引　言

光纤激光器由于具有受环境影响小，可采用全光纤结构，光束质量高，效率高等优点，被广泛应用于光通信、光传感、激光探测等领域。其中掺镱光纤与其他掺杂相比，有着更高的量子转换效率、宽发射和吸收光谱、无激发态吸收等优点。因此，掺镱光纤激光器广泛应用于光纤激光振荡器与放大系统^[1-3]。非线性偏振旋转（nonlinear polarization rotation, NPR）锁模^[4-8]是一种在光纤激光器中产生被动锁模脉冲的技术。它是利用脉冲在光纤内的自相位调制和交叉相位调制，使脉冲不同强度部分累计不同的非线性相移，从而对椭圆偏振光两正交分量造成不同程度的偏振旋转。偏振相关隔离器与偏振控制器相结合，构建一种等效的可饱和吸收体，通过快饱和吸收机制（弛豫时间约为10 fs）不断窄化脉冲来获得超短脉冲。该锁模技术可实现高重复频率、宽光谱输出，且损伤阈值高，响应时间短，可应用于光通信、生物医学、光谱探测、高重复频率种子源的搭建等方面^[9-10]。

1992年，英国的Matsas等^[11]首次将NPR技术运用到可自启动的锁模光纤环形激光腔内，得到了稳定的纳秒量级孤子脉冲输出。2007年，Tang等^[12]利用NPR锁模的掺铒光纤激光器，通过对腔内非线性的有效控制，获得了47 fs的窄脉冲输出，输出谱宽为61.3 nm。2012年，Peng等^[13]搭建了全光纤结构的NPR锁模激光器，输出693 fs，20 nm带宽的自相似孤子脉冲。2019年，Shang等^[14]在全光纤环腔中实现了174 mW传统孤子输出，重复频率为21.65 MHz，脉宽1.257 ns。这是目前基于NPR锁模在全光纤下的最大平均功率。2022年，李晓辉等^[15]利用NPR锁模掺铒光纤激光器获得了675 fs, 10 nm带宽的锁模脉冲输出，基频为27.8 MHz，增加泵浦功率可获得139 MHz的五次谐波锁模。

与上述NPR锁模光纤激光器相比，本文利用光栅对进行腔内压缩，输出224 fs超短脉冲；采用镱离子作为掺杂，在更高的能量转换效率下，双向380 mW泵浦功率时，输出180 mW平均功率、对应8 nJ单脉冲能量；增加泵浦功率到680 mW，可实现最高350 mW、对应15 nJ的单脉冲能量输出；利用掺镱光纤为增益介质，产生了40 nm的宽谱；采用非全光纤结构，拥有了更大的自由空间，增加了腔长的灵活度，可在此基础上灵活地减小腔长以增加重复频率。

2010年，王擂然等^[16]在腔内引入正色散光纤，使单脉冲能量达到了34.4 nJ。2012年，张大鹏等^[17]利用掺镱大模场面积光子晶体光纤实现了单脉冲能量高达202 nJ的激光输出。2017年，Tan等^[18]利用高非线性光纤，在掺铒光纤激光器中获得可调谐、可切换多波长锁模，重复频率高达100 GHz。此外，研究发现，通过调节腔内偏振相关损耗能产生如孤子分子、耗散孤子等各类孤子的动力学现象^[19-22]。近年来NPR锁模光纤激光器的研究追求更窄脉宽、更高重复频率、更宽光谱和更高功率的目标。宽光谱以其较宽的光谱覆盖范围可以应用于成像学中。超短脉冲因为更短的持续时间，应用于探测和通信中。高能量脉冲在获得更高重复频率的同时也降低了单脉冲能量，可以应用于加工中。采用掺镱光纤作为增益介质，光纤在1030 nm处产生正色散。上述大多数工作也是在正色散情况下实现的，但产生的耗散孤子带有较大的正啁啾，同时锁模损耗较大，系统稳定性差。而负色散区的传统孤子时间带宽积较小，几乎无啁啾，同时也能得到高能量脉冲。因此，需要在腔内加入色散补偿器对正色散进行补偿，在1030 nm处实现传统孤子锁模。本文利用光栅对产生的负色散来补偿腔内光纤中的正色散，最终在近零色散附近实现了稳定锁模。

本文搭建了NPR锁模掺镱光纤激光器，实现了中心波长为1030.3 nm、脉宽为224 fs，10 dB光谱带宽为40 nm，重复频率为22.8 MHz的负色散孤子脉冲输出。随着泵浦功率增加，得到了最高重复频率为68.5 MHz的三次谐波锁模脉冲输出。224 fs的脉冲宽度与40 nm的光谱宽度表明，上述激光器是一款优秀的光纤飞秒振荡器，可用于拉曼光谱成像、光梳光谱灵敏检测。同时，这款光纤飞秒振荡器负载对应的超短脉冲放大系统有望实现更高功率光纤飞秒光源。

1 结构与原理

该光纤激光器基于非线性偏振旋转原理搭建，实验光路如图1所示。实验中，利用4个波长为976 nm的半导体激光器（laser diolde, LD）作为泵浦源。4个LD通过光合束器两两耦合后，采用双向泵浦方式，通过波分复用准直器（col-WDM）注入腔内运转，并在增益光纤中制造粒子数反转。耦合后每个泵浦模块输出最大功率为0.9 W。光在耦合后需要通过一个光隔离器保护泵浦源。腔内的增益介质为一段20 cm长的掺镱光纤（Liekki，Yb1200-4/125）。该光纤群的速度色散为23 fs²/mm，在976 nm处的吸收系数为1200 dB/m，其余光纤部分加入了7 m的标准单模光纤来提供足够大的非线性相移。如图1所示，激光器两侧空间部分通过四分之一波片和半波片的组合调节腔内的偏振，水平线偏光从偏振分光棱镜（polarizing beam splitter, PBS）直接输出，竖直线偏光返回腔内形成回路。PBS1和PBS2间放置一个法拉第旋转器提供额外的相位偏置，使传输相反的两路水平线偏光旋转45^o成正交。在腔内加入1250 lines/mm的透射式光栅对提供负色散，补偿腔内器件和单模光纤带来的正色散，使锁模激光器处于零色散值附近。激光腔总长为8.5 m。经过计算，腔内净色散约为−600 fs²：掺杂光纤和其他无源器件提供约10400 fs²正色散，其中增益提供4600 fs²正色散，830 fs²/m的7 m单模光纤提供约5800 fs²的正色散。群延迟色散公式为

$ D_{\text {g}}(\lambda)=-\frac{\lambda^3 d}{{\text{π}} {{c}}^2 \varLambda_{\rm{g}}^2}\left(1-\left(\frac{\lambda}{\varLambda_{\rm{g}}}-{\rm{sin}} \;\alpha\right)^2\right)^{-\frac{3}{2}} $

(1)

式中：D_g为光栅对提供的色散量；c为真空中光速；d为光栅对间距； $ \alpha $ 为入射角角度； ${\varLambda }_{{\rm{g}}}$ =1 ${\text{μ}} \mathrm{m}$ 为光栅周期，当光栅对间隔为1.5 mm时，算得光栅对提供了− 11 000 fs²色散量。锁模稳定时，激光器输出22.8 MHz近零负色散孤子脉冲。

实验中采用300 MHz带宽的数字示波器（RIGOL，MSO2302A）和2 GHz的光电探测器测量输出激光的脉冲序列，用光谱分析仪（Koyogawa，AQ6370C）来观察输出脉冲的光谱特性，用7.5 GHz的频谱仪（Agilent，N9000A）对锁模脉冲的射频进行探测，用自相关仪测量输出脉冲的宽度。

2 结果与分析

实验中，当单侧泵浦功率为30 mW时，可观察到激光器开始输出连续光。在此基础上继续增加泵浦功率，当两侧泵浦功率增加到280 mW时，调节波片至合适的角度，可得到重复频率为22.8 MHz的锁模脉冲输出。输出脉冲的光谱如图2（a）所示，中心波长为1030.3 nm，该光谱的10 dB带宽为40 nm。在线性光谱中心波长处可看到有毛刺样小峰，这是由谐振腔内存在微弱孤子干涉造成的，可通过降低泵浦功率或在一定范围内调节波片与光路角度以减小干涉影响。脉冲持续时间由自相关仪测得，自相关轨迹如图2（b）所示。采用高斯拟合得到317 fs的半高全宽，对应224 fs的实际脉冲持续时间。由于自相关仪灵敏度高，可看到在测得曲线旁伴随有连续噪声。图2（c）为输出激光的脉冲序列，可以从时间尺度和强度看出激光腔内的孤子脉冲是均匀分布且脉冲强度基本相等，相邻脉冲的时间间隔为44 ns，与8.5 m腔长对应的22.8 MHz锁模重复频率相匹配。同时，在脉冲序列中未看到其他拍频分量，表明该脉冲序列为传统孤子脉冲。该脉冲序列可以用狄拉克梳状函数来表示

$ {\delta }_{s}\left(t\right)=\sum\limits_{n=-\infty }^{\infty }\delta (t-n{T}_{s}) $

(2)

式中：δ为狄拉克函数；t为时间；n为第n个脉冲； $ {T}_{s} $ 为周期，也就是脉冲序列上两脉冲的时间间隔，在此为44 ns。

同一锁模状态下的射频谱见图2（d）。频谱仪扫宽范围为24 MHz，分辨带宽为2.7 kHz，且激光输出信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）约为57 dB。较高的SNR说明腔内传输的自发辐射很小，受激辐射占主导地位，脉冲质量很高。基频峰值位于22.8 MHz。

在此锁模状态下，采用系统封装可提升激光器的稳定性。同时，可将增益光纤置于温度控制器上，温度控制在室温，减小环境对激光器的影响。接入一个频率计数器（Tektronix，FCA3103）以监测频率稳定情况。检测结果如图3所示，频率在某一时刻会有下降，在图上显示为小的凹陷。这是由于测试中仍然存在机械振动、光纤抖动等因素，对腔的稳定性造成影响。将凹陷处图像放大，观察到波动处的频率为Hz量级（最大处约23 Hz，如图3圆圈标记所示）。从整体上看，频率处于稳定的状态。

实验中增加泵浦功率，激光器仍能保持锁模状态。当双向泵浦总注入功率为1.6 W时，光谱上出现明显的毛刺及齿状的调制峰，如图4（a）所示。毛刺特征的出现可能是由模式振荡和腔扰动引起的。通过观察数次扫描后的光谱图像，看到调制峰出现的位置固定，并不随时间变化，调制周期基本为0.2 nm且具有很高的调制深度。由此说明，调制光谱的出现是由于腔内存在干涉。这是由于随着泵浦功率的增加，腔内的高功率使孤子脉冲受到的非线性效应和腔内的负色散效应之间无法保持动态平衡，容易引起孤子脉冲分裂。分裂的脉冲在腔内发生干涉，转换到频域上显现出能量强弱分明的齿状谱线，表现出典型的束缚态锁模光谱特征。而束缚态孤子的产生就是通过孤子和共振色散波相互作用后，分裂而来的多个脉冲作为一个整体进行传输得到的^[23-25]。从图4中可以看到，谱线调制峰的强度并不均匀，同时单个调制峰上也出现了多个分裂，说明腔内的调制并不稳定。转动波片可以看到调制光谱的强度变化，这是因为转动波片改变了腔内偏振相关损耗，通过调节功率耦合比使输出强度发生变化。如图4（b）所示，转动波片后可以改变调制峰的强度。

在此泵浦功率下，旋转波片引起腔内偏振变化。在调整过程中，能观察到的最大时间间隔为14.9 ns，对应重复频率为68.5 MHz的三次谐波锁模（如图5所示）。可以看到在高泵浦功率下出现了谐波锁模，此时腔净色散为负，在反常色散区的传统孤子由于能量较小，在高泵浦功率下能够累积更多的非线性，更容易形成多脉冲谐波锁模。同时，振荡器的长腔降低了锁模的基频，使孤子在较低的泵浦功率下实现高峰值功率输出，相比短腔在相同的泵浦功率下得到更高的谐波阶数。因此，在低重复频率的长腔内更容易出现高次谐波锁模现象^[26-27]。此外，脉冲序列强度并不相同，存在着规律。这可以解释为谐波锁模形成过程中，不同偏振和能量变化产生相应的色散和增益损耗以及恢复作用，引发不同的脉冲长程相互作用，使高次谐波展现出不同的表现形式。除实验中展现的幅值不均匀但存在规律外，还存在等时间间隔且幅值均匀和在一个周期内有多个脉冲的团簇型谐波锁模等现象。在本研究中，三次谐波锁模状态并不能够在长时间下保持稳定，在外部震动影响下可能会跳变回基频锁模或二次谐波锁模，在未来还需要对其进行稳定性研究。

谐波锁模的阶数越高，脉冲的重复频率也就越高。泵浦功率的增加改变了腔内的非线性相移，腔长的改变引起色散的变化，更大的非线性相移使脉冲展宽并分裂为多个脉冲。多个脉冲在色散和非线性相移共同作用下保持稳定且时间间隔较小，孤子在传播过程中发生相互作用，相互纠缠形成束缚态，最终形成时间间隔相同的被动谐波锁模。在时域上观察到脉冲序列的小间隔意味着频域上更大的频率产生，因此可以通过谐波锁模调制激光重复频率。在多波长锁模光纤激光器中，可以通过非线性作用的差异获得不同波长的锁模脉冲，调谐不同波长脉冲的频率分离度将其应用于光学异步采样等光学测量中。同时，可以借助本研究中谐波锁模获得的高重复频率，提高测量的分辨率和速度，将其应用于生物探测、光学相干等领域^[28]。

3 结　论

基于非线性偏振旋转技术，在非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器中获得了中心波长位于1030.3 nm，脉冲持续时间为224 fs，重复频率为22.8 MHz的孤子脉冲输出；通过增加泵浦功率和改变偏振获得了最高重复频率为68.5 MHz的谐波锁模输出。该振荡器仍然存在一些不足：由于机械振动等原因，频率存在波动，导致谐波锁模不稳定，重复频率不够高。在后续工作中，可以继续利用NPR锁模技术，缩短腔长以获得高重复频率。按需将单模光纤换为保偏光纤，调整增益光纤长度获得更宽光谱、更加稳定和更高频率的谐波锁模输出。利用压电陶瓷稳频，放弃金属支架，选择高度集成硅玻璃砖以减小机械干扰，使上述飞秒光纤振荡器更好地应用于拉曼光谱成像仪、光学频率梳、光学相干断层扫描系统等科研仪器设备。由于采用了NPR技术，该激光器能够稳定自启动锁模，输出的负色散孤子脉冲具有高能量、宽光谱、超短脉冲等优势。其宽光谱使探测物质的范围更广，飞秒量级的超短脉冲又提高了探测速度和分辨率。针对高能量应用，在此振荡器的基础上可接入非线性放大系统，实现更高功率飞秒输出。因此，这款8 nJ，224 fs，40 nm光纤飞秒激光振荡器能为生物探测、传感、激光通信等系统提供有效光源。