基于色散管理光纤振荡器的增益控制非线性放大系统

《Optics & Laser Technology》：Gain-Managed nonlinear amplification system based on a Dispersion-Managed fiber oscillator

本文构建了一种基于色散管理铒掺杂振荡器的增益管理非线性放大系统，通过连续调节空腔色散（0.047ps2至-0.131ps2）实现了稳定生成耗散孤子、展宽脉冲和常规孤子脉冲。实验表明种子波长与增益光纤峰值发射波长的重叠会限制谱展宽，近零色散条件（中心波长1040nm）下获得最佳性能：3dB带宽106.7nm，压缩脉冲 duration 38fs。首次实验验证了常规孤子可作增益管理系统的种子，补充了非线性吸引子理论的研究空白。

　　

刘俊|李静成|邱光宇|满志豪|何明阳|郝安清|郝强|杨康文|曾和平

上海现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海科技大学光电与计算机工程学院，上海200093，中国

摘要

本文介绍了一种基于色散管理的镱掺杂振荡器的增益控制非线性放大系统。该振荡器的净腔体色散范围可连续调节，从0.047 ps2到-0.131 ps2，从而能够稳定地产生耗散孤子、拉伸脉冲和常规孤子脉冲。我们系统研究了在不同啁啾系数和可调中心波长下，种子脉冲在增益控制非线性放大过程中的光谱演化特性。通过在主放大器之前对预放大激光脉冲进行腔外滤波，实现了种子脉冲的波长可调性。利用这种多维可调种子脉冲，我们发现当种子脉冲来源于接近零色散或反常色散的振荡器时，会发生显著的光谱展宽，此时脉冲持续时间小于50 fs。实验结果还表明，种子脉冲波长与峰值增益波长之间的重叠可能会限制增益控制非线性放大（GMNA）中的光谱展宽。当种子波长接近增益光纤的峰值发射波长时，泵浦转换效率会增加，但由于在非常狭窄的范围内发生强烈放大，3-dB光谱带宽会显著减小。在接近零色散条件下，中心波长为1040 nm时获得了最佳性能，输出脉冲的3-dB带宽为106.7 nm，脉冲持续时间压缩至38 fs。我们的研究补充了现有文献的空白，表明来自反常色散镱掺杂振荡器的常规孤子也可以作为增益控制放大器的种子脉冲，进一步支持了增益控制放大过程的非线性吸引子特性。关于振荡器类型和种子波长的实验发现，将为超快非线性光纤放大器的设计和优化提供宝贵见解。

引言

高峰值功率的飞秒光纤激光器是推动基础研究和工业应用发展的重要工具。这些激光器具有超短脉冲持续时间和极高的峰值功率，在材料加工[1]、[2]、生物医学应用[3]、[4]、[5]以及精密测量[6]等领域具有广泛的应用前景。为了抑制高峰值功率激光脉冲在纤芯中传播时导致的脉冲质量下降和材料损伤，啁啾脉冲放大（CPA）技术利用脉冲拉伸器和压缩器来调节放大器内外的脉冲宽度[7]。这种方法有效降低了增益光纤内的峰值功率强度，但不可避免地会导致放大后的光谱变窄[8]、[9]。因此，基于CPA的光纤放大器直接输出的脉冲宽度很难压缩到200 fs以下[10]。

为了实现更短的脉冲宽度和更宽的光谱，非线性脉冲放大（NPA）技术提供了一种有效手段，可以获得脉冲宽度小于100 fs的飞秒脉冲。目前，NPA方法主要包括自相似放大（SSP）、预啁啾管理放大（PCMA）和增益控制非线性放大（GMNA）。SSP技术利用光纤增益、自相位调制（SPM）和色散的协同效应，在放大过程中逐步将光谱转变为抛物线形状[11]、[12]、[14]。在较高泵浦功率下，产生的光谱可能会超出增益带宽，导致压缩后的脉冲质量下降。PCMA则通过精确控制种子脉冲的啁啾和光纤放大的非线性过程，实现优异的脉冲压缩效果，无论输入脉冲形状是否为抛物线[15]、[16]、[17]、[18]。这种方法通常依赖于对种子脉冲的精确色散管理，从而增加了系统复杂性并降低了系统稳定性。相比之下，GMNA技术依赖于增益光纤内色散、非线性效应和增益形状的动态平衡。这使得在整个脉冲演化过程中保持显著的线性啁啾，使得输出光谱带宽超出增益狭窄限制，脉冲宽度压缩至接近傅里叶变换极限值，产生性能优异的超短脉冲，脉冲持续时间小于50 fs[19]。

近年来，使用GMNA技术生成脉冲宽度小于50 fs的飞秒脉冲成为热门研究方向。Frank Wise团队首次实现的GMNA技术基于全正常色散振荡器，产生的输出脉冲压缩至约40 fs[19]。通过将增益光纤替换为30 μm大模场面积的镱掺杂光纤，40 fs激光脉冲的平均功率从0.134 W提高到了6.8 W[20]。他们进一步评估了GMNA在多光子显微镜中的应用性能，发现由于宽光谱带宽和超短脉冲宽度，可以实现高质量的深组织成像[21]。其他团队也通过优化泵浦模式[22]、改变振荡器结构[23]和改进压缩器结构[24]为这一领域做出了贡献。例如，使用超长全正常色散锁模光纤激光器作为种子源，报道了一种956 kHz、57 fs的GMNA系统[25]。2025年，展示了一种全光纤集成的GMNA系统，该系统不使用任何自由空间元件，其种子脉冲来自全正常色散振荡器，并采用空心芯光子带隙光纤作为压缩器[24]。最近发现，接近零色散的振荡器更适合构建GMNA系统。基于此，基于拉伸脉冲振荡器实现了无需预放大器的紧凑型GMNA[26]。GMNA中的脉冲演化应由非线性吸引子驱动，因此不受振荡器类型的影响。除了全正常色散和接近零色散的振荡器外，Grzegorz Sobon领导的团队首次在反常色散铒掺杂光纤振荡器中实现了GMNA[27]。然而，关于镱掺杂GMNA的相关实验工作尚未报道，这一点也很重要，因为大多数报道的GMNA研究都是在镱掺杂光纤中实现的，而且该范围内的输出功率可能远高于铒掺杂光纤系统。此外，仍有必要研究不同色散值振荡器中的GMNA种子脉冲演化过程。

GMNA中的另一个有趣但尚未明确的问题是如何选择种子脉冲的波长。最初，选择输出脉冲的蓝光部分（即短波长部分，1028 nm）以实现脉冲演化超出自相似放大区域的限制[19]。进一步使用中心波长分别为1038 nm和1031 nm的两个振荡器进行的比较研究表明，这两种振荡器都能实现约50 fs的脉冲持续时间。然而，两种振荡器的重复率和光谱带宽不同，这使得难以直接评估波长的影响[28]。Grzegorz Sobon等人使用单个振荡器作为种子，并通过两个中心波长分别为1530 nm和1560 nm的带通滤波器实现了GMNA[27]。他们的结论主要表明，在铒掺杂光纤放大器中，种子波长的选择并不是关键因素。不过，1530 nm的种子激光是通过额外的光纤放大器进行非线性光谱展宽产生的，这也增加了比较的复杂性。迄今为止，之前的研究尚未采用波长连续可调的种子激光器，并采用相同的配置来详细研究种子波长对GMNA的影响，这对于优化功率转换效率和扩展光谱带宽具有重要意义。

在本文中，我们系统研究了使用色散管理光纤振荡器和可调滤波器的GMNA演化过程。通过使用腔内光栅对构建了色散管理的镱掺杂振荡器，生成了具有不同净腔体色散的输出脉冲。随后，这些脉冲在发送到主放大器之前进行了预放大和光谱滤波。通过优化振荡器的色散条件和种子脉冲的输入波长，我们在接近零色散和反常色散条件下成功实现了GMNA，并分析了不同中心波长的种子脉冲对GMNA演化过程的影响，这对于设计不同光纤振荡器的先进非线性放大器非常有益。

实验装置

图1展示了基于色散和波长可调光学脉冲的镱掺杂GMNA的实验装置。该装置由四个部分组成：色散管理光纤振荡器、光纤预放大器、GMNA和压缩器。色散管理光纤振荡器的配置已在我们的先前论文中详细说明[29]。该振荡器采用图9腔结构，并通过非线性放大环镜实现被动锁模。一对

预放大前后种子脉冲的输出特性

接下来，我们将讨论在不同净腔体色散条件下的预放大前后的输出特性。该振荡器可以自发起稳定的被动锁模操作，其时间信号如图2(a)中的示波器波形所示。相邻脉冲之间的时间间隔为52.8 ns，对应的重复率为18.95 MHz，如图2(b)中的射频光谱所示。通过调整腔内的光栅间距，可以

结论

总之，我们结合了色散管理光纤振荡器和腔外可调滤波器，系统研究了增益控制非线性放大的演化过程。结果表明，当使用来自接近零色散振荡器的1040 nm种子脉冲时，可以获得最短的38 fs压缩脉冲持续时间。此外，本研究首次实验验证了从常规反常色散镱掺杂

CRediT作者贡献声明

刘俊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法论，研究，数据分析，概念化。李静成：撰写 – 审稿与编辑，研究。邱光宇：撰写 – 审稿与编辑，研究。满志豪：撰写 – 审稿与编辑，研究。何明阳：撰写 – 审稿与编辑，研究。郝安清：撰写 – 审稿与编辑，研究。郝强：撰写 – 审稿与编辑，资源准备，方法论，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：12374402）和上海浦江计划（编号：24PJD080）的财政支持。