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耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生

李颖奎 任行 李鑫 杜垒 王天枢 姜会林

李颖奎, 任行, 李鑫, 杜垒, 王天枢, 姜会林. 耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(7): 20220035. doi: 10.3788/IRLA20220035
引用本文: 李颖奎, 任行, 李鑫, 杜垒, 王天枢, 姜会林. 耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(7): 20220035. doi: 10.3788/IRLA20220035
Li Yingkui, Ren Hang, Li Xin, Du Lei, Wang Tianshu, Jiang Huilin. Supercontinuum generation assisted by dissipative and bound state pulse switchable[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(7): 20220035. doi: 10.3788/IRLA20220035
Citation: Li Yingkui, Ren Hang, Li Xin, Du Lei, Wang Tianshu, Jiang Huilin. Supercontinuum generation assisted by dissipative and bound state pulse switchable[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(7): 20220035. doi: 10.3788/IRLA20220035

耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生

doi: 10.3788/IRLA20220035
基金项目: 国家自然科学基金(61975021);吉林省自然科学基金(YDZJ202101 ZYTS139)
详细信息
    作者简介:

    李颖奎,男,博士生,主要从事光纤激光及其激光通信技术方面的研究

    王天枢,男,教授,博士,主要从事光纤激光器、空间激光通信技术方面的研究

  • 中图分类号: TN248

Supercontinuum generation assisted by dissipative and bound state pulse switchable

  • 摘要: 当超短脉冲进入高非线性光纤时,在色散和非线性效应的共同作用下,脉冲频谱中会产生一些新的频率分量,使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中,传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中,笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后,添加一段DCF以补偿腔中的色散,从而产生耗散孤子。同时,通过调节腔内PC,可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中,我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲,压缩后的脉冲宽度为868 fs,用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm,其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器,实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换,束缚态脉冲持续时间为1.4 ps,脉冲间隔为14 ps,信噪比为51 dB,产生1600~1870 nm的超连续光谱,20 dB的光谱宽度为135 nm。
  • 图  1  锁模光纤激光器结构。WDM:波分复用器;EDF:掺铒光纤;PC:偏振控制器;PD-ISO:偏振无关隔离器;DCF:色散补偿光纤;OC:光耦合器;SMF:单模光纤;EDFA:掺铒光纤放大器;HNLF:高非线性光纤

    Figure  1.  Structure of mode-locked fiber laser. WDM: wavelength division multiplexer; EDF: erbium-doped fiber; PC: polarization controller; PD-ISO: polarization-dependent isolator; DCF: dispersion compensation fiber; OC: optical coupler; SMF: single-mode fiber; EDFA: Erbium-doped fiber amplifier; HNLF: high nonlinear fiber

    图  2  拉锥后的高非线性光纤显微图

    Figure  2.  Micrograph of highly nonlinear optical fiber after taper pulling

    图  3  耗散孤子工作图。(a)光谱图;(b)自相关;(c)射频谱;(d)时域图

    Figure  3.  Diagram of dissipative soliton operation. (a) Optical spectrum; (b) Autocorrelation trace; (c) Radio-frequency spectrum; (d) Diagram of time-domain

    图  4  脉冲宽度随单模光纤长度的演化图。(a)脉宽演化图;(b)脉宽与SMF长度关系图

    Figure  4.  Evolution diagram of the pulse duration as a function of the length of SMF. (a) Evolution of pulse duration; (b) Pulse duration as a function of the length of SMF

    图  5  基于耗散孤子的超连续谱光谱图。(a) 超连续谱光谱演化图;(b) EDFA功率和输入功率和20 dB带宽关系图

    Figure  5.  Spectrum diagram of supercontinuum generated by dissipative soliton. (a) Evolution diagram of supercontinuum spectrum; (b) Power of EDFA as a function of input power and bandwidth of 20 dB

    图  6  束缚态孤子的超连续谱产生耗散孤子工作图。(a) 光谱图;(b) 自相关;(c)和(d)射频谱;(e) 位于第三窗口的超连续谱

    Figure  6.  Working diagram of dissipative generated by the supercontinuum of bound state soliton. (a) Optical spectrum; (b) Autocorrelation trace; (c), (d) Radio-frequency spectrum; (e) Supercontinuum spectrum located in the third window

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-12
  • 录用日期:  2022-04-01
  • 修回日期:  2022-03-15
  • 刊出日期:  2022-08-05

耗散孤子和束缚态脉冲可切换的超连续谱产生

doi: 10.3788/IRLA20220035
    作者简介:

    李颖奎,男,博士生,主要从事光纤激光及其激光通信技术方面的研究

    王天枢,男,教授,博士,主要从事光纤激光器、空间激光通信技术方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金(61975021);吉林省自然科学基金(YDZJ202101 ZYTS139)
  • 中图分类号: TN248

摘要: 当超短脉冲进入高非线性光纤时,在色散和非线性效应的共同作用下,脉冲频谱中会产生一些新的频率分量,使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中,传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中,笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后,添加一段DCF以补偿腔中的色散,从而产生耗散孤子。同时,通过调节腔内PC,可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中,我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲,压缩后的脉冲宽度为868 fs,用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm,其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器,实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换,束缚态脉冲持续时间为1.4 ps,脉冲间隔为14 ps,信噪比为51 dB,产生1600~1870 nm的超连续光谱,20 dB的光谱宽度为135 nm。

English Abstract

    • 被动锁模光纤激光器因其在工业和科学研究中的重要应用价值而受到广泛关注。通过调节激光谐振腔内净色散可以获得传统孤子、拉伸脉冲、自相似脉冲和耗散孤子。其中,耗散孤子存在于耗散系统中,激光系统的增益和损耗对其形成起着决定性的作用[1]。孤子脉冲在激光腔内工作时会积累非线性相移。当泵浦功率过高时,脉冲将积累过多的非线性相移,从而导致脉冲分裂。与传统孤子和拉伸脉冲相比,耗散孤子可以承受更高的非线性相移,不易分裂,输出的脉冲能量更高[2]。正是由于耗散孤子的这一特性,它可以作为超连续谱的激励源。单模光纤在1.55 μm波段呈现负色散,在色散和非线性效应的联合作用下,光谱中产生了新的频率成分,使发射光的光谱宽度更大,输出宽带光谱称为超连续谱[3]。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点,用于光学频率测量、光学相干层析成像、生物医学显微镜、光通信、光纤传感、光学频率梳等领域[4-5],具有非常重要的研究和应用价值。束缚态是被动锁模光纤激光器中一种特殊的多脉冲锁模态,通常由两个或多个脉冲组成,脉冲间隔一定距离[6]

      2017年,E. Hernandez-Escobar等报道了由功率放大的类噪声脉冲泵浦非线性光纤获得了超连续谱,超连续谱的覆盖范围可达1261~2261 nm[7]。2018年,高静报道了因泵浦10 m光子晶体光纤覆盖可见光波段600~1700 nm的超连续谱[8]。2019年,王凯杰等人在实验中观测到束缚态耗散孤子脉冲,并利用该脉冲光泵浦光子晶体光纤,获得了近红外超连续谱[9]。2020年,邹宝英等利用数值模拟了飞秒束缚态脉冲在单模光纤中超连续谱的产生,结果表明,脉冲间隔对超连续谱的产生有影响,通过调整脉冲间距可以使超连续谱展宽[10]。2021年,纪海莹等利用传统孤子的束缚态脉冲作为激励源,实现了位于第三窗口的超连续谱产生[11]。通过以上的报道可知,在锁模激光器中可以用传统孤子、耗散孤子、类噪声脉冲作为激励源实现超连续谱的产生,然而针对于一种可切换的单脉冲与束缚态脉冲的超连续谱的产生报道较少。

      文中利用单模光纤压缩耗散孤子脉冲,实现了耗散孤子飞秒量级脉冲输出,并且通过调节PC和泵浦功率实现了耗散孤子的束缚态切换,分别进入拉锥后的高非线性光纤实现了可切换的超连续谱的产生。文中研究利用束缚态脉冲产生超连续谱,对超快光纤激光领域的研究具有参考意义。

    • 研究采用的实验结构如图1所示,一个980 nm泵浦源通过980/1550 nm波分复用器(Wavelength Division Multiplexer, WDM)泵浦0.9 m长高掺铒光纤,二阶色散为−0.02001 ps2/m。腔中的两个偏振控制器 (Polarization Controller, PC) 和一个偏振相关隔离器 (Polarization Dependent Isolator, PD-ISO) 作为一种类饱和吸收体结构实现激光器在腔中的锁模。色散补偿光纤长度为1 m,二阶色散为1.848 ps2/m。其他器件的尾纤均为标准单模光纤 (Singe Mode Fiber, SMF),长度为5 m,二阶色散为−0.02294 ps2/m。谐振腔内10%的光通过光纤耦合器1 (Optical Coupler, OC) 从腔中输出,其余90%的光反馈回环形腔中。输出的激光通过耦合器2的20%端口输出,并通过频谱分析仪 (FSA, Agilent N1996 A) 显示和记录频谱信息。光纤耦合器2的80%端口输出激光的脉冲宽度通过单模光纤压缩,然后通过掺铒光纤放大器 (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) 进行放大。

      图  1  锁模光纤激光器结构。WDM:波分复用器;EDF:掺铒光纤;PC:偏振控制器;PD-ISO:偏振无关隔离器;DCF:色散补偿光纤;OC:光耦合器;SMF:单模光纤;EDFA:掺铒光纤放大器;HNLF:高非线性光纤

      Figure 1.  Structure of mode-locked fiber laser. WDM: wavelength division multiplexer; EDF: erbium-doped fiber; PC: polarization controller; PD-ISO: polarization-dependent isolator; DCF: dispersion compensation fiber; OC: optical coupler; SMF: single-mode fiber; EDFA: Erbium-doped fiber amplifier; HNLF: high nonlinear fiber

      放大的脉冲光注入进一段经过拉锥的10 m长高非线性光纤(High Nonlinear Fiber, HNLF),如图2所示。实验中使用的HNLF的数值孔径为0.35,传输损耗小于1.5 dB/km。经光谱分析仪(OSA, YOKOGAWA AQ6375)对输出的各种光谱进行观察和数据记录,光谱仪最高分辨率为0.05 nm。锁模激光的脉冲序列由10 GHz高速光电探测器探测,并通过高速示波器观测相应的波形(Oscilloscope, Agilent D S 09254 A),脉冲的自相关曲线由自相关仪(Auto-correlator, FR-103 XL)测量。

      图  2  拉锥后的高非线性光纤显微图

      Figure 2.  Micrograph of highly nonlinear optical fiber after taper pulling

      拉锥后的高非线性光纤直径为10 μm,相比于普通高非线性光纤,根据公式(1)和(2),它的非线性效应更强。

      $$ {A_{{\rm{eff}}}} = \dfrac{{{{\left( {\mathop { \displaystyle\iint \displaystyle\iint }\nolimits_{ - \infty }^\infty |F(x,y){|^2}{\rm{d}}x{\rm{d}}y} \right)}^2}}}{{\mathop {\displaystyle\iint \displaystyle\iint }\nolimits_{ - \infty }^\infty |F(x,y){|^4}{\rm{d}}x{\rm{d}}y}} $$ (1)

      式中:${A_{\rm eff}}$为光纤的有效模场面积;$ F\left( {x,y} \right) $代表光纤中基模的模分布。

      $$ \gamma \left( {{\omega _0}} \right) = \dfrac{{{\omega _0}{n_2}}}{{c{A_{{\rm{eff }}}}}},{n_2} = \dfrac{{2{n_2}}}{{{_0}nc}} $$ (2)

      式中:$ \gamma $为非线性参量;$ {\varepsilon _0} $为介电常数;$ {\omega _0} $为中心频率;$ {n_2} $为非线性克尔参量;$ c $为光速;$ {\bar n_2} $为非线性折射率系数。

    • 耗散孤子的形成是色散和非线性、增益和损耗等双重平衡的结果[5]。耗散孤子可以容忍更高的非线性效应,积累更多的非线性相移,并大大提高脉冲分裂的阈值,实现光谱范围宽、极限脉宽小、脉冲能量高的脉冲输出。

      由于色散补偿光纤和单模光纤的熔接带来的损耗,该激光器的锁模阈值相对与工作在负色散区的激光器锁模阈值更高。于是,当把980 nm泵浦的功率增加至260 mW时,才会产生锁模激光并通过光纤耦合器1输出。相关的输出激光测量数据展现在图3中,如图3(a)所示,可以看出:其光谱近似为矩形,边缘陡峭,底部平坦,是一个很明显的耗散孤子的光谱,其中心波长为1560 nm,3 dB带宽为24.56 nm。如图3(b)所示为自相关仪测量的脉冲宽度,通过高斯拟合得到的脉冲宽度为5.6 ps。根据计算,它的时间带宽积(Time Bandwidth Product, TBP)是16.95,说明脉冲的啁啾大。图3(c)和3(d)是脉冲的射频频谱,它的信噪比为52 dB,重复频率为28 MHz,可以证明该激光器工作稳定。

      图  3  耗散孤子工作图。(a)光谱图;(b)自相关;(c)射频谱;(d)时域图

      Figure 3.  Diagram of dissipative soliton operation. (a) Optical spectrum; (b) Autocorrelation trace; (c) Radio-frequency spectrum; (d) Diagram of time-domain

      在光纤耦合器1后面增加一段单模光纤以压缩脉宽。如图4(a)所示,该图表示脉冲宽度随着单模光纤长度变化的脉宽演化情况。当通过增加单模光纤长度来增加腔外负色散到一定值时,可以将脉宽压缩到极限。图4(b)表示脉冲宽度随单模光纤长度的变化,随着单模光纤长度的增加,脉冲宽度逐渐变窄,当长度为10 m时,净色散为0,可以将脉冲宽度压缩至868 fs。

      图  4  脉冲宽度随单模光纤长度的演化图。(a)脉宽演化图;(b)脉宽与SMF长度关系图

      Figure 4.  Evolution diagram of the pulse duration as a function of the length of SMF. (a) Evolution of pulse duration; (b) Pulse duration as a function of the length of SMF

      将脉冲宽度保持在868 fs,并注入掺铒光纤放大器,放大脉冲能量后进入高非线性光纤以产生超连续光谱。如图5(a)所示,光谱的宽度为1200~2200 nm,随着掺铒光纤放大器功率的增加,光谱的宽度逐渐变宽。20 dB带宽最高为357 nm,但是在1560 nm左右仍然有未被全部吸收的信号光。如图5(b)所示,黑线代表着随掺铒光纤放大器的功率的增大,激发更多的新频率成分,20 dB带宽逐渐变大。红线代表着随着掺铒光纤放大器的功率的增大,激光器输出功率逐渐增大,最大输出功率为22 mW。

      图  5  基于耗散孤子的超连续谱光谱图。(a) 超连续谱光谱演化图;(b) EDFA功率和输入功率和20 dB带宽关系图

      Figure 5.  Spectrum diagram of supercontinuum generated by dissipative soliton. (a) Evolution diagram of supercontinuum spectrum; (b) Power of EDFA as a function of input power and bandwidth of 20 dB

    • 将泵功率增加到400 mW,并通过精细调节偏振控制器可以得到相应的耗散孤子束缚态脉冲。如图6(a)所示,可以发现:耗散孤子的光谱出现了周期性调制的特性,其中心波长和3 dB带宽分别为1559.64 nm和27.15 nm,调制周期为0.36 nm。图6(b)为测量得到的束缚态孤子自相关曲线,可以看到:相邻脉冲之间的时间间隔为24 ps,脉冲宽度为1.4 ps,相邻脉冲之间的时间间隔大于脉冲持续时间的5倍,可以判断为松散束缚态,脉冲强度比固定并接近于1:2:1,这是更常见的束缚态脉冲的特征。图6(c)、(d)是它的射频频谱,其信噪比为51 dB,说明该激光器工作稳定。

      图  6  束缚态孤子的超连续谱产生耗散孤子工作图。(a) 光谱图;(b) 自相关;(c)和(d)射频谱;(e) 位于第三窗口的超连续谱

      Figure 6.  Working diagram of dissipative generated by the supercontinuum of bound state soliton. (a) Optical spectrum; (b) Autocorrelation trace; (c), (d) Radio-frequency spectrum; (e) Supercontinuum spectrum located in the third window

      束缚态脉冲由掺铒光纤放大器放大,后注入拉锥的5 m长高非线性光纤。在高非线性光纤中,受激拉曼散射、自相位调制、交叉相位调制和四波混频等非线性效应使光谱展宽[11]。400 mW泵浦功率下的频谱如图5(e)所示,在1560 nm左右仍然有泵浦光。逐渐增加泵浦功率至700 mW,发现泵浦光被完全吸收。1600~1700 nm的超连续谱的平坦度小于1.62 dB。20 dB的光谱宽度为135 nm,完全覆盖1600~1800 nm。因为在这个窗口范围内有大量的分子吸收峰,它们正好位于水分子吸收峰之间的谷值,小的水吸收系数和大量的分子吸收线使该波长范围内的宽光谱光源包含深层生物成像、光谱分析和材料处理等领域的潜在应用价值。该区域的耗散孤子是一个稳定的局部解,由于耗散孤子的频谱宽且顶部光滑,与具有Kelly边带的传统孤子相比,耗散孤子具有更好的稳定性。

    • 文中研究了一种基于非线性偏振旋转锁模的超快光纤激光器,通过调节腔内偏振控制器来控制腔内激光的偏振态,可以分别输出稳定的耗散孤子锁模脉冲和束缚态锁模脉冲。采用单模光纤将脉冲压缩到飞秒级,经过放大后进入10 m拉锥高非线性光纤,获得了谱宽1200~2200 nm的超连续谱。然后由放大的束缚态脉冲经过拉锥的5 m高非线性光纤可以获得从1600~1700 nm的平坦光谱。该激光器整体结构简单,输出脉冲稳定。从实验中获得的超连续谱对光谱分析、材料加工、生物医学成像等应用具有极高的价值。

参考文献 (11)

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