超快激光的时间抖动(Timing Jitter)指的是脉冲包络相对于理想时间位置的偏差,对于无反馈的锁模激光器而言,其脉冲波形将在时域呈现出随机游走的状态,如图1所示。

图1 时域上锁模激光器的定时抖动

飞秒锁模激光器的时间抖动一般都在飞秒(10^-15)量级甚至阿秒(10^-18)量级,远低于微波信号源,并在锁模激光器噪声理论快速发展的推动下,低抖动的飞秒锁模激光器已在X射线自由电子激光、光子模数转换、泵浦探测实验等领域具有广泛的应用。不同于飞秒固体激光器的光光转换效率较低、装置额外的水冷结构、受环境扰动的空间耦合等局限性,飞秒光纤激光器散热性能强、单通增益高、增益带宽大、结构紧凑,而且随着飞秒光纤激光器时间抖动特性不断被优化,其实用性获得进一步扩展。

通常,光纤激光器实现锁模的方法主要有三种:非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation,NPR)、可饱和吸收体(Saturable Absorber,SA)和非线性环形镜(Nonlinear Amplifying Loop Mirror,NALM)等锁模。基于NPR的锁模激光器易受温度、压力、振动等环境条件的影响,导致锁模状态发生变化甚至会完全失去锁模;基于SA的锁模激光器,其损伤阈值较小,更重要的是其光谱受SA弛豫时间的影响,与NPR相比,载波包络偏移频率(fceo)的固有相位噪声和时间抖动更大;基于NALM锁模的全保偏设计和全光纤结构,极大提高了激光器的稳定性,逐渐受到了广大科研工作者们的青睐,常见基于NALM锁模光纤激光器的结构类似数字“8”,也被称为“8”字腔锁模,受限于腔中需要较长的光纤来积累足够多的非线性相移保证锁模,该方法难以输出高重频的脉冲。在“8”字腔的基础上,可进一步缩短腔长来提高重频,典型“9”字腔结构如图2所示。

图2  “9”字腔锁模光纤振荡器。图片来自参考文献[1]

最近德国DESY的研究人员基于“9”字腔结构成功搭建了一套低时间抖动、高稳定性的掺钬振荡器,重频为41．6MHz,脉冲宽度为1．3ps,脉冲能量为140pJ,波长可在2035～2075nm之间调谐[2]。该装置由一个主环和一个线性臂组成,具体装置如图3所示,脉冲经过分光比为50:50的耦合器后,以相同光强分别以顺时针(clockwise,cw)和逆时针(counterclockwise,ccw) 方向在主环中传输,为了弥补缩短腔长而不能积累足够多的非线性相移实现稳定锁模的缺陷,该装置采用了两个法拉第旋转器和一个1/4波片,则cw和ccw光通过之后两脉冲之间会有π/2的相位差,且各自的偏振方向旋转了90°,通过PBS之后继续在主环中传输,初始相移的引入极大提高了锁模的结果。脉冲再经过耦合器之后,中心强大的部分透射率高进入线性臂中继续传输,边缘强度较弱的部分会被反射进入rejection端,经过多次的传输和反射,最终在output端输出稳定的锁模脉冲。

图3 基于NALM的光纤振荡器结构示意图

值得注意的是,在装置的线性臂上有一个由铜块、压电陶瓷和反射镜组成的快速PZTM,实现高带宽和长距离空腔长度控制;还有一个可长距离驱动的光纤准直器(C3)用于慢速控制腔长。同时,可通过调整带通滤波器(OBPF)的倾斜角度改变它的透射曲线,可实现波长2035～2075nm的调谐范围和凯利边带的抑制,相应地在该频谱范围内得到的脉冲宽度在1．1～1．3ps范围,输出脉冲的时域和频谱图如图4所示。

图4 不同倾角OBPF下的脉冲输出时域和频谱图

为了验证该振荡器的相对强度噪声(Relative Intensity Noise,RIN) 主要源自于泵浦源,作者采用了两组不同的泵浦源:(1)Pump A (1938nm,10W)以自由空间的方式耦合进入主环中和(2)Pump B (1950nm,5W)用单模光纤耦合进主环,在不同的泵浦条件下,得到该振荡器的RIN如图5所示。

图5 振荡器和泵浦源的RIN图

从图5a)所示,泵浦源的噪声特性会转移到振荡器中,在低频处振荡器RIN会随着各自泵浦的RIN而变化,在高频处振荡器的RIN会逐渐下降逐渐接近自身的量子极限噪声;从图5b)可得,在10Hz～1MHz中,振荡器的RIN水平分别为0．11%(A)和0．12%(B)以及泵浦源的RIN水平分别为3．7%(A)和5．8%(B)。

最后,作者通过将该振荡器做射频同步锁相处理,在诊断输出端(见图3 diagnostics端)滤出73rd谐波在全数字环路滤波器中进行数字化处理,随后该控制信号反馈到执行器中进行腔长快速的移动,得到相位噪声和时间抖动如图6所示。

图6 该振荡器的相位噪声和时间抖动图

通过对比没有进行射频同步锁相处理和同步处理,前者的相位噪声主要来自于泵浦源的RIN,进行同步处理后振荡器的相位噪声远小于前者,最终通过计算得到在10Hz～1MHz中,振荡器的时间抖动为45fs。综上,基于NALM锁模的低抖动超快光纤振荡器表现出优越的性能,相信会在电子加速实验、X射线自由电子激光装置中发挥更加出色的作用。

参考文献:

[1] KUSE N, JIANG J, LEE C C, et al． All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear amplifying loop mirror [J]． Optics Express, 2016, 24(3): 3095-102．

[2] MAHNKE C, HUA Y, MA Y, et al． Long-term stable, synchronizable, low-noise picosecond Ho:fiber NALM oscillator for Ho:YLF amplifier seeding [J]． Optics Letters, 2022, 47(4): 822-5．

       原文标题 : 超快光纤激光技术之二十三 基于NALM锁模的低噪声超快光纤振荡器