摘要报道了L波段掺铒光纤激光器中调Q锁模类噪声方波脉冲的演化特性。通过改变泵浦功率以及偏振状态，激光器可以在1600nm处实现类噪声方波脉冲的连续波锁模和调Q锁模运作。类噪声方波脉冲基频锁模重复率为1.64MHz，最大脉冲宽度为17.51ns。类噪声方波脉冲调Q锁模的重复频率可从8.14kHz可调谐至18.18kHz，调Q锁模包络宽度与方波脉冲宽度随泵浦功率演化趋势相反，调Q包络的最高平均能量可达1115.5nJ，包络内方波脉冲的最大平均能量可达24.89nJ，方波脉冲的峰值功率维持在1W左右。实验结果有助于人们深入理解L波段调Q锁模类噪声方波脉冲的动力学特性。
关键词光纤激光器;非线性偏振旋转;类噪声方波脉冲;调Q锁模
1引言
超短脉冲激光在光纤通信、精密加工、生物医学、军用雷达等领域有着重要的应用价值及发展前景[1]。被动锁模光纤激光器因结构简单，激光腔内无需加入任何的主动器件可以产生超短脉冲的特点而备受关注[2]。被动锁模的实现方法有两种，一种是利用真实可饱和吸收体如拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等[3,4];另外一种是利用类可饱和吸收体，如非线性环路反射镜、非线性偏振旋转[5,6]。其中，基于非线性偏振旋转锁模的光纤激光器具有结构简单、响应快速以及损伤阈值高等优点，引起了人们广泛的关注和研究，成为目前产生超短脉冲的有效方法。到目前为止，人们已经在各种波长(如1μm，1.5μm和2.0μm)光纤激光器中获得锁模脉冲，随着应用需求的拓展，传统C波段(1530-1565nm)的有关研究逐渐地延伸到L波段(1565-1625nm)，L波段激光光源在密集波分复用系统、生物医疗和大气遥感探测等领域有着重要的应用[7,8]，现已逐渐成为研究热点[9]。
一般来说，光纤激光器中主要存在三种工作状态：调Q、连续波锁模以及调Q锁模(QML)。其中，QML状态因其能获得高能量的脉冲而受到重视。QML包含了两种光强度调制的机制：锁模和调Q，其特征为锁模脉冲序列上叠加了一个kHz量级的调Q包络，因此QML脉冲兼具调Q和锁模操作的物理特性[10-12]。除了调Q和调Q锁模外，通过适当调节激光腔内的参数，在非线性偏振旋转被动锁模光纤激光器中还获得了多种类型的锁模脉冲，如传统孤子、色散管理孤子、耗散孤子、类噪声脉冲等[13-15]。与其他的孤子脉冲不同，类噪声脉冲是一种部分相干脉冲，本质上是由大量的随机次脉冲构成的波包。类噪声脉冲具有很宽且平滑的光谱，其自相关迹表现为双尺度的时域轮廓，即一个窄的相干峰位于很宽的基座上[16]。与传统孤子脉冲相比，类噪声脉冲具有更高的脉冲能量，特别是方波类噪声脉冲，其能量可高达μJ量级，脉冲宽度可随泵浦的增加而展宽[17]。基于这一优势，人们对方波类噪声脉冲及其动力学行为进行了大量的实验研究，如谐波方波类噪声脉冲产生[18]，方波类噪声脉冲与孤子分子共存[19]、矩形类噪声脉冲与高斯形类噪声脉冲共存[20]、方波类噪声脉冲与耗散孤子共振共存[21]，以及双波长方波类噪声脉冲可切换操作[22]等等。尽管已有很多关于QML和方波类噪声脉冲的相关报道，但将两个工作状态相结合的研究还很少。因此，为了更好地理解光纤激光器中的脉冲动力学行为，对QML方波类噪声脉冲的研究具有重要意义。
本文报道L波段掺铒光纤激光器中QML类噪声方波脉冲的演化特性。通过适当的调节腔参数，激光器可以在1600nm处实现类噪声方波脉冲的连续波锁模和QML运作。当泵浦功率从380mW增大到520mW，激光器工作在类噪声锁模区域，脉冲宽度可从12.71ns展宽到17.51ns。当泵浦源功率从180mW增大到360mW，激光器工作在类噪声方波QML区域，调Q包络宽度从12.56μs减小至7.94μs，而方波脉冲宽度从12.73ns展宽至24.77ns，包络宽度与方波脉冲宽度演化趋势相反，同时还对QML类噪声方波脉冲的平均输出能量和峰值功率进行了分析。研究结果有助于加深对类噪声方波脉冲及其调Q锁模机理和特性的理解。
2实验装置
图1为调Q锁模方波类噪声脉冲光纤激光器原理示意图。总腔长为125.3m，基频重复率1.64MHz。为了实现L波段激光输出，在激光腔内加入一段4m的掺铒光纤(EDF)作为增益介质，掺铒光纤的色散系数为-18ps/(nm•km)。激光腔内其他光纤为普通单模光纤(SMF)，色散值为17ps/(nm•km)。两个偏振控制器(PC1和PC2)是为了调节光的偏振态，并与偏振相关隔离器(PD-ISO)一起构成非线性偏振旋转结构以实现锁模，同时偏振相关隔离器还可以用来保障光能够在激光腔中单向运行。泵浦源为980nm的台式半导体激光器，最大输出功率为520mW，通过980/1550nm的波分复用器(WDM)对4m掺铒光纤进行泵浦。输出端口为一个80:20的光纤耦合器将20%的光信号输出到腔外用于检测。光谱和脉冲序列分别用光谱仪与示波器来记录，脉冲宽度用自相关仪来测量，锁模脉冲的射频谱用1.8GHz的射频谱仪探测。
3实验结果
3.1传统孤子锁模
在实验中，当泵浦源输出功率为120mW时，激光器可以实现传统孤子锁模脉冲输出，锁模光谱如图2(a)所示，几组边带对称分布在光谱两侧，其中心波长为1600nm，3dB带宽为2.85nm。对应的脉冲序列由示波器测得如图2(b)所示，脉冲序列排列整齐，强度无明显波动，说明激光器运作在稳定锁模状态，相邻脉冲之间的间隔为0.61μs，相应基频为1.64MHz，对应激光腔长125.3m。孤子脉冲的自相关迹如图2(c)所示，假设脉冲为双曲正割型，则脉冲宽度为2.6ps，可以计算出时间带宽积约为0.92，说明该脉冲带有大量的啁啾。图2(d)为该脉冲对应的射频谱，脉冲的信噪比为47dB，峰值位于1.64MHz处，与激光腔的重复率1.64MHz相吻合。
3.2类噪声方波
在孤子锁模运作的基础上，继续升高泵浦功率并调节偏振控制器，当泵浦功率超过360mW时，锁模状态很容易从传统锁模切换到方波类噪声锁模。图3(a)为520mW时典型的类噪声锁模光谱，可以看到光谱非常光滑，其中心波长仍处在1600nm的位置，3dB带宽展宽至11.61nm，此时激光腔工作在L波段。图3(b)中脉冲序列之间的距离为610ns，对应脉冲重复率为1.64MHz。通过内插图中的自相关轨迹可以清楚地看到，自相关曲线包含了一个大的能量底座和一个很窄的尖峰，符合类噪声脉冲的特点[23]。图3(c)给出了脉冲随泵浦功率变化的演化图，随着泵浦功率的增加，脉冲的宽度也逐之增大，并且在展宽的过程中脉冲保持矩形轮廓不变。脉冲宽度和输出功率随着泵浦功率变化的量化曲线如图3(d)所示，当泵浦功率从380mW增大到520mW，脉冲宽度从12.71ns展宽到17.51ns，同时输出功率由15.01mW逐渐增至20.36mW。
3.3调Q锁模
降低泵浦功率至360mW，同时缓慢调节偏振控制器，由于偏振态的变化导致腔内增益和损耗的改变，因此腔内锁模运作由方波类噪声脉冲锁模切换至稳定的QML。QML为连续波锁模和调Q运作的居间状态，兼具有锁模和调Q运作的特性，典型的特征为kHz的调Q包络叠加在MHz的锁模脉冲序列之上。为了更好地探究类噪声QML脉冲的特点，图4给出了泵浦功率为360mW、300mW、240mW、180mW时调Q锁模脉冲的演化图，可以清楚地观察到随着泵浦源功率的下降，调Q包络的重复率逐渐降低，而单个调Q包络宽度是逐渐增大的，符合调Q脉冲的演化规律。为了清晰地观察调Q锁模脉冲的内部结构，我们在示波器中观察放大的单个QML脉冲，可以看到QML脉冲由一组间隔为1.64MHz的锁模脉冲序列组成，且单个的锁模脉冲呈矩形轮廓。随着泵浦功率从360mW降低到180mW，单个方波脉冲的脉宽逐渐变窄的，由24.77ns逐渐降低至12.73ns。图5的实验结果清晰地显示，激光器工作在方波脉冲QML状态，当泵浦功率逐渐降低时，QML脉冲包络的宽度和其内部方波脉冲的宽度变化相反，QML包络宽度随泵功率降低而变宽，方波脉冲宽度则随之而减小。
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如图5(a)给出了方波QML在泵浦源功率在360mW、300mW、240mW、180mW时，对应的光谱演化图。与图3(a)方波类噪声锁模的光滑光谱不同，方波QML的光谱上出现调制，且随着泵浦源功率的降低光谱的调制现象加深，这种现象应该是由于腔内的多模振荡和腔内微扰造成的[24]。注意的是，在两种运作区域，光谱的中心波长保持不变，仍位于1600nm，光谱3dB带宽变化不明显。图5(b)给出了QML状态的自相关迹，与图3(b)中类噪声的自相关迹很相似，一个很窄的相干峰坐落在很宽的基座之上，因此激光器此时运作状态称为类噪声方波QML状态。另外，在自相关迹的基座上可观察到周期性的振荡，我们推测可能是由脉冲振幅规律性波动而引起的。
为了定量研究QML类噪声方波脉冲的特性，脉冲各参数随泵浦功率变化关系如图6所示。图6(a)中可以看出调Q包络的重复率和输出功率随着泵浦功率的变化呈线性变化。随着泵浦功率的增大，包络重复率从8.14kHz可调谐至18.18kHz，输出功率从6.29mW逐渐增加至20.28mW。图6(b)给出了单个调Q锁模包络宽度及方波脉冲宽度的变化情况，可以观察到在泵浦功率在180mW至360mW的范围内，包络宽度是从12.56μs呈线性减小至7.94μs，而单个方波脉冲宽度从12.73ns增加至24.77ns，变化趋势相反。
众所周知，在被动锁模光纤激光器腔中存在一个临界脉冲能量[25]，低于临界脉冲能量，激光器可以实现从连续波锁模到调Q锁模工作状态的转变。实验中，通过调节泵浦功率，光纤激光器在1600nm处分别实现类噪声方波脉冲的连续波锁模和QML运作。当激光器工作在连续波锁模状态时，类噪声锁模脉冲序列保持整齐一致的强度，其重复率为1.64MHz，与腔的重复率相匹配。当激光器工作在调Q锁模状态时，对应于两个特征重复率，一个是调Q包络的调制频率，与激光上能级的粒子数周期变化有关，另一个是包络内锁模脉冲重复率，与腔长有关。并且在两种运作状态下，其内部锁模脉冲均保持为方形轮廓。方波的形成主要源于长腔引入的高非线性效应以及NPR诱导的峰值钳制效应。过度的腔内非线性效应有利于脉冲分裂而产生更多的随机子脉冲，这些子脉冲通过彼此相互作用组成波包，形成类噪声脉冲。当泵浦功率增大时，脉冲进一步分裂，导致了类噪声脉冲宽度随着泵浦功率的增加而展宽，当大部分子脉冲具有相同的钳制峰值功率时，类噪声脉冲波包呈现为方形轮廓。
4结论
本文搭建了一个基于NPR结构的被动锁模光纤激光器，在波长1600nm波段获得常规孤子锁模、类噪声方波锁模以及类噪声方波QML三种运作模式。当泵浦功率从380mW增大到520mW，激光器工作在类噪声锁模区域，脉冲宽度可从12.71ns展宽到17.51ns，输出功率从15.01mW增至20.36mW。当泵浦源功率从180mW增大到360mW，激光器工作在类噪声方波QML区域，包络重复率可从8.14kHz变化至18.18kHz，包络宽度与方波脉冲宽度演化趋势相反，包络宽度从12.56μs减小至7.94μs，而方波脉冲宽度从12.73ns展宽至24.77ns。此外我们还研究了QML包络的平均能量、QML类噪声方波脉冲的平均能量以及QML类噪声方波脉冲的峰值功率。研究结果有利于加深对类噪声方波以及类噪声方波QML的理解，并为设计具有不同方波脉冲性质的激光器提供参考。——论文作者：潘婕妤，耿旭，孙梦秋，汪徐德
