掺铥石英光纤的荧光光谱范围是1．6－2．2 ＆mu；m［1］，该波段在长波通信、医学手术和三光子显微成像等领域倍受关注。掺铥光纤激光器（Tm－doped fiber lasers，TDFLs）的短波段（＜1．8 ＆mu；m）相较长波段（＞1．8 ＆mu；m）增益系数显著降低，要求器件的损耗很低，不容易被观察到，研究起来更困难。在研究短波段时，为了避免长波段的影响，可利用波长选择元件抑制长波段的增益。在锁模激光器中，增加孤子脉冲能量受孤子面积定理和背景噪声干扰的限制，而耗散孤子体系的脉冲能量可大幅提升。此外，考虑到实际应用需要，激光器的输出波长最好可调谐。本文将分享一篇主题为“覆盖1700－1900 nm（包含短波段和长波段的超宽带）、可调谐、基于耗散孤子体系的TDFL”的期刊文章［2］。

如图1所示，实验装置由种子激光器、放大级和压缩级三部分组成。种子激光器中的声光可调滤波器（acousto－optic tunable filter，AOTF）能够对光谱高斯滤波，与1／4波片和半波片组合，可作为起偏器，实现基于非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation，NPR）的锁模。此外，AOTF还能让入射光发生频移，使锁模脉冲更稳定。作者采用75 cm的掺铥光纤来提供增益 ，采用7．1 m的UHNA4光纤补偿色散。整个腔体包含11．5 m的光纤和43 cm的自由空间部分，总的净腔色散在1734 nm处约为0．42 ，可产生重复频率约为17 MHz的脉冲。在放大级中，TDF2光纤为高吸收的大纤芯光纤（芯径为10 ＆mu；m），可有效利用剩余泵浦、抑制寄生激光，显著提升输出功率。为抑制在长波段的高增益，作者在ISO和WDM之间插入一段长1 m、弯曲半径为9．8 cm的色散补偿光纤（单模阶跃折射率光纤）。压缩级采用刻线密度为711 线／mm的光栅对。

图1 实验装置［2］

图2为可调谐耗散孤子激光器输出的光谱（灰线表示自发辐射放大），调谐范围为1700－1900 nm，光谱宽度在10－23 nm范围内变化。不同波长处的光谱受到波片的旋转角度、净腔色散、增益曲线等多个因素的影响。

图2 波长可调谐性［2］

在光谱调谐范围内，脉冲宽度在8．7－18．3 ps范围内变化（图3左上），输出功率主要在2－5 mW范围内（图3右上）变化，但以最长波长工作时，输出功率升至12 mW。耗散孤子波长为1807 nm时，所需的泵浦功率最低。图3左下为种子激光器工作在1807 nm时，不同分辨率带宽下的射频频谱。图3右下的脉冲序列展示了稳定的单脉冲工作状态。

图3 种子激光器性能［2］

图4为增益边（1708 nm）和增益峰（1807 nm）处的功率曲线、光谱和自相关曲线。工作波长为1708 nm时，输出功率随着泵浦功率的增加而增加。当泵浦功率为2．7 W时，放大级的输出功率达到31．5 mW，脉冲能量为1．85 nJ。在放大前，ISO和WDM之间的色散补偿光纤可以抑制ASE、减小信号光的损耗。如图4（c）所示，光谱经过放大后没有显示出非线性引起的失真。经光栅对压缩后，脉冲宽度可降至523 fs。在1807 nm情况下，当泵浦功率为2．7 W时，输出功率为141 mW，脉冲能量为8．2 nJ；光谱同样没有非线性畸变；压缩后的脉冲宽度为478 fs，存在较强基底。

图4 增益边和增益峰处放大级和压缩级结果［2］

图5为脉冲在种子激光器腔内演变的模拟结果。观察不同位置处脉冲时域和频域形态，可以获知不同器件的功能：增益光纤显著提升了脉冲峰值功率，使光谱稍有变宽；色散补偿光纤展宽脉冲，让频谱出现“猫耳”结构（耗散孤子的典型特征），这是正常色散和非线性双重作用的结果；经过耦合器后，脉冲略变窄，光谱宽度保持在21 nm，与实验结果吻合很好；经过可饱和吸收体（SA）和光谱滤波后，脉冲宽度缩短为4．6 ps，光谱宽度变为12 nm。

图5 模拟结果［2］

综上所述，这一在1700－1900 nm范围内可调谐的TDFL经过放大，可在增益边（1708 nm）和增益峰（1807 nm）分别实现31．5 mW和141 mW的功率输出，经过压缩的脉宽分别为523 fs和478 fs。较宽的可调谐范围和短波段的功率可扩展性有望开辟新的应用。

参考文献：

［1］ S． D． Jackson， ＂Towards high－power mid－infrared emission from a fibre laser，＂ Nature Photon 6（7）， 423＆ndash；431 （2012）．

［2］ X． Liu， J． K． Sahu， and R． Gumenyuk， ＂Tunable dissipative soliton Tm－doped fiber laser operating from 1700 nm to 1900 nm，＂ Opt． Lett． 48（3）， 612 （2023）．

原文标题 ： 超快光纤激光技术之四十三 1700－1900 nm范围内可调谐的耗散孤子掺铥光纤激光