超快光纤激光技术：皮秒中红外全光纤掺铒光纤激光器

基于可饱和吸收体的中红外(Mid-IR)脉冲全光纤激光器具有很多应用。比如,水在2．94 ?m处有很强的吸收峰,因此该波段激光很适用于激光手术和材料处理;同时,这类激光器也可用于遥感,因为所发射光谱可以激发许多大气污染物(例如甲烷)的基本旋转振动共振。

但是现有的3?m附近的超快光纤激光器大多不是全光纤结构,激光光束从自由空间传播部分注入到光纤处产生反射会导致激光器不稳定;另外自由空间的光路可能需要经常重新准直;而且对于常规的可饱和吸收体(例如2D材料,半导体可饱和吸收体和其他异质材料),由于其损伤阈值非常低,比较容易受到热和光学损伤。全光纤激光器能够解决上述问题。

在大多数高功率光纤激光器中,增益光纤的主体材料由硅酸盐玻璃组成。但是,实现超过2．2μm的激光意味着要使用其他材料的玻璃。在可以拉成光纤的中红外玻璃中,氟化物玻璃在稀土掺杂方面表现出优异的性能。其中,掺钬(Ho3+)和掺铒(Er3+)的氟化物光纤都能实现波长为2．7至3．1μm的激光发射,掺铒的氟化物光纤可获得的能量要比掺钬的光纤高。

2014年,Haboucha等人提出了一种基于Er3+氟化物玻璃光纤的线性锁模光纤激光器 [1]。如图1所示,该激光器基于线性腔结构,包括一个半导体可饱和吸收镜(SESAM)和一个光纤布拉格光栅(FBG)。该结果为首次在3μm掺铒氟化物玻璃光纤线性腔激光中实现稳定锁模,脉冲序列的重复频率为51．75 MHz,脉冲宽度约为60 ps,平均功率为440 mW,锁模可自启动且可以维持数小时,但是脉冲宽度和发射光谱均受限于窄带宽的FBG。

图1 基于Er3+氟化物玻璃光纤的线性锁模光纤激光器

今年该课题组在ASSL会议上介绍了与2014年的工作相似的基于FBG和SESAM的锁模掺铒氟化物光纤激光器 [2]。如图2所示,增益介质为2 m长的掺铒氟化物光纤,FBG为使用飞秒脉冲通过光纤的保护涂层直接写入,增益光纤由976 nm的泵浦二极管反向泵浦以简化腔内对准并实现比正向泵浦更高的输出功率。

FBG在2790．9 nm处的最大反射率为65%,FWHM为3．2 nm,比2014年装置中FBG的带宽有所增加。非球面ZnSe透镜在输出端的焦距为25 mm,在腔内的焦距为12．5 mm,并且每个透镜在2．8 ?m的波长下传输约95%的信号。光纤尖端斜切8°以消除回光,从而实现稳定的锁模;二向色镜(DM)用来去除残留的泵浦功率,以避免损坏SESAM。

图2 实验装置

图3中的实验结果表明该锁模激光器能够产生15 ps的脉冲,脉冲宽度接近傅立叶变换极限。如果腔内组件的准直最佳,则锁模态可自启动,并且在较低的泵浦功率下没有任何调Q,锁模状态稳定,平均输出功率在87．5 mW和157．5 mW之间。此外,发射光谱集中在FBG的最小透射率(即最大反射率)上,这表明,如果腔内负色散足够低,脉冲持续时间和光谱均可以由FBG的特性控制。

图3 实验结果 a)实验得到的发射光谱和FBG的透射光谱,b)自相关曲线

总之,这项工作提出了一种基于SESAM和FBG的中红外锁模光纤激光器,能够产生接近傅立叶变换极限的15 ps脉冲,中心波长在2．8 ?m。

参考文献:

[1] A． Haboucha, V． Fortin, M． Bernier, J． Genest, Y． Messaddeq, and R． Vall?ee, “Fiber Bragg grating stabilization of a passively mode-locked 28 ?m Er3+: fluoride glass fiber laser,” Opt． Lett． 39, 3294 (2014)

[2] Pascal Paradis, Vincent Fortin, Bernard Dussardier et al．, “Closing In on Mid-IR Pulsed All-Fiber Lasers based on Saturable Absorbers,” Paper AW5A．5, 2020 OSA Laser Congress