隨機(jī)光纖激光器由于結(jié)構(gòu)簡單、時域穩(wěn)定、以及低相干等特點(diǎn)，在通信、成像、傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。超連續(xù)譜激光因其光譜范圍寬、亮度高等特點(diǎn)在密集波分復(fù)用、光學(xué)相干層析成像、高光譜激光雷達(dá)、以及脈沖壓縮等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價值。因此把隨機(jī)光纖激光技術(shù)和超連續(xù)譜技術(shù)相結(jié)合可以極大簡化超連續(xù)譜激光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。

國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院侯靜研究員課題組近年來對隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜開展研究，在改善超連續(xù)譜的光譜帶寬和平坦度、超連續(xù)譜的線偏振輸出等方面取得了系列研究成果。相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在Optics Express上。

隨機(jī)光纖激光器輸出可見光至近紅外超連續(xù)譜

目前，常規(guī)的產(chǎn)生可見光至近紅外波段超連續(xù)譜的方案主要有兩種：一種是利用脈沖光纖激光泵浦光子晶體光纖，另外一種則是利用非線性光纖放大器來獲得超連續(xù)譜輸出。2019年，課題組實現(xiàn)了一種共腔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器來獲得超連續(xù)譜輸出，實驗結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)中使用寬帶的光纖反射鏡來提供反饋，腔內(nèi)使用摻鐿光纖和1 km長的被動光纖，利用摻鐿光纖和受激拉曼散射的混合增益，基于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)首次實現(xiàn)了覆蓋可見光至近紅外波段的超連續(xù)譜輸出，輸出光譜如圖2所示。

圖1 隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的實驗結(jié)構(gòu)圖

圖2 泵浦功率分別為4.3 W和44.7 W時產(chǎn)生超連續(xù)譜的光譜對比

全保偏結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜

線偏振超連續(xù)譜激光在生物醫(yī)學(xué)檢測和目標(biāo)探測與識別等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用前景。為了獲得線偏振超連續(xù)譜輸出，課題組首次基于全保偏結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器，獲得了平均輸出功率為4.43 W、光譜范圍覆蓋600 nm~1900 nm線偏振超連續(xù)譜輸出，在最高輸出功率水平下的偏振消光比(PER)大于18 dB，相應(yīng)的實驗結(jié)構(gòu)如圖3所示。

課題組又對比了線偏振隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)中使用100 m長的PM-GDF和非線偏振隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)中使用1000 m長的GDF輸出超連續(xù)譜的光譜特性，圖4為相應(yīng)的光譜對比結(jié)果。對比發(fā)現(xiàn)，雖然線偏振隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)中使用了較短的光纖長度，卻表現(xiàn)出更優(yōu)異的光譜特性。該項研究對于簡化隨機(jī)激光器的結(jié)構(gòu)，改善超連續(xù)譜的輸出特性方面具有重要意義。

圖3 線偏振隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的實驗結(jié)構(gòu)圖

圖4 非線偏振隨機(jī)激光器和線偏振隨機(jī)激光器分別使用1000 m GDF和100 m PM-GDF時輸出超連續(xù)譜的光譜對比

基于光子晶體光纖的隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜

光子晶體光纖具有很高的非線性系數(shù)，同時其色散特性靈活可調(diào)，通過改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)很容易滿足寬帶超連續(xù)譜產(chǎn)生的色散匹配條件。為了優(yōu)化隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的光譜帶寬和平坦度，課題組在隨機(jī)光纖激光器的半開腔內(nèi)引入光子晶體光纖，利用光子晶體光纖提供隨機(jī)分布反饋和作為光譜展寬的非線性介質(zhì)，實驗結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖6為隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜在不同泵浦功率下的光譜演化曲線，在最高17 W泵浦功率下獲得了光譜范圍覆蓋400 nm~2300 nm的超連續(xù)譜輸出，其中20 dB光譜范圍超過1600 nm。相比于傳統(tǒng)使用脈沖光纖激光器泵浦光子晶體光纖輸出超連續(xù)譜的方法，該結(jié)構(gòu)輸出的超連續(xù)譜不僅具有可以比擬的光譜帶寬和平坦度，還具有結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)。該項工作進(jìn)一步豐富了隨機(jī)光纖激光器和超連續(xù)譜的研究內(nèi)容。

圖5 基于光子晶體光纖的隨機(jī)激光器輸出超連續(xù)譜的實驗結(jié)構(gòu)圖

圖6 輸出光譜在不同泵浦功率下的演化曲線

總結(jié)

隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前隨機(jī)光纖光纖激光器輸出超連續(xù)譜的產(chǎn)生機(jī)理還不完全清晰，后續(xù)我們將進(jìn)一步建立理論模型，揭示其中超連續(xù)譜的產(chǎn)生過程。另一方面，隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的功率水平也有巨大的提升空間，需要研究人員進(jìn)一步探索?？梢灶A(yù)見，在未來的發(fā)展過程中，高功率、寬光譜帶寬的隨機(jī)光纖激光器仍將不斷發(fā)展，這些發(fā)展也必將為超連續(xù)譜激光提供更廣闊的應(yīng)用前景。

論文信息：

1. J. He, R. Song, L. Jiang, J. Hou. Supercontinuum generated in an all-polarization-maintaining random fiber laser structure[J]. Optics Express, 2021, 29(18): 28843.

2. J. He, R. Song, W. Yang, J. Hou. High-efficiency ultra-compact near-infrared supercontinuum generated in an ultrashort cavity configuration[J]. Optics Express, 2021, 29(12): 19140.

3. J. He, R. Song, Y. Tao, J. Hou. Supercontinuum generation directly from a random fiber laser based on photonic crystal fiber[J]. Optics Express, 2020, 28(19): 27308.

4. L. Chen, R. Song, C. Lei, W. Yang, and J. Hou. Random fiber laser directly generates visible to near-infrared supercontinuum[J]. Optics Express, 2019, 27(21): 29781.

5. L. Chen, R. Song, C. Lei, W. Yang, F. He, and J. Hou. Influences of position of ytterbium-doped fiber and ASE pump on spectral properties of random fiber laser[J]. Optics Express, 2019, 27(7): 9647.