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1.7μm自同步皮秒脉冲随机拉曼光纤激光器
飞秒或皮秒脉冲光纤激光器结构简单紧凑、系统稳定性好、光束质量高，具有重要的研究和应用价值．近年来，在生物成像[1]和材料加工[2]等领域，输出波长为1. 7µm的短脉冲光纤激光器受到越来越多的关注．与0. 8µm和1. 3µm等用于生物成像的常规波段相比，1. 7µm波段的脉冲激光在生物组织中具有更长的散射长度和更低的水吸收系数[1，3]．此外，由于1. 7µm波段被C—H键强烈吸收，该波段短脉冲激光源也可用于聚合物加工和脂质靶向皮肤治疗[4]．根据增益机制不同，可通过稀土离子掺杂光纤激光器和非线性光纤激光器来实现1. 7µm短脉冲光纤激光器．基于粒子数反转（popu⁃lation inversion，PI）的稀土离子掺杂光纤激光器主要采用掺铋光纤（bismuth-doped fiber，BDF）[5-7]、掺铥光纤（thulium-doped fiber，TDF）[8-10]及铥-钬共掺光纤（thulium-holmium co-doped fiber，THDF）[11]作为其增益光纤．由于BDF和THDF在1. 7µm波段的增益系数较低，降低了激光器的性能和进一步的放大效果．2021年，CHEN等[12]通过使用一段具有反常色散的商用TDF，实现了高性能的啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，CPA）系统，压缩后的脉冲宽度为348 fs，平均功率为1. 3 W．然而，在CPA结构中，空间结构的脉冲展宽和压缩器增加了系统复杂性．
1. 7µm非线性光纤激光器的实现包含多种技术方案．2003年，CHESTNUT等[13]利用高非线性色散位移光纤（highly nonlinear dispersion-shifted fi⁃ber， HNLDSF）中 的 孤 子 自 频 移（soliton self-frequency shift，SSFS）效应，在1. 72µm附近产生脉宽为100 fs的光孤子[13]．随后NICHOLSON等[14-15]使用大模场及超大模面积光纤实现瓦级的1. 7µm波段激光输出．然而在转换过程中，孤子的时间相干性可能退化并导致脉冲分裂[10]．BECHEKER等[16]基于简并四波混频效应实现一种使用色散位移光纤作为增益介质的光纤光参量振荡器（fiber optical parametric oscillator，FOPO），该系统可获得输出波长在1. 617～1. 876µm可调的皮秒脉冲激光，由于光纤中非线性效应的影响，平均输出功率小于14. 3 mW．为进一步提高输出功率，QIN等[17]提出一种全光纤光参量啁啾脉冲放大器（fiber optical parametric chirped-pulse amplifier，FOPCPA），其将啁啾脉冲放大和光参量振荡结合，在1. 7µm处实现平均功率1. 42 W的激光输出，但整个激光系统的配置非常复杂. 此外，超连续谱（super-continuum， SC）产生技术也可用于获得1. 7µm的激光脉冲． 2017年，CHUNG等[18]利用自相位调制实现光谱展宽的可调谐飞秒脉冲，然后进行光谱波瓣滤波，在1. 65～1. 75µm获得平均功率为330 mW的85 fs脉冲，由于难以进行精确的光谱控制，导致1. 7µm处的光谱功率密度较低．由以上内容可见，目前1. 7µm波段的皮秒或飞秒脉冲激光器普遍存在结构庞杂及光谱功率密度低等缺陷，限制了该波长激光器的应用．因此，开发一种简单稳定的1. 7µm短脉冲光纤激光器在科研、医疗和工业等领域具有重要意义．
2010年，TURITSYN等[19]提出随机分布反馈拉曼光纤激光器的概念，与传统光纤激光器不同，随机分布反馈拉曼光纤激光器没有界限明确的谐振腔[20]，具有结构简单和成本低廉的独特优势，其不仅具有重要的研究价值，同时也是一种具有广阔应用前景的激光技术[21]．目前对随机拉曼光纤激光器的研究大多仍集中在连续工作状态，脉冲产生方面的研究较为欠缺．同步脉冲泵浦作为一种获得脉冲激光的常见方法可用于拉曼光纤激光器中，该技术需要满足泵浦脉冲周期与激光腔往返时间的严格匹配，超短脉冲工作状态下的匹配精度要求达到万分之一以上[22]，使其对环境非常敏感．为了维持系统长期稳定，需要在腔内或腔外加入复杂的反馈控制系统．随机光纤激光器由于其独特的分布反馈特性为实现自同步提供可能．2018年，PAN等[23]通过搭建环型腔随机光纤激光器在1 120 nm处产生稳定的类噪声脉冲，分布式瑞利散射形成的复合腔自动实现了同步泵浦．值得注意的是，随机激光由于空间相干性低，是一种理想的无散斑成像光源[24]，结合1. 7µm波段水吸收低的特性，该波段的短脉冲随机光纤激光源在生物成像领域具有独特优势．
本研究提出并实现了工作在1. 7µm波段的自同步随机分布反馈脉冲拉曼光纤激光器．随机拉曼半开腔由1支光纤布拉格光栅和1段长度为1 300 m的正色散光纤构成．在脉冲泵浦过程中，通过分布式瑞利散射提供光反馈，自适应选择一组随机空腔，与泵浦脉冲序列同步．通过在腔内增设波分复用器（wavelength division multiplexer，WDM）抑制腔内噪声，改善了输出脉冲质量．实验获得了稳定的皮秒脉冲输出， 1. 7 µm波段的平均功率为224 mW．这一方案不需要复杂的重频匹配系统或任何主动或被动调制器件，结构简单紧凑，重复频率可由泵浦脉冲进行调节．
1 实验装置
1. 7µm随机分布反馈脉冲拉曼光纤激光器结构如图1，由电驱动的激光二极管种子、主振荡功率放大器（master oscillator power amplifier，MOPA）和半开式随机拉曼腔组成．1 578 nm种子脉冲由电脉冲驱动的带尾纤的分布式反馈激光二极管（distributed feedback laser diode，DFB-LD）产生，其重复频率可在大范围调节．前3级预放大级对微弱的皮秒脉冲种子信号进行放大，采用中心波长为976 nm的单模激光二极管泵浦单包层掺铒光纤（Nufern/Coherent公司，型号为EDFC-980-HP），预放大后的激光平均功率为43 mW．后3级主放大级对信号脉冲进一步放大，放大级采用中心波长为976 nm的多模激光二极管泵浦双包层铒镱共掺光纤（Nufern/Coherent公司，型号为MM-EYDF-12/130-HE）．在第1级预放大级、第3级预放大级和第2级主放大级后分别接有1个带通滤波器（band-pass filter，BPF）用于滤除噪声．半开式随机拉曼腔由1支光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）和1段1 300 m的单模拉曼增益光纤（YOFC，型号为CS980_125-20/250）组成，光纤光栅刻在同种光纤上以减少连接损耗．纤芯直径和包层直径分别为4 µm和125 µm，零色散波长约为1 800 nm，在1 550 nm 处传输损耗为1. 1 dB/km. FBG的反射谱中心波长为1 695 nm，带宽1 nm，反射率>99%． FBG后150 m处插入1支波分复用器（WDM1），将1 590 nm以下的剩余泵浦光导出以抑制腔内噪声．输出端采用截止波长为1 640 nm的WDM2进一步滤除剩余泵浦光以方便对1. 7µm激光进行探测．此外，种子源、放大级和拉曼激光器之间都插入隔离器防止反向光，输出光纤端面为8°斜角，以避免端面反射带来的干扰.
采用两种光谱分析仪（Yokogawa，型号分别为AQ6370D和AQ6376）测试泵浦源和激光器输出光谱，采用带宽为20 GHz的示波器（TELEDYNE LECROY，型号为SDA 820Zi-B）、射频频谱分析仪（Rohde&Schwarz，型号为FSWP8）及带宽为12. 5 GHz的InGaAs光电探测器（EOT，型号为ET-5000/F）对脉冲的时域和频域参数进行测量．利用自相关仪（Femtochrome，型号为FR-103XL）测量脉冲自相关曲线．
图1 随机分布反馈脉冲拉曼光纤激光器结构Fig. 1 Experimental setup of the random distributed feedback pulsed Raman fiber laser.
2 实验结果
图2为皮秒脉冲泵浦光的输出特性．其中，图2（a）为不同功率下的光谱演变．可见，随着功率的增加，由于调制不稳定性的作用，主峰附近产生了对称旁瓣和次峰[24]．当平均输出功率为1. 560 W时，中心波长为1 578. 6 nm，光谱宽度为0. 18 nm．图2 （b）为图2（a）对应的脉冲序列，其中，脉冲周期为16. 71 ns，对应重复频率为59. 84 MHz．图2（c）为基频信噪比（signal noise ratio，SNR）为66 dB的射频频谱，表明泵浦脉冲激光器具有较好的稳定性．由于采用电信号发生器驱动种子源，泵浦脉冲的重复频率大范围连续可调．图2（d）为自相关（autocorre⁃lation，AC）曲线，其半高全宽（full-width at half-maximum，FWHM）为41 ps，高斯脉冲拟合的脉宽为29 ps．
系统在未使用任何重复频率控制和反馈回路情况下，将泵浦脉冲直接泵浦拉曼腔，经由WDM2滤波后的输出特性如图3．当波长1 578 nm的泵浦光功率达到0. 6 W时，观察到1. 7µm拉曼激光的产生．图3（a）为输出功率曲线，输出功率随泵浦功率线性增长，斜效率为52. 6%．图3（b）为对数坐标下光谱随输出功率演变．当泵浦光功率在阈值以下时，非线性展宽的泵浦脉冲与自发拉曼散射构成1个包络．当泵浦光功率达到阈值功率后，产生了1 695 nm的斯托克斯激光．光谱宽度和光学信噪比随功率增加均有所增大，当泵浦功率为1. 08 W时，输出功率为224 mW ，光光转换效率为20. 7% ，对应输出光光谱如图3（c），可见，中心波长位于1 695 nm，3 dB带宽为5 nm. 输出激光中心波长相对于1 578 nm的泵浦光拉曼频移量为430 cm-1，接近石英光纤中拉曼增益峰（440 cm-1） . 图3（d）为基频附近的射频谱，频谱中心与泵浦脉冲一样位于59. 84 MHz，信噪比略低于泵浦光，达到了59 dB.重频分量与泵浦脉冲一致，表明斯托克斯脉冲较好地保持了泵浦脉冲的时域特性．图3（e）为输出激光的时域特性，斯托克斯脉冲的强度稳定性相比泵浦光有所下降．这是因为拉曼转换效率与泵浦脉冲强度有关，泵浦脉冲的强度抖动会导致斯托克斯脉冲更强烈的强度抖动，该现象可通过采用更稳定的泵浦源来改善．图3（f）为脉冲宽度随输出功率的变化情况．可见，低功率下平均脉冲宽度超过700 ps，这时输出激光存在较大的自发拉曼散射，脉冲抖动剧烈．随着功率增加，脉冲宽度迅速降低至约200 ps，激光腔内形成自同步脉冲，单脉冲波形如图3 （f）插图所示．随着输出功率增加，斯托克斯脉冲的宽度也在缓慢增加，这主要是因为泵浦光和斯托克斯光的群速度不同，走离效应使泵浦脉冲不断放大斯托克斯脉冲后沿，导致使脉冲展宽．
图2 波长为1 578 nm脉冲泵浦源输出特性（a）不同输入功率时的输出光谱；（b）脉冲序列；（c）基频频谱；（d）自相关曲线Fig. 2 (a) Output spectra when the input power was 0. 315 W (deep grey line), 0. 987 W (red line) and 1. 560 W (blue line), respectively, (b) pulse train, (c) radio frequency (RF) spectrum around the fundamental frequency, and (d) autocorrelation curve of the amplified 1 578 nm pump pulses.
相比于传统半开腔随机光纤激光器，在短脉冲工作状态时，腔内引入1个波分复用器（WDM1）将剩余泵浦光滤除．图4为移除WDM1时的输出激光时域特性．可见，无WDM1时的输出脉冲质量明显变差．图4（a）中的基频频谱信噪比为56 dB，在底部观察到大量调制频率成分，同时由图4（b）的脉冲序可见，脉冲幅值抖动剧烈．这是因为随机光纤激光器通常需要几百甚至上万米的光纤构建分布反馈腔，而拉曼激光器中皮秒泵浦脉冲与斯托克斯脉冲的相互作用长度通常只有几十米．两者走离后泵浦激光能量不再转移给信号脉冲，而是在激光器的随机子腔中振荡产生随机拉曼信号，导致随机脉冲激光器的稳定性下降．实验中1 578 nm泵浦光与1 695 nm斯托克斯光的群速度失配约为1. 006 ps/m，在150 m处滤除剩余泵浦光可有效改善随机脉冲拉曼光纤激光器的脉冲质量.
图3 波长1. 7µm皮秒随机分布反馈拉曼光纤激光器的输出特性（a）输出功率曲线；（b）不同输出功率时的光谱；（c）功率为224 mW时的光谱；（d）基频频谱；（e）脉冲序列；（f）不同输出功率时的脉冲宽度变化Fig. 3 (a) Experimental output power (blue line and squares) and the corresponding linear fitting curve (red line), (b) output spectra with input power 0 mW (black line), 5 mW (red line), 9 mW (purple line), 35 mW (sky blue line), 52 mW (yellow brown line), 110 mW (yellow line), 153 mW (grey line) and 224 mW (green line), (c) output spectrum with pump power 224 mW, (d) RF spectrum around the fundamental frequency, (e) pulse train, and (f) pulse width changes with output power of the 1. 7µm picosecond random distributed feedback Raman fiber laser. The inset picture of (f) was the single pulse waveform of the self-synchronized pulse.
图4 无WDM1时随机拉曼光纤激光器的（a）基频频谱和（b）脉冲序列Fig. 4 (a) RF spectrum around the fundamental frequency and (b) pulse train of the random Raman fiber laser without WDM1.
结 语
本研究通过脉冲泵浦分布式反馈半开拉曼腔，实现了波长为1. 7µm的皮秒脉冲激光输出．该方案无需传统同步泵浦拉曼光纤激光器中繁琐的同步控制回路，可直接产生与泵浦脉冲重复频率一致的斯托克斯脉冲．此外，提出并实验验证了在脉冲随机拉曼激光器中，通过滤除剩余泵浦激光对抑制子腔噪声和提高脉冲质量的积极作用．本研究成果可为生物成像和材料加工等领域提供一种全光纤化、结构简单紧凑的高稳定激光源.
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