合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥

收稿日期：2021年3月12日；录用日期：2021年6月21日；发布日期：2021年6月29日

摘要

光纤激光器是二十世纪科学技术的一项重大成就，它具有低损耗、低功耗、结构简单、集成度高等优点。文章主要对基于掺铒光纤激光器的光频梳系统进行设计，搭建了全光纤结构的飞秒激光器，并且完成了光功率放大和重复频率锁定的实验研究。在实验中搭建的飞秒激光器的输出功率为0.63 mW，重复频率为90 MHz，光谱宽度为12.49 nm，通过放大器放大后光功率达到45 mW，光谱宽度展宽到42 nm，最后通过PID控制器，将激光器的重复频率锁定到稳定的参考信号源上，在0~1000 s记录时间内，记录数据的标准差为156 μHz。通过以上实验，文章不仅实现了对飞秒脉冲的光放大，还完成了对飞秒激光器重复频率的锁定，搭建出了一台可用于精密测量等领域的实用型飞秒光频梳。

关键词

锁模激光器，光功率放大，频率锁定，飞秒激光，光频梳

Research on Optical Frequency Comb Based on Erbium-Doped Fiber Laser

Jing Jia, Juntao Huang, Xin Xu

Hefei University of Technology, College of Instrument Science and photoelectric engineering, Hefei Anhui

Received: Mar. 12^th, 2021; accepted: Jun. 21^st, 2021; published: Jun. 29^th, 2021

ABSTRACT

Fiber laser is a major achievement of science and technology in the twentieth century. It has the advantages of low loss, low power consumption, simple structure and high integration. This article mainly designs an optical frequency comb system based on erbium-doped fiber laser, builds a femtosecond laser with all-fiber structure, and completes experimental research on optical power amplification and repetitive frequency locking. The output power of the femtosecond laser built in the experiment is , the repetition frequency is 90 MHz, the spectral width is , the optical power is amplified by the amplifier to , and the spectral width is expanded to . Finally, the PID controller is used to lock the repetition frequency of the laser to a stable reference signal source. The standard deviation of the recorded data is during the recording time from . Through the above experiments, this paper not only realized the optical amplification of the femtosecond pulse, but also completed the lock of the repetition frequency of the femtosecond laser, and built a practical femtosecond optical frequency comb that can be used in precision measurement and other fields.

Keywords:Mode-Locked Laser, Optical Power Amplification, Frequency Lock, Femtosecond Laser, Optical Frequency Comb

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

近年来，光通信、光纤传感、相干激光雷达、激光测距和太赫兹技术等领域所取得的进步都离不开激光器的产生和发展。到20世纪末，飞秒光频梳的产生为这些领域的进一步发展提供了新的技术方案。在时间域上，飞秒光频梳输出的是一系列周期性的飞秒脉冲，将这些周期性的脉冲转化到频率域上，得到的是等间距的梳状光谱，即光学频率梳。飞秒光频梳因为其独特的时域和频域特性，在精密测量、光频计量、空间科学、激光光谱学等领域得到了广泛的应用。

近些年，国内外对光纤光频梳展开了深入的研究。从2007年到2010年，美国标准实验室的叶军小组与IMRA公司合作，将光纤光频梳产生技术与啁啾脉冲放大技术相结合，可得到光学频率梳的平均输出功率为80 W，同时可获得120 fs的脉冲输出 [1]，又在此实验的基础上利用外腔增强技术获得最短波长为38 nm的极紫外光梳 [2]，这一实验结果推动了光频梳在紫外领域的科学发展研究。

Pupeza等 [3] [4] 利用非线性脉冲压缩技术，获得了输出功率为43 W、脉冲宽度为51 fs的掺镱光纤光频梳，并以此为驱动源，使用外腔增强技术获得最短输出波长11.45 nm的极紫外光频梳。

Zhao等 [5] 研究了一种利用可饱和吸收体滤波器和腔损耗控制器的窄线宽单纵模掺铒激光器，应用腔损耗控制器实现了均衡的双波长输出，光纤激光器的光信噪比高于68 dB，在250 mW泵浦功率下，双波长输出功率达到0 dBm，且具有小于2.5 kHz的窄线宽。

Zhang等 [6] 研究了一种低噪声窄线宽单频光纤激光器，分别借助掺铒光纤放大器，未泵浦的980 nm泵浦源以及Sagnac反馈腔，有效地抑制了噪声和窄线宽，实现了1.5 μm波长的单频输出，输出功率为11.1 W，消光比接近于60 dB，而频谱线宽远低于1.8 kHz。

本文搭建了全光纤结构的锁模激光器，产生重复频率为90 MHz的锁模飞秒脉冲，随后对飞秒脉冲进行放大，实现了对激光器重复频率的精确锁定，并对基于掺铒光纤激光器的光学频率梳特性进行了研究。

2. 光纤飞秒激光器

掺铒光纤激光器由泵浦源、波分复用器(Wavelength Division Multiplexing, WDM)、掺铒增益光纤、压电陶瓷、耦合输出器以及半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorption Mirror, SESAM)组成 [7]。泵浦源为掺铒增益光纤中上下能级粒子发生反转提供能量；波分复用器是将泵浦光耦合进光纤激光器中，其优点是低插入损耗和拥有较高的隔离度，有效防止泵浦光反射回泵浦源，对泵浦源造成损坏；掺铒增益光纤是为了减少激光在传输过程中的传输损耗；压电陶瓷通过改变激光器的腔长大小，从而实现光频梳重复频率的锁定和调节；耦合器的作用是将一部分光直接输出，另一部分光在谐振腔内被循环放大 [8]。

图1. 掺铒光纤飞秒激光器装置图(WDM：波分复用系统，SESAM：半导体可饱和吸镜)

图1是掺铒光纤激光器的一般结构示意图。泵浦源产生的980 nm泵浦激光通过WDM输入到激光器掺铒增益光纤中，产生1550 nm波长的激光。激光器由SESAM实现锁模，产生周期性的飞秒脉冲 [9] [10]。通过电压控制压电陶瓷的长度，从而改变激光器的腔长，来实现激光器重复频率的锁定和调节。激光器产生的飞秒激光通过耦合器输出，耦合器的输出比为95:5，即5%的光直接输出，剩余的激光在谐振腔内循环。

图2. 飞秒激光器锁模光谱

图3. 光强随输入光波波长变化曲线

按照图1搭建掺铒光纤飞秒激光器，进行飞秒激光器锁模的实验研究。将泵浦电流从0开始缓慢增加，当泵浦电流增加到280 mA时，激光器实现锁模，此时飞秒激光器的输出光谱如图2所示，此时光谱的中心波长为1556 nm，光谱宽度为12.49 nm，通过光功率计测量的光功率为0.63 mW。

实验中不断减小激光器的泵浦电流，得到不同泵浦电流对应的输出光谱如图3所示。由图3可知，随着泵浦电流的不断减小，光谱宽度在不断减小，当泵浦电流为最小的170 mA时，光谱宽度仅为5.86 nm。但在这一过程中，激光器光谱的中心波长始终保持不变，光谱基本以光波波长1556 nm为中心对称分布。当泵浦电流进一步减小，激光器的锁模光谱消失，激光器不再处于锁模状态。因此激光器锁模的泵浦电流范围大约为170~280 mA。

图4. 光谱宽度和泵浦电流与输出功率关系曲线

图5. 输出功率与光谱宽度关系曲线

根据实验数据，绘制出光谱宽度和激光器输出功率随泵浦电流的变化曲线如图4所示。由图4可知，当泵浦电流从170 mA增大到280 mA时，相应的输出功率从0.26 mW增大到0.63 mW，光谱宽度从5.86 nm展宽到12.49 nm，激光器输出功率随着泵浦电流的增大而增大，同样地，光谱宽度随着泵浦电流的增大而展宽。从图中可以看出，输出功率和光谱宽度随泵浦电流的变化曲线基本呈线性规律，进一步验证了输出功率和光谱宽度随泵浦电流变化的实验结果。

根据实验数据，绘制出光谱宽度和泵浦电流与输出功率变化曲线如图5所示。由图5可知，当光谱宽度从5.86 nm展宽到12.49 nm时，相应的输出功率从0.26 mW增加到0.63 mW，光谱宽度与输出功率曲线近似为正比关系。

3.飞秒脉冲的放大

当飞秒激光器腔内功率过大时，会对SESAM晶体造成损坏，并且这种损坏是不可修复的。因此，飞秒激光器工作时，应尽量让其在功率较小的状态下工作 [11]。本实验选择飞秒激光器的锁模电流为280 mA，但此时飞秒激光器的输出光功率仅为0.63 mW，无法满足其在实际中应用，因此，需要对飞秒激光器产生的脉冲功率进行放大。

本文对光信号的放大主要是指在光纤锁模激光器腔内的增益放大，掺铒光纤放大器主要是利用掺铒光纤的受激放大原理，光放大过程是将掺铒光纤激光器输出的光信号和泵浦源发出的980 nm的泵浦光耦合到波分复用器中，再通过掺铒增益光纤输出放大后的光信号。

实验中采用的是前向放大结构，搭建的光放大器结构如图6所示，在泵浦激光和掺铒增益光纤的共同作用下，使飞秒激光器产生的周期性飞秒脉冲功率得到放大。

实验记录了不同泵浦电流对应的输出光谱，结果如图7所示。可以看出放大后的光谱以中心波长为对称轴，两侧的光强变化趋势呈近似对称分布，中心波长始终保持在1556 nm左右，光谱宽度随着泵浦电流的增加不断展宽，与未进行脉冲放大前的光谱(图3)相比，光谱宽度得到了明显的展宽。

图6. 飞秒脉冲放大实验装置图

图7. 不同泵浦电流下光强与波长关系曲线

图8. 输出功率和光谱宽度与泵浦电流关系曲线

图8曲线是光功率进行放大后的光功率和光谱宽度与泵浦电流特性曲线图。由图8可知，当泵浦电流从50 mA增大到300 mA时，相应的输出功率从0.59 mW增大到45 mW，光谱宽度从12.35 nm展宽到42 nm，输出功率和光谱宽度与泵浦电流基本满足线性变化关系。当泵浦电流为300 mA时，输出功率大约为45 mW，此时的光谱宽度可以达到42 nm，放大效果显著，可满足光频梳在在实际测量中的使用。

4. 飞秒脉冲的重复频率锁定

飞秒激光器输出的周期性飞秒脉冲，对应到频域上是一系列等间距的梳状光谱，且相邻两根梳齿之间的频率间隔等于激光器输出脉冲的重复频率f_r。在一般工作条件下，由于受到实验室温度、环境变化，实验平台震动等因素的影响，重复频率f_r会发生变化，进而导致飞秒激光器输出的梳状光谱发生变化。因此，想要获得稳定的梳状光谱，需要将梳齿间的频率间隔f_r锁定到稳定的参考源上 [12]。

图9. 飞秒脉冲重复频率锁定实验系统

实验中采用的飞秒脉冲重复频率锁定系统的整体结构如图9所示，主要包括光学部分和控制部分 [13]。光学部分包括激光器谐振腔长度的调节和锁定；控制部分指的是硬件控制电路，主要包括信号处理电路、PID控制器、参考信号源。

飞秒脉冲重复频率锁定实验系统基本工作原理如下。在飞秒激光器内部，通过压电陶瓷(Piezoelectric Transducer, PZT)控制光纤长度的伸缩，来实现对飞秒激光器腔长的控制。激光器输出的光脉冲由光电探测器(PD)转换为电信号，但是由于PD直接产生的电信号功率较小，信噪比较小，因此实验通过设计微波电路对电信号进行放大和滤波。经过放大滤波后的电信号和由标准信号源产生的参考信号经过混频器拍频，得到两个信号重复频率之间的差值Δf，再将Δf作为误差信号输入到PID控制器中，由PID控制器驱动PZT装置，通过PZT的微小位移改变腔长，实现对重复频率的控制，使滤波后的电信号能够动态跟踪上基准信号，亦可认为锁定至基准信号，这样就可以使重复频率f_r的稳定精度和输入参考信号的稳定精度相同。

在PID控制器没有工作、PZT没有进行补偿的情况下，使用频率计数器对激光器重复频率进行采样，采样间隔为1 s，结果如图10所示。受到环境因素的影响，重复频率f_r在90,260,580 Hz~90,260,750 Hz内不断地无规则变化，波动范围达到170 Hz，记录数据的标准差为σ_a = 35.84 Hz。

经过重复频率锁定之后得到重复频率采样数据如图11所示，当采用信号处理及控制系统之后，重复频率f_r稳定度明显提升，波动范围已经在毫赫兹水平，记录时间为1000秒，数据标准差为σ_b = 156 μHz。在图11中某些部分重复频率波动相对较大，是因为飞秒光纤激光器没有进行封装，光纤完全裸露在实验环境中，受震动、空气对流等因素影响所导致的。

图10. 原始重复频率采样数据

图11. 锁定后重复频率采样数据

5. 结论

本文搭建了基于掺铒飞秒激光器的光学频率梳系统，采用SESAM锁模的方式，实现了重复频率90 MHz、中心波长1556 nm、光谱宽度12.49 nm、功率0.63 mW的飞秒脉冲输出。通过测试不同泵浦电流下激光器输出的光谱和功率，发现随着泵浦功率的减小，锁模光谱的宽度逐渐变小，输出功率也随之下降。由于飞秒激光输出功率较小，为满足实际使用，搭建了飞秒脉冲放大器，对其输出功率进行了放大，放大后的光功率可以达到45 mW，光谱宽度为42 nm。此外，通过PID控制器对激光器腔内的PZT进行精确的调节和控制，实现对飞秒激光器重复频率的锁定，使重复频率具有与参考信号源相同的稳定精度，对锁定后的重复频率进行记录，在1000 s内，数据标准差达到156 μHZ。

基金项目

合肥工业大学大学生创新创业训练项目(201910359052)。

文章引用

贾 婧,黄俊涛,徐 昕. 基于掺铒光纤激光器的光频梳研究
Research on Optical Frequency Comb Based on Erbium-Doped Fiber Laser[J]. 光电子, 2021, 11(02): 69-77. https://doi.org/10.12677/OE.2021.112009

参考文献