1. 引言
近年来，利用掺铒光纤产生和传输高功率、高能量且具有严格线性啁啾特性的超短脉冲是光纤光学领域的研究热点之一 [1] [2] 。自相似抛物线型脉冲很好的解决了传输中脉冲强度受限的问题 [3] ，脉冲在高功率传输时，时域脉冲不会变形，具有抵制光波分裂的能力 [4] 。另外，这种脉冲自相似特性只与入射脉冲的初始能量有关，且自相似脉冲严格的线性正啁啾，可以进行高质量的脉冲压缩，获得高功率的超短脉冲 [5] [6] [7] 。因此，研究脉冲的自相似特性，对于高功率的超短脉冲输出以及科学研究等领域具有非常重要的应用价值。2000年，Ferman等首次证明，在只考虑自相位调制和群速度色散的条件下，光脉冲通过较长的正色散增益光纤时，只要有足够长的传输距离，脉冲形状最终就会演化成抛物线型。以此开始了对自相似脉冲放大理论的详细研究 [8] 。经过几年的快速发展，在2010年，Bulent Oktem等人搭建了一套孤子–自相似子光纤激光器(soliton-similariton fiber laser)。首次实现脉冲在掺铒光纤中的自相似放大，最终获得脉冲能量为3.1 nJ，脉冲宽度为110 fs的脉冲输出 [9] 。2015年，Liu W等设计一套基于预啁啾管理的掺镱光纤自相似放大器，输出重复频率75 MHz，输出脉冲经光栅对压缩至60 fs，平均功率高达100 W [10] 。2018年，李源等人设计了超短脉冲激光自相似放大系统，用皮秒脉冲激光器做振荡级，最后获得重复频率60 MHz，脉冲宽度94 fs，单脉冲能量为70 nJ的超短脉冲激光输出 [11] 。2020，Graini L等人首次研究了多模光纤中自相似抛物型脉冲演化的时空动力学，研究了输入脉冲能量及其初始模态对产生的抛物型脉冲和相应的空间光束轮廓的影响。当基模被高效激发时，脉冲演化为线性啁啾脉冲，其强度呈抛物线形状 [12] 。同年，贺明洋等基于自相似光纤放大技术，在大模场光子晶体光纤中实现自相似放大，最终得到中心波长1030 nm、重复频率40 MHz、平均功率34 W、脉冲宽度50 fs，峰值功率17 MW的高质量脉冲输出 [13] 。
本文对掺铒光纤自相似放大器进行了研究，首先通过一段正色散掺铒光纤，将孤子脉冲整形为自相似抛物线型脉冲，然后通过一段正色散掺铒光纤对自相似脉冲进行了功率放大，最后使用一段负色散的普通单模光纤完成了脉冲压缩，通过实验获得平均输出功率60.14 mW，脉冲宽度83 fs，峰值功率16.85 kW的高功率自相似超短脉冲输出。
2. 实验装置与原理
全光纤超短脉冲掺铒光纤自相似放大器实验结构如图1所示，包括脉冲整形预放大级和功率放大级。
Figure 1. Experimental structure diagram of ultra short pulse erbium-doped fiber self-similarity amplifier
图1. 超短脉冲掺铒光纤自相似放大器实验结构图
种子源是自行研制的碳纳米管可饱和吸收体锁模光纤激光器。利用980 nm的半导体激光器LD1作为泵浦源，经过波分复用器(WDM)将泵浦光与信号光耦合进0.25 m长的掺铒增益光纤Er80中，增益光纤的模场直径为9.5 μm@1550 nm；纤芯的峰值吸收为80 dB/m@1530 nm；数值孔径NA = 0.13；色散D = 16 ps/km/nm；可以算出β2 = −20.26 ps2/km。碳纳米管薄膜夹持在两个FC/PC连接器中间，构成三明治结构的可饱和吸收体。最后使用耦合器来提取激光器中10%的光用于输出，其余90%的光保留在激光环形腔内继续循环。
自相似掺铒光纤放大器由脉冲整形预放大级和功率放大级组成，两级放大器的增益光纤均采用正色散的掺铒光纤。预放大级中使用980 nm的半导体激光器LD2连接到掺铒增益光纤前端的WDM上进行前向泵浦，信号光与泵浦光经WDM耦合进高正色散的EDF80掺铒光纤中，经隔离器输出，以此实现抛物线型脉冲的输出，其中掺铒增益光纤长度为2.4 m，色散为D = −48 ps/km/nm，计算得到β2 = 61 ps2/km。功率放大级采用双向泵浦方式，分别采用两个980 nm的半导体激光器LD3、LD4作为泵浦源，功率放大级的增益光纤为具有高增益的Er110掺铒增益光纤，长度为0.9 m，模场直径为6.5 μm@1550 nm，色散值D = −12~−18 ps/km/nm，可以算出β2 = 15.3~22.9 ps2/km。最后，采用单模光纤(SMF-28e)对放大后的激光进行脉宽压缩，用来补偿放大过程中产生的线性啁啾以实现超短脉冲输出。
3. 结果与讨论
3.1. 种子源的输出特性
我们搭建了如图1附图中所示的锁模光纤激光器，当种子源的环形腔内放入碳纳米管后，不断的增加泵浦功率，观察示波器。在泵浦功率增加到35 mW时形成了稳定的锁模脉冲。图2给出了泵浦功率35 mW时锁模脉冲的脉冲序列图，锁模脉冲的重复频率为44 MHz。图3为实验测得锁模掺铒光纤激光器的输出光谱和自相关曲线，如图3所示，中心波长为1559.8 nm，光谱宽度3.89 nm，脉冲宽度为797 fs，且种子脉冲形状是双曲正割型的孤子脉冲。
Figure 2. Output pulse sequence of mode-locked fiber laser
图2. 锁模光纤激光器输出脉冲序列
Figure 3. Output spectrum of mode-locked fiber laser with a pump power of 35 mW (the illustration shows the output autocorrelation curve of a mode-locked fiber laser)
图3. 泵浦功率35 mW时锁模光纤激光器输出光谱(插图为锁模光纤激光器输出自相关曲线)
3.2. 预放大级实验结果及分析
基于自相似放大原理，自相似抛物线型脉冲需通过正常色散光纤得以演化形成 [14] 。为此，实验选用2.4 m长的低增益高色散的掺铒光纤作为预放大级的增益光纤，选用前向泵浦方式。如图4所示，为随着泵浦功率增加预放大级输出脉冲形状的演变过程。从图中可以看出，随着泵浦功率的不断增加，脉冲宽度也被逐渐展宽。泵浦功率从60 mW增加到90 mW时，脉冲宽度从1.15 ps展宽至1.22 ps，且脉冲形状由双曲正割型的孤子脉冲演变为抛物线型自相似脉冲。
Figure 4. Pulse autocorrelation curve at pump power of 60~90 mW in the preamplifier stage
图4. 预放大级泵浦功率60~90 mW时的脉冲自相关曲线
Figure 5. Evolution of spectral curve at pre amplification stage pump power of 60~90 mW
图5. 预放大级泵浦功率60~90 mW时光谱曲线的演变
在获得抛物线型时域脉冲的同时，也要保证预放大后的光谱能够尽量保持抛物线形状而不发生畸变，从而为之后的主放大级提供良好的信号光。为此，测量了随着泵浦功率增加预放大级输出光谱的演化过程，如图5所示。从图5中我们可以分析出，当泵浦光功率从60 mW增加到90 mW时，测得光谱宽度从8.31 nm被不断展宽至11.95 nm。图5中红色曲线为泵浦功率80 mW时的光谱曲线，光谱曲线顶部趋于平滑，边沿陡峭，形状较好且无畸变，符合抛物线特征。图5中蓝色曲线为泵浦光功率90 mW时的光谱，曲线顶部不再平滑开始发生畸变，这是由于自相位调制效应引起的，光谱宽度会随泵浦功率的增加而不断展宽，当泵浦功率持续增加时会导致光谱形状开始发生畸变 [15] 。结合图4、图5预放大过程中脉冲和光谱的演化特性，在泵浦功率80 mW时，获得光谱宽度11.11 nm，脉冲宽度1.20 ps、功率3.81 mW的自相似脉冲，由此作为主放大级的输入信号。
Figure 6. Autocorrelation parabolic fitting curve for pre amplification stage pump power of 80 mW
图6. 预放大级泵浦功率80 mW时自相关抛物拟合曲线
Figure 7. Output power characteristic curve of the preamplifier stage
图7. 预放大级输出功率特性曲线
预放大级的作用主要是实现将种子光输出的孤子脉冲整形成自相似抛物型脉冲，为此我们将预放大级获得的输出脉冲进行了抛物线拟合，如图6所示。根据图6中的拟合结果显示，预放大级输出脉冲形状符合自相似抛物线型，其中实线是实际测量曲线，虚线是抛物拟合曲线。如图7所示，为预放大级的输出功率随泵浦功率的变化情况。在预放大级中，使用2.4 m长的正色散掺铒光纤，在泵浦功率80 mW时，脉冲形状由种子源输出的双曲正割型演变为类似抛物线型的自相似脉冲。
3.3. 主放大级实验结果及分析
主放大级为双向泵浦方式，采用0.9 m长的高增益低正色散的掺铒光纤作为增益介质，用于功率放大和光谱展宽，前向和后向泵浦源的最大输出功率分别为850 mW和550 mW。首先增加前向泵浦，当泵浦增加到最大功率850 mW时，开启后向泵浦，泵浦功率最大可增加到550 mW。随着泵浦功率的增加，脉冲宽度的变化如图8所示，泵浦功率从450 mW增加至1400 mW时，脉冲宽度从1.49 ps展宽至1.82 ps。
Figure 8. Pulse autocorrelation curve at pump power of 450~1400 mW in the main amplifier stage
图8. 主放大级泵浦功率450~1400 mW时的脉冲自相关曲线
如图9所示，对不同泵浦功率下的主放大级输出光谱进行了测量。从图9(a)~(f)中分析出，当泵浦光功率从450 mW增加到1400 mW时，随着泵浦功率的提高，由于非线性效应的影响，光谱宽度被不断展宽，光谱顶部也逐渐变得平坦，观察光谱有着波浪形结构的顶部和陡峭的边缘，是典型的自相似孤子的特征。当两个泵浦的功率增加到最大值时，如图9(f)红色曲线所示，测得光谱宽度可达到61.69 nm，此时的泵浦总功率为1400 mW。
Figure 9. Evolution of spectral curve at pump power of 450~1400 mW in the main amplifier stage
图9. 主放大级泵浦功率450~1400 mW时光谱曲线的演变
Figure 10. Autocorrelation parabolic fitting curve at main amplified pump power of 1400 mW
图10. 主放大泵浦功率1400 mW时自相关抛物拟合曲线
Figure 11. The variation of output power of the main amplifier stage with pump power
图11. 主放大级输出功率随泵浦功率的变化
根据自相似脉冲具有抛物线形状，且在放大过程中也能保持抛物线形状这一特性，如图10为泵浦功率1400 mW时的脉冲形状曲线及其抛物线拟合曲线，验证了在主放大级中脉冲形状仍然保持抛物型。如图11所示，为主放大级的输出功率随泵浦功率的变化情况，最终功率被放大至60.14 mW。结合图8、图9主放大过程中脉冲和光谱的演化特性，最终在泵浦功率1400 mW时，获得光谱宽度61.69 nm，脉冲宽度1.82 ps，输出功率60.14 mW的脉冲输出。
3.4. 脉冲压缩实验结果及分析
由于自相似脉冲在放大过程中不断积累线性正啁啾，所以选择具有负色散单模光纤SMF进行脉冲压缩。通过改变单模光纤长度发现在2.3 m的SMF长度处脉冲得到最有效压缩。图12显示了在2.3 m单模光纤长度下测得的脉冲自相关轨迹。红色实线是压缩后的脉冲轨迹，蓝色实线是主放大后的脉冲轨迹，获得脉冲宽度83 fs，峰值功率16.85 kW的超短脉冲输出。
Figure 12. Autocorrelation curve of compressed optical fiber at 2.3 m (blue solid line as the main amplified autocorrelation curve, red solid line as the compressed autocorrelation curve)
图12. 压缩光纤2.3 m时的自相关曲线(蓝色实线为主放大后的自相关曲线，红色实线为压缩后自相关曲线)
4. 结论
本文基于自相似放大技术搭建了一种超短脉冲放大系统，采用全光纤结构的环形腔获得锁模脉冲，通过预放大级在高正色散掺铒增益光纤中实现了自相似放大，经主放大级在高增益的掺铒光纤中实现功率放大和光谱展宽，压缩后最终得到平均功率60.14 mW、脉冲宽度83 fs、峰值功率16.85 kW的脉冲输出。在泵浦光功率最大时，没有达到增益饱和。因此，使用更高功率的泵浦源有望输出更高功率及更窄脉冲宽度的激光。通过优化系统和各模块尺寸，有望进一步减小系统的体积，使其广泛应用于工业和其他科学研究领域。
NOTES
*通讯作者。