摘要通过采用由一对保偏45度倾斜光纤光栅构成的Lyot滤波器，我们设计了一台脉冲态可切换的掺镱光纤激光器。该Lyot滤波器集成了起偏器和梳状滤波器的功能，为激光器实现耗散孤子锁模提供了光谱滤波效应，从而使激光器产生了中心波长位于1038.82nm、脉冲宽度为5.2ps的耗散孤子脉冲。随着泵浦功率的增加，非线性偏振旋转反馈机制的切换导致激光器的锁模脉冲态发生了耗散孤子脉冲与类噪声脉冲之间的多重切换。脉冲态切换过程仅需调节泵浦功率而不需要改变偏振控制器的状态，这台脉冲态可切换激光器可以用于设计成具有更高精准可控性的多功能光源。
关键词倾斜光纤光栅;掺镱光纤激光器;非线性偏振旋转;耗散孤子
1引言
被动锁模光纤激光器因其可以产生超短脉冲，并且为研究孤子脉冲动力学过程提供了绝佳的平台，近年来受到了越来越多研究学者的关注。目前的被动锁模光纤激光器中，根据色散在谐振腔内分布位置的不同，形成了多种不同的脉冲整形机制，包括：经典孤子[1]、展宽脉冲[2]、自相似子[3]以及耗散孤子[4]等。孤子脉冲的发展历程将单脉冲能量提升到了新的量级，使得光纤激光器迎合了更多领域的需求，如光学计量[5]、生物医学[6]和激光微加工[7]等。
耗散孤子通常产生于较大净正色散的激光器中，是色散、非线性、增益和损耗共同作用的结果[8]。研究表明，由光谱滤波效应引入的光谱幅度调制是形成耗散孤子的关键[9]。为了在激光器中引入光谱滤波效应，学者们在谐振腔中引入了多种类型的滤波器，如：萨格纳克干涉仪[10]、啁啾光纤光栅[11]、双折射滤波器[12]等。其中，双折射滤波器具有滤波带宽可调、结构简单、光纤兼容性好的优点，备受研究学者们的青睐。Lin等人设计了一种基于光纤弱双折射的双折射滤波器，在全正色散掺镱光纤激光器中实现了稳定的耗散孤子锁模[13]。Zhang等人将保偏光纤作为强双折射介质，替代了光纤中的弱双折射，在全正色散的掺镱光纤激光器中形成了耗散孤子脉冲[14]。虽然这些结构的双折射滤波器在激光器中得到了广泛的应用，但其梳状滤波的形成以及强弱都与偏振控制器的调节相关。毫无疑问，其固有的偏振敏感性限制了激光器的发展，同时也影响了激光器锁模的稳定。因此，寻求一种具有强稳定滤波的双折射滤波器成为了目前的研究热点之一。
此外，在正色散区域的激光器中，除了耗散孤子，类噪声脉冲同样得到了广泛的研究。类噪声脉冲具有超宽的光谱，可以用于超连续谱产生、光谱域光学相干断层扫描[15]等。众多研究表明，类噪声脉冲更容易在高泵功率条件下产生。通过合理地调节谐振腔内的参数，如泵浦功率，可以同时在全正色散的掺镱光纤激光器中产生耗散孤子与类噪声脉冲[16-17]。GrzegorzSobon等人在掺铥光纤激光器实现耗散孤子锁模的同时，通过增加泵浦功率，锁模激光器实现了从耗散孤子到类噪声脉冲的脉冲态切换[18]。Li等人同样采用增加泵浦功率的方式，在掺镱光纤激光器中实现了耗散孤子与类噪声脉冲的切换运行[19]。脉冲态切换虽然在众多实验中得到了验证，但是掺镱光纤激光器中，有关耗散孤子与类噪声脉冲的多重切换鲜有报道。
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在本文中，我们利用一对保偏45度倾斜光纤光栅作为起偏器，一段保偏光纤作为双折射介质，设计出了一种具有稳定强滤波效应的Lyot滤波器。将其作为光谱滤波器应用于全正色散的掺镱光纤激光器中，激光器实现了稳定的耗散孤子锁模。并在耗散孤子锁模状态下，通过单向调节泵浦功率，激光器实现了耗散孤子脉冲——类噪声脉冲——耗散孤子脉冲的脉冲态切换，这种脉冲态的多重切换在掺镱光纤激光器中鲜有报道。值得一提的是，全部切换过程不需要调节偏振控制器，这种可以产生多种脉冲态的激光器，具备成为精准可控的多功能光源的潜力。
2实验装置
实验中所用的Lyot滤波器由两个保偏45度倾斜光纤光栅和一段保偏光纤组成。其中，倾斜光栅以特殊的拼接角分别熔接在保偏光纤的两端，这种特殊结构使其在激光器谐振腔中不仅可以作为梳状滤波器，还可以作为光纤型的起偏器。保偏45度倾斜光纤光栅是采用紫外相位掩模板扫描技术，在保偏光纤的主轴(快轴或慢轴)上刻写制备的。更多有关这种Lyot滤波器和保偏45度倾斜光纤光栅的制作细节已经报道在了[20-21]中。Lyot滤波器的原理图如图1(a)所示。第一个保偏45度倾斜光纤光栅将TE偏振分量耦合出纤芯，并使TM偏振分量在光纤纤芯中传播以产生线偏振光[20]。由于保偏45度倾斜光纤光栅与保偏光纤之间特殊的熔接角，线偏振光将在保偏光纤中积累一定的线性相移。偏振光所积累的线性相移将在第二个保偏45度倾斜光纤光栅中转换为幅度调制，最终产生梳状滤波。为了使滤波器具有最大的滤波调制深度，保偏45度倾斜光纤光栅与保偏光纤之间的拼接角设计为了45度。其传输谱如图1(b)所示，长度约为24cm的保偏光纤决定了滤波器的自由光谱范围约为10.2nm，相应的滤波带宽为5.1nm。
锁模脉冲态可切换的掺镱光纤激光器的原理图如图2所示。一段96cm长的掺镱光纤(Yb1200-4/125Liekki)作为增益介质，由一台980nm的台式泵浦源(CLD1015Thorlabs)通过波分复用器对其进行泵浦。一个10:90的耦合器放置在了增益光纤之后，用以输出10%的激光。Lyot滤波器在实现梳状滤波功能的同时，还可以作为起偏器提供起偏的功能。将其放置在两个偏振控制器之间，可以与两个偏振控制器共同构成人造式可饱和吸收体，实现激光器的非线性偏振旋转锁模。同时，滤波器提供了10.2nm的自由光谱范围以及相应的5.1nm的滤波带宽。隔离器保证了激光在谐振腔中的单向传输。谐振腔的总腔长约为9m，实验中所用的光纤和器件均为正常色散。
10%的输出激光将用于检测激光器的光学特性。其中，激光光谱、时域脉冲序列、射频谱和自相关曲线将分别采用光谱仪(AQ6370BYokogawa)、采样率为40GSa/s的示波器(DSO90804AKeysight)、射频仪(SSA3032XSiglent)和自相关仪(PulseCheck600A.P.E)进行记录。同时，实验中还是使用了光电探测器(818-BB-51FNewport)实现光电转换。
3分析与讨论
由于实验中所用的Lyot滤波器可以产生强梳状滤波，提供了全正色散激光器实现耗散孤子锁模所需的光谱滤波效应，同时其稳定的滤波使激光器具有较低的锁模阈值功率。将泵浦功率缓慢增加至177mW，并仔细地调节偏振控制器，激光器即可实现稳定的耗散孤子锁模，其脉冲特性如图3所示。图3(a)为脉冲光谱，可以从图中看出，耗散孤子中心波长为1038.62nm，3dB带宽为11.76nm。光谱具有边沿陡峭、顶部平坦的类矩形状，这是耗散孤子的典型特征。此外，光谱两侧具有明显的边带，这是由滤波器周期性滤波所引起的[22]。图3(b)给出了重复周期为35.16ns的时域脉冲序列，相应的脉冲重复频率为28.44MHz，这与激光器的谐振腔腔长相吻合。图3(c)为耗散孤子脉冲的自相关曲线，通过采用高斯函数曲线对其进行拟合，测量所得的脉冲宽度约为5.2ps，时间带宽积计算为17.00，表明脉冲具有较大的啁啾。图4.9(d)给出了扫描带宽为1MHz，采样率为1kHz的射频谱，可以得到脉冲的信噪比约为53dB。图4.9(d)插图中3.2GHz扫描带宽的射频谱没有明显的频率调制，表明此时锁模所产生的耗散孤子脉冲具有较好的稳定性。在这一泵浦功率下，激光器的输出平均功率为5.3mW。
实验中，通过改变激光器的泵浦功率，还可以观察到类噪声脉冲的产生。在177mW的泵浦功率下，通过调节偏振控制器，激光器实现了稳定的耗散孤子锁模，其光谱和自相关曲线如图4(a)和(b)所示。在这一锁模状态下，保持偏振控制器的状态不变，仅通过增加泵浦功率，即可观察到激光器锁模脉冲态的切换。当泵浦功率增加到323mW时，受到增强的自相位调制效应的影响，光谱逐渐展宽，如图4(c)所示，光谱3dB带宽为12.47nm。此时激光器产生的脉冲仍为耗散孤子，但增强的非线性效应使得光谱两侧边带明显增加[23]，同时光谱顶部出现了周期性振荡的条纹。从图4(d)中的自相关曲线可以看出，在主脉冲的两侧对称分布在两个附属脉冲，主脉冲与附属脉冲之间的时间间隔约为41.5ps，因此可以得知此时激光器产生了束缚态的耗散孤子脉冲。继续增加泵浦功率至455mW，可以从图4(e)中看出，光谱陡峭的边沿消失，并且逐渐展宽变得平滑。图4(f)中的自相关曲线显示了一个宽底座窄尖峰的结构，这与类噪声脉冲的典型特征相一致，说明此时激光器工作在了类噪声脉冲机制。当继续增加的泵浦功率达到691mW时，激光器又再次产生耗散孤子脉冲，此时的光谱如图4(g)所示。但在高非线性效应的影响下，此时锁模产生的耗散孤子脉冲依旧为束缚态，并且分裂出了更多的附属脉冲，如图4(h)的自相关曲线所示，主脉冲与附属脉冲之间的时间间隔为28.5ps。一般来说，束缚态脉冲的自相关曲线通常具有对称性，但受到自相关仪扫描范围的限制，实验中无法记录完整的自相关曲线，图4(h)仅显示了部分的自相关数据。由于实验中所用的泵浦源最多提供691mW的泵浦功率，因此无法继续观测在更高的泵浦功率下激光器脉冲态的演化情况。在这一泵浦功率下，激光器的输出平均功率达到了37.1mW。受到耗散孤子迟滞效应的影响，在降低泵浦功率过程中，激光器一直处于耗散孤子状态，并未发生耗散孤子与类噪声脉冲之间的切换。但重新增加泵浦功率时，激光器又将产生耗散孤子——类噪声脉冲——耗散孤子的切换，这是一个可重复过程。——论文作者：林彦吕1，黄梓楠1，黄千千1，戴礼龙1，邢志坤2，闫志君2，牟成博1*
