锁模光纤激光器是工业、科学和生物医学应用中许多光学系统的基本器件。 迄今为止，已经开发了1-2 μm的锁模光纤激光器； 然而，在可见光区（380-760 nm）被动锁模光纤激光器从未有过报道。 在此，邹金海等人 提出并实现了一种波长为 635 nm的可见光被动锁模全光纤激光器。 首先，通过求解金兹堡-朗道方程，研究人员 从理论上预测和分析了工作在耗散孤子共振区的635 nm被动锁模氟化物 光纤激光器的脉冲形成和演化。 然后，在全光纤“8”字腔中，采用 Pr 3+ /Yb 3+共掺氟化物光纤作为可见光增益介质以及非线性放大环镜作为锁模元件，实现了 中心波 长约为635 nm的矩形耗散孤子共振脉冲的稳定产生， 它 具有超窄的光谱带宽（< 0.1 nm）、可调脉冲持续时间为96-1298 ps、 信噪比为67 dB及重复频率为 3.8713 MHz。 此外，通过调整腔内偏振状态，研究人员还观察到波长为635 nm的 类噪声脉冲运转， 具有590-1434 ps脉冲持续时间和宽 调制光谱（> 1 nm） 的635 nm类噪声脉冲 。 这项工作代表了一种重要的可见光谱范围内的超快激光器 ，在激光材料加工、可见光通信和通过 倍频直接产 生超快紫外方面有着多种潜在应用。 该工作发表在 Light: Science & Applications 上。

Jin-Hai Zou, Chu-Chu Dong, Hong-Jian Wang, Tuan-Jie Du, Zheng-Qian Luo. Towards visible-wavelength passively mode-locked lasers in all-fibre format, Light: Science & Applications 9(1): 1-10 (2020).

超短脉冲锁模光纤激光器具有鲁棒、紧凑及优良光束质量的优点，在材料加工、医学、光谱学、光通信和科学研究等应用中引起了极大的兴趣。近几十年来，工作在近红外和中红外光谱区的超快光纤激光器得到了很好的发展，但可见光谱区（380-760 nm）的超快激光源仍然严重依赖掺钛蓝宝石锁模振荡器和光学参量放大系统（或近红外超快激光器的倍频），其结构复杂、成本高。为此，研究人员希望有一种替代的超快可见光激光解决方案，它紧凑、成本低、用户友好且无需维护。研究发现，全光纤形式的被动锁模满足所有这些要求，因此，在可见光区发展被动锁模光纤激光器具有很强的研究动机。过去的二十年里，可见光被动锁模光纤激光器的研究进展甚微。主要挑战如下：(1) 低损耗可见光增益光纤的制造相对困难，几乎所有含氟玻璃基质材料的可见光增益光纤都不能与其他光纤低损耗熔接，因而阻碍了可见光全光纤；(2) 缺少与光纤兼容的可见光锁模器（如可见光可饱和吸收体）；(3) 可见波长光纤组件（光纤隔离器、波分复用器、耦合器、高功率泵浦源等）都不成熟，在一定程度上制约了全光纤可见光激光器的实现；(4) 光纤腔在可见波长下的超大正常色散大大增加了被动锁模的难度。近年来，低损耗软玻璃光纤（如氟化物光纤）和高功率蓝色激光二极管的快速发展，使得掺稀土（如Pr3+和Ho3+）的氟化物光纤可以在可见光范围内提供高性能光学增益。与此同时，在可见光波长无源光纤组件和基于纳米材料（石墨烯、过渡族金属硫化物和碳纳米管）的可见光可饱和吸收体 方面也取得了快速进展。特别是，研究人员提出了一种新的工作机制——耗散孤子共振，以克服在大的法向色散光纤腔中被动锁模的困难。基于耗散孤子共振机制，研究人员在1.55 μm的正色散铒镱共掺光纤激光器中，实现了约10 μJ的高能耗散孤子共振脉冲并在927 nm短波长下获得了强正色散掺钕锁模光纤激光器。此外，如果能很好地将耗散孤子共振机制与上述可见区域的进展结合起来，那么可见波长被动锁模光纤激光器就有望取得突破 。

01

理论研究

635 nm被动锁模光纤激光器的数值模型与实验结构一致。Pr3+/Yb3+共掺氟化物光纤提供635 nm附近的可见光增益，锁模元件是一个非线性放大环形镜，它会引起周期性的饱和吸收效应。光纤激光器中的635 nm脉冲传播可以由标量复三次-五次金兹堡-朗道方程控制并通过标准分步傅里叶方法进行数值求解，该模拟以1 ps高斯脉冲作为初始脉冲开始并且期望该脉冲可以在稳定锁模中快速收敛到稳定解。如图1所示，研究人员模拟了635 nm锁模脉冲在耗散孤子共振区域的形成和演化。随着往返次数的增加，初始脉冲迅速收敛并在空腔中形成稳定的脉冲（图1a）。由于群速度色散效应、自相位调制和峰值功率箝位效应，脉冲幅度先增大后保持不变。相应的光谱演变，如图1b所示。随着往返次数的增加，光谱变窄，光谱带宽的变化趋势与脉冲宽度的变化趋势相反。最后，即使往返次数进一步增加，脉冲、光谱和峰值功率都达到稳态，表明可以建立635 nm的稳定锁模。图1c描绘了635 nm锁模脉冲轮廓（实线）和相应频率啁啾（虚线）随小信号增益系数的变化。随着小信号增益系数的增加（相当于增加泵浦功率），脉冲持续时间线性变宽，脉冲幅度保持不变。脉冲沿其分布具有两种不同的啁啾特征（图1c）。一个是穿过中心区域的低线性啁啾，另一个是在脉冲的两个边缘的大的非线性啁啾。图1d显示了635 nm锁模脉冲的相应光谱。这些光谱在635 nm附近显示出超窄的光谱带宽（< 0.1 nm）以及具有陡峭边缘的三角形轮廓。当小信号增益系数增加时，三角形光谱边缘保持不变而新生成的光谱部分将覆盖光谱并形成峰。图1c,d的模拟结果表明，635 nm锁模脉冲具有恒定的振幅、线性展宽的脉冲持续时间和窄的光谱峰轮廓以及陡峭的边缘，这是耗散孤子共振区的典型特征。

图1 数值模拟结果：小信号增益系数为1.6m-1、调制深度为0.6、饱和功率为5.5 W、光纤环路长度为47 m。a、脉冲演化；b、最佳光谱演化；c、不同小信号增益系数下的脉冲时间轮廓（实线）和频率啁啾（虚线）；d、光谱（插图：线性范围内的光谱）；e、不同峰值功率下的脉冲时间分布。f、在不同调制深度下的脉冲时间分布；g、不同光纤环路长度下的脉冲持续时间；h、不同光纤环路长度下脉冲能量与小信号增益系数的关系。

众所周知，非线性放大环形镜锁模源自对向传播光场的非线性干涉，其饱和功率和调制深度取决于最优耦合器的分光比和光纤环路长度。例如，通过将光纤环路长度从7 m逐渐更改到87 m，可以饱和功率将从52.8 W变化到2.7 W。随后，为了优化设计在635 nm被动锁模光纤激光器上的实验，有必要模拟非线性放大环形镜特性对耗散孤子共振锁模性能的影响。随着饱和功率增加，耗散孤子共振脉冲持续时间减少（图1e）而脉冲峰值功率增加并且光谱变宽。如图1f所示，调制深度越大，可以支持的脉冲持续时间越宽且在耗散孤子共振状态下可以获得的峰值功率越高。此外，随着光纤环路长度的增加（意味着更大的非线性累积和更低的非线性放大环形镜饱和功率），从图1g可以看出，耗散孤子共振锁模阈值首先急剧下降，然后保持不变（当L> 47 m时）而脉冲持续时间显著变宽。如图1h所示，脉冲能量和斜率转换效率随着光纤环路长度而逐渐增加。应该指出的是，一旦光纤环路长度固定，由于周期性可饱和吸收引起的峰值功率箝位效应，脉冲峰值功率总是保持恒定。根据图1中的数值结果，考虑到低阈值锁模和高性能输出，耦合器的分光比和非线性放大环形镜光纤环路长度应分别设计为50：50和 ~47 m。

02

实验研究

根据数值模拟，研究人员设计并进一步提出了一个635 nm被动锁模全光纤激光器的实验研究。图2a,b分别描绘了实验装置示意图和相应的照片。激光腔以“8”字形结构构建，包括非线性放大环形镜和单向环。非线性放大环形镜充当锁模元件，由635/850 nm波分复用器、3 m Pr3+/Yb3+共掺氟化物光纤、同轴光纤偏振控制器和约40 m的HP 460光纤组成。Pr3+/Yb3+共掺氟化物光纤具有以下参数：850 nm处，吸收系数约为4.0 dB/m，数值孔径为0.23，芯/包层直径为2.8/125 μm。一个带有单模光纤尾纤的850 nm激光二极管通过635/850 nm波分复用器后泵浦氟化物光纤，通过Pr3+和Yb3+离子之间的协同能量转移提供约635 nm的强上转换增益，其激发途径如下：(1) Yb3+的2F5/2能级被850 nm泵浦的基态吸收激发；(2) 从Yb3+的2F5/2能级到Pr3+的1G4能级发生电子转移；(3) Pr3+离子然后被激发到3P0能级，这可以通过3P0→3H6在大约635 nm处产生强发射。单向环包括一个约635 nm的10：90输出光耦合器、一个嵌入的光纤偏振控制器和一个635 nm光纤光隔离器。 50：50光纤耦合器连接非线性放大环形镜和被动单向环。选择50：50光纤耦合器和40 m长的HP 460光纤，其在635 nm处具有高非线性和大的法向色散，以确保非线性放大环形镜的大调制深度和低饱和功率，这有助于耗散孤子共振锁模的形成。实验中，空腔往返长度约为53 m，在强正色散区，空腔净色散估计约为3.1 ps2。此外，研究人员制作了Pr/Yb共掺氟化物光纤的跳线并通过光纤适配器将其高效连接到单模硅酸盐光纤（如HP 460光纤），确保了紧凑的全光纤腔。输出光谱由350-1750 nm光谱分析仪（Ando AQ-6315E）测量；可见光锁模激光器的时间特性由12.5 GHz光电探测器（ET-4000F，Electro-Optics Technology, Inc.）以及40 GSa/s、12 GHz带宽的高速数字存储示波器（Agilent Infiniium DSO81204A）或电子光谱分析仪记录。

图2 可见光被动锁模光纤激光器的实验装置。a、装置示意图；b、635 nm耗散孤子共振锁模光纤激光器的照片。

实验中，连续波红色激光的阈值是58 mW。当泵浦功率超过68 mW时，研究人员观察到稳定的锁模。泵浦功率为93 mW时，红光锁模脉冲的输出特性，如图3所示。可以看出，锁模光谱的中心波长为635.04 nm，3-dB宽约为0.07 nm，在三角形基座轮廓上显示出窄的光谱峰（类似于图1d中的数值模拟）。图3b给出了典型的脉冲序列，其间隔约为258.3 ns，与空腔往返时间（对应于约53 m的空腔长度）匹配，输出脉冲具有均匀的强度（图3b的插图），表明锁模红色激光器非常稳定。图3c展示了单脉冲包络，如果使用超高斯拟合，脉冲具有平顶矩形轮廓和567 ps脉冲持续时间。值得注意的是，在68 mW的泵浦功率下，研究人员观察到最小脉冲持续时间为96 ps（图3c插图）。此外，如图3d所示，以10 Hz分辨率带宽记录的输出频谱具有3.8713 MHz的基频和66.9 dB的高信噪比。图3的插图显示了100 MHz跨度的频谱调制，进一步表明了635 nm可见光光纤激光器的稳定连续波锁模运转。

图3 泵浦功率为93 mW时635 nm锁模激光器的特性。a、锁模运转的输出光谱。b、 脉冲序列的典型示波器轨迹。c、单脉冲包络（插图：68 mW泵浦功率下的单脉冲包络）。d、基频频谱（插图：宽带频谱（100 MHz跨度））。

为了更好地理解635 nm锁模运转，研究人员进一步研究了红色锁模光纤激光器的典型输出特性。图4a显示了单脉冲随泵浦功率的变化。可以看到，随着泵浦功率的增加，脉冲持续时间逐渐增加，呈现出典型的耗散孤子共振区域的特征。相应的光谱在图4b中给出并且三角形基座轮廓上的窄峰变得更强和更尖锐。可以看到，图4a,b中的实验结果与图1c,d中的数值结果非常一致，进一步表明635 nm锁模激光器工作在耗散孤子共振区。图4c记录了不同泵浦功率下宽范围（6 GHz）的宽带频谱。在频谱中，可以清楚地观察到周期性调制包络（与脉冲持续时间有关）。随着泵浦功率从90 mW增加到104 mW，射频调制周期从~1.83 GHz减少到~1.20 GHz，脉冲持续时间相应地从~550 ps增加到~830 ps（图4a），这与耗散孤子共振理论一致。为了评估635 nm耗散孤子共振锁模全光纤激光器的工作稳定性，研究人员在93 mW的泵浦功率下，每10分钟记录一次光谱和频谱。根据测量数据，基频处射频强度的均方根值可估计为约0.209 dBm（仅对应于约0.4%的相对射频强度波动），这意味着脉冲运行稳定。此外，如图4d所示，激光输出的中心波长没有漂移，3-dB带宽在2小时测试期间也没有变化，这说明了极好的重复性和长期稳定性。图4e是平均输出功率和脉冲能量与泵功率的函数关系。平均功率和脉冲能量线性增加，没有任何饱和。实验中，研究人员获得了1.35 mW的最大输出功率并且在122.9 mW的泵浦功率下，脉冲能量被计算为0.35 nJ。脉冲持续时间和峰值功率作为泵功率的函数绘制在图4f中。随着泵浦功率从68 mW增加到122.9 mW，脉冲持续时间从96 ps线性展宽到1298 ps而峰值功率最初略有增加，然后保持不变。

图4 635 nm耗散孤子共振区域的特征。a、泵功率增加时的单脉冲包络；b、光谱对泵浦功率的对数标度；c、在大跨度（6 GHz）范围内，泵浦功率为90 mW至104 mW的频谱；d、在93 mW泵浦功率下，耗散孤子共振运转的光谱稳定性测量；e、平均输出功率和脉冲能量与泵功率的关系；f、作为泵功率函数的脉冲持续时间和峰值功率。

实验中，研究人员试图使用简单的可见光光栅对（GR25-1208），但是仅获得了从703 ps到626 ps的轻微压缩，可能受到这种耗散孤子共振脉冲的大非线性啁啾的限制（图1c）。通过专门设计非线性可见光栅，可以预期更高的压缩比。此外，使用自制的Pr3+/Yb3+共掺氟化物光纤放大器放大了持续时间约为567 ps、平均功率为0.4 mW的635 nm耗散孤子共振激光器，研究人员获得了最大平均功率为5.1 mW、脉冲能量为1.32 nJ及峰值功率为约2.3 W的放大激光输出，显示了这种635 nm锁模脉冲的全光纤放大潜力。

类噪声脉冲由许多低时间相干性的混沌子脉冲组成，是635 nm被动锁模“8”字形光纤激光器的另一种典型工作状态。实验中，通过改变偏振态和调整泵浦功率，研究人员也可以观察到类似噪声的锁模脉冲。图5显示了类噪声脉冲的典型特征。如图5a所示，尽管随着泵浦功率的增加，类噪声脉冲的演化具有与图4a中的耗散孤子共振脉冲相似的特征（即恒定的振幅和脉冲展宽）而635 nm的非线性光学脉冲在矩形脉冲的顶部非常混乱，与耗散孤子共振脉冲的稳定顶部完全不同。图5b给出了635 nm光纤激光器在不同工作状态下的输出光谱。可以看到，在连续波工作下，光谱（绿色）比较宽，由一些不规则的峰组成；在耗散孤子共振锁模运转下，光谱（红色）变得非常平滑并且具有窄的带宽（< 0.1 nm）光谱，具有典型的陡峭边缘；在类噪声脉冲锁模运转下，光谱（蓝色）明显更宽并且随着泵浦功率的增加具有增加的光谱带宽，这是类噪声脉冲的典型光谱特性。随着时间的推移，在类噪声脉冲锁模中出现调制光谱（~0.24 nm周期），这是由于类噪声脉冲中的高峰值功率子脉冲在光纤中激发的强非线性效应（例如，自相位调制和四波混频）。类噪声脉冲的基频为3.8713 MHz，信噪比为57.1 dB。应该注意的是，在耗散孤子共振状态下的频谱具有高度对比的包络调制（图4c）而类噪声脉冲是混沌并具有低振幅包络调制。为了进一步呈现类噪声脉冲的输出特征，图5c中给出了作为泵浦功率的函数的平均输出功率和脉冲能量。从图5d可以看出，当泵浦功率从93 mW增加到122.9 mW时，类噪声脉冲的脉冲持续时间从590 ps扩展到1434 ps而峰值功率保持不变，这与耗散孤子共振方案的情况非常相似。

图5 635 nm非线性光学系统的特性。a、随着泵功率的增加，单脉冲包络的变化；b、在连续波（绿色）、非线性偏振锁模（蓝色）和耗散孤子共振锁模（红色）工作状态下的光谱；c、平均输出功率和脉冲能量是泵功率的函数；d、脉冲持续时间和峰值功率作为泵浦功率的函数。

综上所述，研究人员用理论和实验方法研究了基于非线性放大环形镜的635 nm全光纤被动锁模激光器。首先，通过用标准分步傅里叶方法求解金兹堡-朗道方程，研究人员预测了635 nm锁模脉冲在耗散孤子共振区的形成和演化规律。理论研究表明，随着小信号增益系数的增加（泵浦功率增加），635 nm矩形脉冲呈现出线性加宽的脉冲持续时间、恒定的振幅和窄的光谱峰及陡峭的边缘。此外，研究人员还模拟了非线性放大环形镜特性对耗散孤子共振锁模性能的影响并揭示了非线性放大环形镜光纤耦合器应选择最佳的光纤环路长度（~47 m）和大的分光比（50:50），以保证低阈值锁模和高性能输出。基于理论研究，研究人员还实验实现了635 nm全光纤被动锁模Pr3+/Yb3+共掺氟化物光纤激光器，其中，耗散孤子共振光谱的中心波长为635.04 nm，光谱带宽小于0.1 nm，相应地，激光脉冲具有可调的皮秒持续时间（96-1298 ps）和3.8713 MHz的脉冲重复率以及优异的信噪比（> 66 dB）。此外，通过调整同轴光纤偏振控制器和泵浦功率，研究人员还获得了脉冲持续时间从590 ps到1434 ps可调谐的类噪声脉冲运转和规则调制的光谱。因此，这项研究为可见波长超快脉冲的产生提供了一个新的范例，在激光材料加工和紫外波长区倍频方面有着广泛的潜在应用。

END

研究人员简介

罗正钱，厦门大学电子工程系教授，研究方向为光纤激光技术及应用、片上集成光子器件及非线性光纤光学。