和1 066.7 nm的双波长可切换可调谐锁模，并且还观察到三波长耗散孤子锁模现象[9]；2013年H. Lin在掺镱光纤激光器中实现了双波长可切换可调谐锁模，中心波长分别位于1 038 nm和1 057 nm，波长间隔达19 nm [10]。尽管多波长锁模光纤激光器已有不少相关报道，但是在掺镱光纤激光器中，对波长可切换可调谐特性研究仍具有一定的探索意义。
文中报道了基于非线性偏振旋转（NPR）锁模的波长可切换可调谐掺镱光纤激光器。在腔内，NPR结构等效为一个Lyot滤波器[11]，通过调节偏振控制器和增加泵浦功率，在强度和波长相关损耗机制的作用下，激光器实现了在中心波长1 042.8~1 050.2 nm和1 040.9~1 048.1 nm的可切换锁模运作，两组可切换锁模的波长间隔分别为7.4 nm和7.2 nm，同时还在1 042.77~1 045.33 nm范围获得可调谐运作。另外在掺镱光纤激光器中，还观察到了双波长锁模和二阶谐波产生等现象。
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基于NPR锁模的掺镱光纤激光器原理图如图1所示，腔内的增益介质是0.65 m长的掺镱光纤（YDF，Nufern SM-YSF-HI），其在975 nm波长处纤芯吸收率为250 dB/m。波长为980 nm的台式泵浦激光器，通过980/1 060 nm波分复用器（WDM）对掺镱光纤进行泵浦。两个偏振控制器（PC）与一个偏振相关隔离器（PD-ISO）组合构成锁模器件，实现非线性偏振旋转技术锁模。其中偏振控制器可调节腔内循环光的偏振状态，偏振相关隔离器用来确保光的单向传播方向。为了增加腔的克尔非线性和调节正色散值，腔内还接入了一段100 m长的1 060 nm单模光纤（HI1060）。整个环形腔的长度为115 m。最后谐振腔通过一个20/80的光纤耦合器（OC）将激光输出到腔外用于探测。示波器（Agilent, MSO6104A）、光谱分析仪（OSA, Anritsu MS9740A）以及射频谱仪（UNI-T UTS2020）分别用来记录输出激光的脉冲序列、光谱和射频谱。
图 1 (a) NPR锁模掺镱光纤激光器示意图， (b) NPR诱导的梳状透射谱仿真图
Figure 1. (a) Schematic of Yb-doped fiber laser mode locked by NPR, (b) comb transmission spectra induced by NPR
腔内NPR结构等效为一个Lyot滤波器，其透射函数由下式来表述[12]：
$$\begin{aligned} {\left| T \right|^2} =\;& {\sin ^2}\left( {{\alpha _1}} \right){\sin ^2}\left( {{\alpha _2}} \right) + {\cos ^2}\left( {{\alpha _1}} \right){\cos ^2}\left( {{\alpha _2}} \right) +\\ & 0.5\sin \left( {2{\alpha _1}} \right)\sin \left( {2{\alpha _2}} \right)\cos \left( {\Delta {\varphi _{\rm{L}}} + \Delta {\varphi _{{\rm{NL}}}}} \right) \end{aligned}$$ 式中：α1和α2分别为起偏器、检偏器与光纤快轴之间的夹角；ΔφL= φ0+2πL(ny-nx) / λ为线性相移，ΔφNL= 2πn2PLcos(2α1) /(λAeff)为非线性相移，φ0为光进入PC的初相位，ny和nx为光纤快轴和慢轴的折射率，L为腔长，λ为工作波长，n2为非线性折射率系数，P为瞬时光功率，λAeff为有效纤芯截面。上述公式的透射谱依赖于波长变化，其通道的间隔与双折射大小有关，因此通过调节PC，可以改变α1和α2的角度，PC挤压光纤会引起双折射大小的变化，使得腔内NPR诱导的梳状滤波透射谱的峰值位置和间隔随之发生相应的变化，从而在光纤激光器中实现可切换以及可调谐锁模[13-14]。
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调节PC和泵浦功率，激光器在150 mW左右就能实现锁模。为了优化锁模状态，将泵浦功率提高到375 mW，同时在光谱仪和示波器中观察光谱和时域特性。如图2(a)所示为锁模光谱，可以看到光谱两沿陡峭且呈方形，这一特点恰是正色散腔耗散孤子锁模的典型特征[15]。光谱没有显著的波动，其中心波长为1 042.8 nm，3 dB带宽约为5.7 nm，图2(c)为对应的输出脉冲序列，脉冲重复率为1.78 MHz，是激光器的基频脉冲。输出脉冲整齐划一强度一致，印证了光纤激光器的稳定锁模。图2(e)为放大的单脉冲，蓝色线条是实际测得的单脉冲示波器迹，红色线条则是用高斯函数拟合得到的曲线，可以看到两条曲线的轮廓大致吻合，即单个耗散孤子可近似为高斯型，相应的脉冲脉宽测得为1.45 ns。图2(g)是锁模脉冲测得的射频谱图，峰值位于1.78 MHz对应于腔的基频重复率，其信噪比为37.58 dB，此时输出端光功率为3.8 mW。保持泵功率不变，调整PC的方向，光谱发生了切换，在另外的波长位置实现锁模，图2(b)为此时的锁模光谱，其中心波长为1 050.2 nm，3 dB带宽为5.5 nm，图2(d)为测得的稳定的输出光脉冲，其中放大的单脉冲如图2(f)所示，通过高斯拟合，得到的脉宽为1.48 ns，图2(h)为相应的射频谱，信噪比为38.24 dB，说明激光器工作稳定。在该状态下，输出光功率为3.6 mW。实验结果表明在固定泵浦源功率375 mW状态下，调节PC时，依赖腔内NPR诱导的梳状滤波效应，光纤激光器的锁模状态可以实现在中心波长1 042.8~ 1 050.2 nm之间切换，波长切换的间隔为7.4 nm。
图 2 1 042.8 nm和1 050.2 nm处的可切换锁模。(a), (b) 锁模光谱；(c), (d) 脉冲序列；(e), (f) 单脉冲；(g), (h) 射频谱
Figure 2. Switchable mode-locking at 1 042.8 nm and 1 050.2 nm. (a), (b) Mode-locking spectrum; (c), (d) Pulse train; (e), (f) Single pulse; (g), (h) RF spectrum
将泵浦功率降低至324 mW，调节PC，激光器还可在波长1 040.9 nm和1 048.1 nm之间实现可切换锁模运作，光谱如图3(a)和3(b)所示，光谱轮廓近似为矩形，3 dB带宽分别为2.8 nm和2.7 nm，两种锁模状态下重复率为1.78 MHz，对应脉冲间隔为561.8 ns。输出光功率分别为3.3 mW和3.2 mW。测量相应的射频谱，信噪比分别为37.33 dB和37.63 dB，表明了激光器输出较为稳定的耗散孤子。在实验中，激光器实现波长切换的间距为7.2 nm，且可切换过程可逆。
图 3 1 040.9 nm和1 048.1 nm处的可切换锁模光谱
Figure 3. Switchable mode-locked spectra at 1 040.9 nm and 1 048.1 nm
综上可得出，通过调整腔内参数，如泵浦功率、偏振控制器的角度以及腔内双折射的大小等，可适当地控制由NPR引起的滤波效应，激光可以在中心波长1 042.8 nm、1 050.2 nm和1 040.9 nm、1 048.1 nm两组波段之间实现切换。其可切换间隔可做如下解释：腔内NPR结构既起到类快可饱和吸收体的作用，在腔中它又可等效为一个双折射滤波器，其中心透射波长间隔可由公式Δλ = λ2 / (LB)给出，其中λ是中心波长，L为腔长，B为腔内双折射大小。调节PC改变双折射大小和波长相关强度损耗，相当于改变透射波长间隔和透射位置，因此调节PC，可以在两个波长之间进行可切换操作[16]。
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保持泵浦源的固定输入功率395 mW不变，谨慎地调整PC的方向，观察到了光谱中心波长随PC转动而缓缓移动的现象，掺镱激光腔内在没有借助任何调谐滤波器的情况下，实现了2.7 nm范围的连续可调谐锁模现象。如图4所示，光谱为典型的耗散孤子方谱，谱宽约为5.9 nm，文中记录了5组光谱，可以看出，中心波长可以在1 042.72~1 045.34 nm范围进行调谐，光谱形状几乎没有发生变化，谱宽的变化范围为5.91~5.96 nm。
图 4 在固定的泵浦功率395 mW下1 042.72~1 045.34 nm范围内的可调谐光谱
Figure 4. Tunable wavelength from 1 042.72 nm to 1 045.34 nm under pump power of 395 mW
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增大泵浦功率至476 mW，双波长锁模同样能够在此激光腔内获得。图5(a)中，与常规的矩形耗散孤子锁模光谱不同，光谱出现明显的类似驼峰的双峰结构，是较为典型的双波长锁模现象，其中心波长分别为1 039.5 nm和1 088.9 nm，因为工作在全正色散区，峰的两侧同样也有陡峭的边沿。双波长锁模形成的原因为在长腔和高泵浦条件下，腔内能量达到受激拉曼散射（SRS）产生的阈值条件，在SRS作用下，能量从1 039.5 nm转移到1 088.9 nm，从而在1 088.9 nm处又产生一个新的增益峰，形成了如图5(a)所示的双波长锁模光谱。图5(b)为脉冲序列，其脉冲重复率为1.78 MHz，信噪比为38.07 dB，表明光纤激光器是在基频下稳定工作。此外，通过20%耦合器，输出端测得的谐振腔输出光功率为4.5 mW。
图 5 双波长锁模。（a）双波长光谱；（b）脉冲序列
Figure 5. Dual-wavelength mode locking. (a) Dual-wavelength spectrum; (b) Pulse train
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继续增大泵浦功率，调节PC，在实验中还可以观察到二阶谐波锁模现象。谐波的产生主要是孤子能量量化效应的结果[17]，在孤子量化效应的作用下，孤子峰值能量受到钳制，腔内高能量孤子脉冲发生分裂成了两个独立的脉冲，而分裂的脉冲在腔内均匀分布，使得谐振腔的重复率增加，等于基频状态下的整数倍关系。图6(a)为二阶谐波的输出特性光谱图，是典型的耗散孤子特征，方形光谱的中心波长为1 056.22 nm，图6(b)下方为实验测得基频锁模的脉冲，可知孤子之间的间距为561.8 ns，上方为谐波锁模的脉冲，其间距为280.9 ns，正好是基频状态下的一半，明显可以看出二阶谐波的孤子数量比基频状态增多一倍。图6(c)为测得的谐波状态的射频谱，腔的重复率为3.5 MHz，再次证实了二阶谐波在腔内形成。
图 6 谐波锁模脉冲。(a) 光谱图； (b) 脉冲序列； (c) 射频谱
Figure 6. Harmonic mode-locking. （a） Optical spectrum; (b) Pulse train; (c) RF spectrum
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文中对基于NPR锁模全正色散掺镱光纤激光器中波长可切换可调谐特性进行了探究，通过调节腔内的偏振态和增大泵浦功率，在腔内滤波效应作用下，激光器可以在1 042.8 nm和1 050.2 nm之间以及1 040.9 nm和1 048.1 nm之间实现可切换运作，可切换波长间隔分别为7.4 nm和7.2 nm。在1 042.77~1 045.33 nm之间实现可调谐运作，调谐范围2.7 nm。并且还观察到了稳定的双波长锁模以及重复率为3.5 MHz的二阶谐波的现象。该结果有利于人们能够深入地探究掺镱光纤激光器中复杂孤子锁模动力学特性和物理机制。
Wavelength switchable and tunable dissipative soliton mode-locking Yb-doped fiber laser
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摘要: 采用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术，在全正色散掺镱光纤激光器中研究了波长可调谐可切换耗散孤子锁模现象。由于NPR所诱导的腔内梳状滤波效应，光纤激光器在中心波长1 042.8~1 050.2 nm以及1 040.9~1 048.1 nm处实现了波长可切换运作，可切换波长间隔分别为7.4 nm和7.2 nm，光谱宽度约为5.5 nm和2.7 nm。同时在1 042.77~1 045.33 nm之间观察到波长可调谐运作，调谐范围2.7 nm。另外在光纤激光器中还获得了稳定的双波长锁模和二阶谐波锁模。该实验的研究有利于加深人们对掺镱光纤激光器中锁模动力学行为的理解，并为多功能激光光源的设计提供了借鉴。Abstract: Wavelength switchable and tunable dissipative soliton mode-locking Yb-doped fiber laser based on nonlinear polarization rotation was studied. Due to the in-cavity comb filtering effect induced by NPR, the central wavelength of laser spectrum could switch between 1 042.8-1 050.2 nm, and 1 040.9-1 048.1 nm. The switchable wavelength intervals were 7.4 nm and 7.2 nm, respectively, and the spectral widths were about 5.5 nm and 2.7 nm. At the same time, the wavelength tunable operation was observed from 1 042.77 nm to 1 045.33 nm with the tuning range of 2.7 nm. In addition, stable dual wavelength mode locking and second harmonic mode locking were obtained in the fiber laser. The research of this experiment is helpful to deepen people's understanding of mode-locking dynamics in Yb-doped fiber laser and provide reference for the design of multi-function laser light source.
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图 1 (a) NPR锁模掺镱光纤激光器示意图， (b) NPR诱导的梳状透射谱仿真图
Figure 1. (a) Schematic of Yb-doped fiber laser mode locked by NPR, (b) comb transmission spectra induced by NPR
图 2 1 042.8 nm和1 050.2 nm处的可切换锁模。(a), (b) 锁模光谱；(c), (d) 脉冲序列；(e), (f) 单脉冲；(g), (h) 射频谱
Figure 2. Switchable mode-locking at 1 042.8 nm and 1 050.2 nm. (a), (b) Mode-locking spectrum; (c), (d) Pulse train; (e), (f) Single pulse; (g), (h) RF spectrum
图 3 1 040.9 nm和1 048.1 nm处的可切换锁模光谱
Figure 3. Switchable mode-locked spectra at 1 040.9 nm and 1 048.1 nm
图 4 在固定的泵浦功率395 mW下1 042.72~1 045.34 nm范围内的可调谐光谱
Figure 4. Tunable wavelength from 1 042.72 nm to 1 045.34 nm under pump power of 395 mW
图 5 双波长锁模。（a）双波长光谱；（b）脉冲序列
Figure 5. Dual-wavelength mode locking. (a) Dual-wavelength spectrum; (b) Pulse train
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