高脉冲能量皮秒铒掺杂光纤振荡器，脉冲持续时间接近傅里叶极限

《Optical Fiber Technology》：High pulse energy picosecond erbium-doped fiber oscillator with near-Fourier-limited pulse duration

高脉冲能量窄带掺铒光纤激光器通过引入线形损耗抑制多脉冲效应，结合色散补偿实现近零色散运行，全光纤结构确保紧凑性和稳定性，输出脉冲14.98 ps，单脉冲能量937.86 pJ创纪录，适用于高功率MOPA和非线性光学应用。

　　本研究聚焦于一种基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）被动锁模技术的窄带、高脉冲能量铒掺杂光纤（EDF）激光器振荡器的设计与实现。这种激光器因其高光谱纯度、高峰值功率以及对人眼安全的特性，在精密加工、生物医学成像和非线性频率转换等领域展现出广泛的应用前景。在光纤激光器的研究中，锁模技术是实现超短脉冲输出的关键方法之一，而被动锁模由于无需外部调制信号，其腔体结构更为简单，因此成为研究热点。

在本研究中，研究人员采用了一种线性腔体结构，通过将具有不匹配纤芯直径和几何形状的保偏光纤进行熔接，有意引入了线性损耗。这种设计不仅保留了输出光的偏振状态，还有效抑制了在高泵浦功率下的多脉冲行为。实验结果表明，该激光器能够产生脉冲宽度接近傅里叶变换极限的脉冲，其脉冲持续时间为14.98皮秒，中心波长为1560.19纳米，3 dB光谱带宽为0.20纳米，平均输出功率达到16.30毫瓦。通过单级放大后，输出功率进一步提升至94.30毫瓦，而光谱线宽仅略微扩展至0.21纳米，显示出极低的啁啾效应和良好的光谱完整性。长期测量表明，该系统具有良好的稳定性。

在被动锁模激光器中，锁模元件通常采用可饱和吸收体（SA），其通过非线性吸收特性实现对低强度光的吸收，同时允许高强度光通过，从而稳定地产生锁模脉冲。SESAM作为一种具有优异性能的半导体材料，不仅能够实现快速的饱和吸收响应，还能够维持系统的稳定运行。因此，SESAM在商业激光器中被广泛采用。然而，SESAM模式锁模的EDF激光器在高泵浦功率下容易出现多脉冲现象，影响其输出性能和单脉冲能量。为了解决这一问题，研究人员在腔体内引入了可控的线性损耗，以维持稳定的单脉冲运行并允许更高的泵浦功率注入。这种方法在实际应用中具有重要意义，尤其是在需要高脉冲能量和稳定输出的场景中。

在锁模激光器中，光脉冲在腔体内反复循环，受到色散、损耗、增益介质中的光谱滤波、非线性效应以及可饱和吸收体等多重因素的影响。由于激光器由具有不同色散特性的光纤组成，脉冲类型可以根据腔体内的净色散进行分类，包括传统孤子、耗散孤子和色散管理孤子。传统孤子在负色散区域运行，其脉冲能量受限于孤子面积理论，最大约为0.1毫焦。在强泵浦条件下，腔体内的孤子脉冲可能会分裂，导致多脉冲或脉冲噪声的出现。耗散孤子则主要在正色散区域运行，具有陡峭的光谱边缘、较大的脉冲宽度和较强的频率啁啾，其时间带宽积较大，使得其对光纤中的非线性效应更为敏感。通过引入色散管理机制，可以降低腔体内脉冲的峰值功率，从而避免孤子分裂或脉冲崩溃，这种机制通常用于实现接近零色散的运行条件，使得脉冲宽度接近傅里叶变换极限，从而实现高能量和稳定的脉冲输出。

为了实现这种高能量和稳定运行的特性，研究人员采用了一种线性腔体结构，并通过选择不同色散特性的光纤，实现了有效的色散补偿。此外，通过熔接具有不同模场直径的保偏光纤，进一步引入了线性损耗。这种设计不仅有助于维持系统的紧凑性和鲁棒性，还有效抑制了在高泵浦功率下的多脉冲行为。实验结果显示，该激光器能够产生接近傅里叶变换极限的脉冲，其单脉冲能量达到937.86皮焦，这是目前SESAM锁模EDF激光器中所报道的最高单脉冲能量。通过单级放大后，输出功率提升至94.30毫瓦，同时光谱线宽仅略微扩展，表明其具有良好的光谱完整性。

本研究提出了一种基于SESAM锁模的窄带、高脉冲能量EDF振荡器，其采用线性腔体结构，同时引入了可控的线性损耗，以实现稳定的高能量锁模运行。通过实验验证，该激光器能够产生接近傅里叶变换极限的脉冲，具有优异的光谱特性和输出性能。此外，其紧凑的全光纤结构也使其在高功率MOPA系统和先进非线性光学应用中具有广阔的应用前景。研究结果表明，这种激光器不仅在高能量和稳定运行方面表现出色，而且在光谱完整性、脉冲宽度控制和输出功率提升等方面也具有显著优势。

在实验装置中，研究人员构建了一个基于SESAM锁模的高脉冲能量、窄带EDF激光器振荡器，如图1(a)所示。该激光器的腔体由SESAM和光纤光栅（FBG）组成，形成一个线性腔体结构。通过使用一个用于976/1550纳米波长的保偏波分复用器（PM-WDM），研究人员将来自976纳米激光二极管（LD）的595毫瓦泵浦功率耦合到振荡器中。增益介质由一段0.9米长的EDF构成，其在泵浦功率增加至87.50毫瓦时，能够实现自启动锁模，产生重复频率为17.38 MHz、输出功率为2.44毫瓦的脉冲。这种脉冲对应于一个约5.91米的腔体长度，显示出良好的锁模性能。随着泵浦功率的进一步增加，传统锁模光纤激光器可能会从连续波（CW）模式转换为Q开关模式，最终出现脉冲分裂现象，这将导致输出性能的下降和单脉冲能量的受限。因此，引入可控的线性损耗成为维持稳定单脉冲运行的关键策略。

研究人员在实验中采用了一种创新的线性腔体设计，通过熔接不同模场直径的保偏光纤，有效地引入了线性损耗。这种设计不仅保留了输出光的偏振状态，还避免了在高泵浦功率下的多脉冲行为，使得系统能够稳定运行。同时，研究人员通过选择具有不同色散特性的光纤，实现了有效的色散补偿，使得脉冲能够在接近零色散的条件下运行。这种设计不仅提高了系统的稳定性，还增强了其输出性能，使得脉冲宽度接近傅里叶变换极限，从而实现高能量和高质量的脉冲输出。

在结果与讨论部分，研究人员详细分析了激光器的运行特性。实验表明，该激光器在激活泵浦源后，能够产生连续波（CW）输出。当泵浦功率增加至87.50毫瓦时，自启动锁模被实现，产生重复频率为17.38 MHz、输出功率为2.44毫瓦的脉冲。随着泵浦功率的进一步增加，激光器的输出性能得到了显著提升，同时保持了稳定的单脉冲运行。研究人员通过实验验证了这种设计的有效性，并分析了其在不同泵浦功率下的运行特性。结果表明，该激光器能够在高泵浦功率下维持稳定的单脉冲运行，同时保持良好的光谱完整性和输出功率。

此外，研究人员还探讨了该激光器在不同应用场景下的潜力。由于其紧凑的全光纤结构，该激光器在高功率MOPA系统和精密激光光谱学应用中具有广阔的应用前景。通过单级放大，该激光器的输出功率可以进一步提升至94.30毫瓦，同时保持良好的光谱完整性。这种设计不仅提高了系统的输出功率，还确保了其在不同工作条件下的稳定性。因此，该激光器不仅在高能量和稳定运行方面表现出色，还具备良好的应用前景。

本研究的主要贡献在于提出了一种基于SESAM锁模的窄带、高脉冲能量EDF振荡器，并通过线性腔体设计和引入可控的线性损耗，实现了稳定的高能量锁模运行。实验结果表明，该激光器能够产生接近傅里叶变换极限的脉冲，具有优异的光谱特性和输出性能。同时，其紧凑的全光纤结构也使其在高功率MOPA系统和先进非线性光学应用中具有广阔的应用前景。通过实验验证，该激光器在高泵浦功率下能够维持稳定的单脉冲运行，同时保持良好的光谱完整性和输出功率。

在实验中，研究人员还分析了不同参数对激光器性能的影响。例如，通过改变泵浦功率，研究人员观察到了激光器输出功率的变化趋势。在低泵浦功率下，激光器主要产生连续波输出，而在高泵浦功率下，能够实现稳定的锁模运行。这种转变表明，该激光器在不同工作条件下具有良好的适应性。此外，研究人员还分析了不同光纤参数对色散补偿和脉冲宽度的影响，发现通过选择具有不同色散特性的光纤，可以实现更有效的色散管理，从而提高脉冲的能量和稳定性。

本研究还探讨了该激光器在不同应用场景下的潜在应用。由于其紧凑的全光纤结构，该激光器在高功率MOPA系统和精密激光光谱学应用中具有重要价值。通过单级放大，该激光器的输出功率可以进一步提升，同时保持良好的光谱完整性。这种设计不仅提高了系统的输出功率，还确保了其在不同工作条件下的稳定性。因此，该激光器不仅在高能量和稳定运行方面表现出色，还具备良好的应用前景。

综上所述，本研究提出了一种基于SESAM锁模的窄带、高脉冲能量EDF振荡器，并通过线性腔体设计和引入可控的线性损耗，实现了稳定的高能量锁模运行。实验结果表明，该激光器能够产生接近傅里叶变换极限的脉冲，具有优异的光谱特性和输出性能。同时，其紧凑的全光纤结构也使其在高功率MOPA系统和先进非线性光学应用中具有广阔的应用前景。通过实验验证，该激光器在高泵浦功率下能够维持稳定的单脉冲运行，同时保持良好的光谱完整性和输出功率。这一研究为高能量、高稳定性的光纤激光器设计提供了新的思路和方法，具有重要的理论和应用价值。