增强全保偏锁模掺铥光纤激光器中类噪声脉冲的功率和能量

《Optics and Lasers in Engineering》：Enhancing the power and energy of noise-like pulse in an all-polarization-maintaining mode-locked Tm-doped fiber laser

　　

• •
  通过采用图9型腔结构和非线性放大环路镜像锁模技术，获得了稳定的类噪声脉冲输出。
• •
  通过增强非线性相移，类噪声脉冲的脉冲能量达到1.2 μJ，这是2微米全保偏光纤激光器中实现的最高水平。
• •
  通过平衡控制腔内增益和损耗，实现了类噪声脉冲的功率增强，获得了最大平均功率为2.9 W、光谱中心波长位于1980.8 nm的类噪声脉冲。

引言

提高锁模激光器性能（如功率、能量、谱宽、脉冲持续时间等）长期以来一直是科学界关注的焦点[[1], [2], [3], [4]]。这是因为这些改进直接影响其在工业加工、成像、量子技术和特殊波长光源中的应用深度和广度[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。特别是，光纤激光器的功率和能量在许多应用中面临越来越严格的要求。对于成像而言，高功率或高能量光纤激光光源可以增强成像深度和图像质量。在精密加工领域，高功率或高能量光纤激光器提高了加工效率和性能，简化了激光系统的结构，并有利于成本控制。在超连续谱产生方面，高功率或高能量光纤激光器是实现高功率输出和平坦光谱特性的理想泵浦源[7,[12], [13], [14], [15]]。此外，高性能锁模光纤激光器为生物医学、传感、量子通信等领域的应用提供了无限可能性[4,[16], [17], [18], [19], [20]]。

通过改变腔内色散、非线性、增益和损耗，锁模光纤激光器可以产生比传统孤子具有更高能量的色散管理孤子和耗散孤子[21,22]。然而，受限于孤子脉冲经历的有限非线性，孤子光纤激光器仍然难以实现~W级的功率输出和~μJ级的能量输出。结构设计使得光纤激光器能够在类噪声脉冲（NLP）区域工作，提供了一种直接输出高功率或高能量激光的有效方法[[23], [24], [25], [26], [27]]。特别是，结合全保偏（PM）结构，可以为线性偏振中红外超连续谱和光学相干断层扫描成像等独特应用提供高度鲁棒且环境适应性强的锁模光纤激光器，同时消除了非保偏锁模光纤激光器所需的偏振状态控制[28,29]。

类噪声脉冲是由众多飞秒或皮秒孤子脉冲组成的宽包络。当脉冲在腔内循环时，类噪声脉冲承受更高的非线性相移累积，从而提供高功率或高能量输出。在全保偏Tm掺杂光纤激光器中，Zhao等人报道了平均功率为90.9 mW、脉冲能量为16.86 nJ的类噪声脉冲[30]。在线性腔光纤激光器中，Li等人采用非线性偏振演化（NPE）技术实现了功率为284 mW、脉冲能量为24 nJ的线性偏振类噪声脉冲[31]。通过优化腔结构参数，Ruan等人在图8型腔Tm掺杂光纤激光器中获得了功率为1.017 W、脉冲能量为0.612 μJ的类噪声脉冲[32]。为了进一步提高类噪声脉冲光纤激光器的性能，采用少模或多模光纤构建时空锁模方案[31,33]，证明了类噪声脉冲对非线性具有高容忍度，能够提供更高的功率和能量。例如，Zhang等人在光纤激光器中使用少模Yb掺杂光纤和相应的无源光纤，获得了4.1 W的类噪声脉冲功率[34]。然而，时空光纤激光器需要仔细设计横模和纵模锁模，这为高功率、高能量光纤激光器的发展带来了挑战，阻碍了实际应用需求。为此，有必要研究在商用单模光纤激光器中实现高性能类噪声脉冲激光器，这一方向有利于发展成本低、紧凑的光纤激光器。

本文通过腔结构设计，获得了2微米全保偏光纤激光器中最高功率和能量的类噪声脉冲。通过全保偏图9型腔结构实现类噪声脉冲锁模。通过使用双向泵浦方案以及优化腔内光纤长度和耦合比来增强类噪声脉冲性能。类噪声脉冲的最大输出功率和脉冲能量分别可达2.9 W和1.2 μJ。

章节摘要

实验结构

设计的全保偏类噪声脉冲腔的基本实验装置如图1所示，采用图9型结构。与传统的图8型腔结构相比，使用更少的光学耦合器和环形器（或隔离器）降低了腔内损耗，这有助于提高类噪声脉冲性能。一根3.5米的保偏Tm掺杂光纤（PM-TDF, PM-TSF-9/125）由两台自制的1550 nm光纤激光器泵浦（最大功率分别为4.4 W和5.4 W），

高功率类噪声脉冲特征

高功率类噪声脉冲的特性如图2所示，通过提高1550 nm激光功率获得。光纤激光器使用PM-PS提供线性相移，PM1550光纤未用于提供非线性相移。锁模阈值为5.5 W。随着1550 nm泵浦激光功率增加到9.8 W，3 dB谱宽达到32.6 nm，光谱保持稳定，无显著漂移。中心波长位于1980.8 nm。相应的波形

总结

总之，系统地研究了类噪声脉冲功率和能量的增强。通过平衡腔内损耗和增益，成功获得了功率为2.9 W的线性偏振类噪声脉冲。研究了腔内保偏耦合器的耦合比和无源光纤长度对输出脉冲特性的影响。过高的耦合比阻碍了锁模的形成，而较小的耦合比无法提供高功率类噪声脉冲。增加无源

资助

本工作得到国家自然科学基金（NSFC，中国）（项目编号：U22A6003，62225504，62535005，12574396）、山西省基础研究计划（202403021222033）和山西省高校科技创新计划（2024L008）的支持。

CRediT作者贡献声明

张振琪：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化。刘瑞芳：写作 – 原稿，方法论，调查研究，形式化分析。朱欣然：写作 – 审阅与编辑。李雪梅：可视化，概念化。王昊天：形式化分析。杨晓：验证。王鹏飞：调查研究。赵德胜：监督，项目管理。田龙：可视化，资源，方法论。郑耀辉：可视化，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

Zhenqi Zhang|Ruifang Liu|Xiran Zhu|Xuemei Li|Haotian Wang|Xiao Yang|Pengqi Wang|Desheng Zhao|Long Tian|Yaohui Zheng