建造飞秒光纤激光器往往使用单模光纤,其较小的芯径伴随着很强的非线性,易造成脉冲分裂,因此限制了激光功率的提升。利用折射率渐变多模光纤(GRIN MMF)的时空锁模,在理论上可获得很高的功率,而且近年来发现的光束自清洁(Self-cleaning)效应有望改善输出光束质量。这篇文章报导了具有腔内克尔诱导光束自清洁特性的多模锁模光纤激光器,可以产生高能量且光束质量良好的飞秒脉冲。

图1 多模谐振腔模拟系统示意图

在多模谐振器模拟中, 作者考虑了五个低阶模式共存,系统如图1所示,仿真初始条件为量子噪声场,脉冲演化过程中的脉宽及谱宽变化如图2所示。在增益光纤末端可以得到最短的脉冲,脉宽为450 fs,也对应于腔内最高的峰值功率,可以使脉冲在GRIN MMF部分达到克尔诱导光束自清洁的阈值。

图2 模拟腔中的脉冲演化,脉宽和光谱带宽随传播位置的变化。SA,饱和吸收器;PC,脉冲压缩

由于掺Yb增益GRIN MMF的生产非常复杂,本实验中采用商业化阶跃折射率增益MMF。与阶跃折射率MMF相比,GRIN MMF段在腔内的模间色散可以忽略。实验中,该课题组采用非线性偏振演化(NPE) 实现被动锁模,实验装置如图3所示。二极管泵浦源功率为20W,波长为976nm,通过泵浦合束器与1．3米长的MMF增益光纤熔接。为了激发GRIN MMF中的高阶模,故意在增益光纤与1．4米 GRIN MMF熔接时引入5μm的偏移。

在第一段GRIN MMF之后,光束准直后经过一组波片、偏振分束器(PBS)、隔离器、光栅对(600/mm)以及空间过滤器(随机放置的小孔)。空间过滤器用于限制腔内的模态,在多模激光腔的实验中,在没有模态滤波的情况下,锁模在长期运行中会产生振荡。在上述腔中,随机放置的针孔能够确保稳定的锁模。实验中发现,对于不同的针孔位置,空间光束的分布保持不变。腔中的光栅对引入较大负色散,导致进入GRIN MMF的脉冲带有一定的负啁啾,因而脉冲在GRIN MMF及增益MMF中会被压缩。

图3 多模克尔诱导自清洁效应谐振腔实验示意图

实验中脉冲由连续输出到锁模输出演化如图4所示,可见当被动锁模发生后,伴随着激光腔内形成飞秒脉冲,克尔诱导的自清洁效应极大地提高了光束质量。

图4 减少腔损耗从连续波到锁模状态的输出光束演化(8nJ输出脉冲能量)

如图5所示,当泵浦功率为3．5 W时,可以产生20 nJ、3．88ps的脉冲,光谱宽40nm,脉冲在腔外由光栅对可以压缩到97fs,M2测量平均结果为1．13(M2x=1．08,M2y=1．17)。

图5输出能量为20nJ时的输出光束参数

该课题组实验中观察到M2值随着脉冲能量的增加而减小,证明腔内确实发生了克尔诱导的自清洁效应,该实验开辟了高能量超快光纤激光器的新方向。

参考文献:

[1] Ugur Tegin, Babak Rahmani, Eirini Kakkava, Demetri Psaltis, and Christophe Moser "Single-mode output by controlling the spatiotemporal nonlinearities in mode-locked femtosecond multimode fiber lasers," Advanced Photonics 2(5), 056005 (16 October 2020)．