超快非线性光学技术之二十五 下一代超低噪声光纤超连续源

2 μm波段的超短脉冲光源和光学频率梳在光谱学和精密测量等领域发挥着重要作用。此外，以2 μm作为跳板将光谱进一步展宽至中红外波段（2－20 μm）更加凸显了其关键地位。比较传统的实现2 μm超快高能量光纤激光器的方案是2 μm光纤振荡器提供种子源，再结合啁啾脉冲放大技术进行能量放大，但这种方案受限于铥和钬离子的增益谱，其输出脉冲较宽。另一种方案从1．5 μm出发，通过超连续产生将光谱展宽至2 μm，再利用啁啾脉冲放大技术进行能量放大。这种方案同样具有局限性：超连续谱产生过程伴随着复杂的非线性效应，会将种子光的噪声放大，进而影响2 μm激光器的噪声水平。为了分析噪声特性，Rampur等人将超连续产生过程中的噪声增益参量化为gMPR，并绘制了该参数对gR归一化之后随系数K的变化曲线，如图1所示：gR为拉曼增益系数，K定义为色散与非线性之比。由图1中曲线可知，工作在负色散区域的超连续谱产生将引入较强的噪声增益；相反，工作于微正色散的超连续谱产生引入的噪声增益极小，非常适合低噪声超连续谱产生［1］。

图1 归一化参数gMPR／gR随K参数的变化曲线［1］。

基于上述理论结果，Heidt等人搭建了一套2 μm全光纤激光器，装置如图2（上）所示：1550 nm的激光器作为种子，通过空间耦合进入全正色散光子晶体光纤中进行光谱展宽至2 μm，经过UHNA 7光纤展宽脉冲、Tm／Ho共掺光纤放大能量以及SMF进行脉冲压缩，最终得到光谱和脉冲如图2（下）所示，光谱半高全宽100 nm，脉冲宽度66 fs ［2］。

图2 2 μm低噪声光纤激光器装置及结果 ［2］。

图3为激光系统不同位置处的噪声。经过PCF之后的噪声水平和种子激光非常接近，仅在低频处发现一些由空间光耦合引入的额外噪声。经过放大器后，噪声在低频和高频位置都出现明显提升，作者将其分别归因于放大器泵浦源自身的噪声和PMI引入的噪声。经过积分之后的相对强度噪声（RIN）保持在极低的水平，PCF之后为0．05％，放大器之后为0．07％。

图3 激光器不同位置噪声水平 ［2］。

该2 μm光纤激光器的噪声水平已经达到领先水平，但依然存在一些不稳定性。作者发现，当改变进入PCF的激光偏振态，在PCF和放大器后都发现了明显的噪声水平退化。如图4所示，在PCF之后，随着入射激光偏振态的变化，输出超连续谱的RIN水平从0．047％－0．24％之间变化；在放大器之后，脉冲的RIN水平更是从0．07％－0．45％之间大幅变动，严重影响激光器的鲁棒性。

图4 入射光偏振态对输出光噪声的影响 ［2］。

显然这种对输入脉冲偏振高敏感的状态将带来极大的隐患，偏振的微小浮动将逐级放大最终恶化噪声水平。作者测试了多种具有不用结构以及双折射的光子晶体光纤，改变入射光偏振态，测量对应的输出超连续谱的噪声水平。作者发现，当使用双折射更大的保偏光纤时，超连续谱对入射偏振的敏感度降低，且双折射越大，超连续谱对入射偏振越不敏感，输出噪声越低。然而，负色散PCF并不符合这个规律；当入射偏振变化时，负色散PCF输出的超连续谱噪声变化依然很剧烈。得到上述结论后，作者将实验中使用的非保偏光纤都换成对应的保偏光纤，系统噪声如图5（e）所示，放大后噪声和种子光噪声非常接近，证实了保偏光纤对噪声控制的有效性。

图5 保偏PCF对系统噪声的优化左右 ［2］。

除了强度噪声之外，正色散、高双折射光纤对相位噪声同样具有抑制作用，并且能将脉冲时域抖动控制在100阿秒左右，比传统负色散超连续谱低两个数量级。进一步优化光纤几何形状、应力分布以及拉锥设计，都有希望改善噪声水平。受益于这一显著改善，2 μm高功率光纤激光器将进一步发挥其独特的波段优势，例如，规避了双光子吸收对非线性晶体的影响，2 μm光纤激光器可以通过差频获得能量更高的中红外波段超短脉冲；在硫系光纤中进行超连续谱产生即可直接获得中红外信号。

参考文献：

［1］ Rampur A ， Spangenberg D M ， Sierro B ， et al． Perspective on the next generation of ultra－low noise fiber supercontinuum sources and their emerging applications in spectroscopy， imaging， and ultrafast photonics［J］． Applied Physics Letters， 2021， 118（24）：240504．

［2］ Heidt A M ， Hodasi J M ， Rampur A ， et al． Low noise all－fiber amplification of a coherent supercontinuum at 2 m and its limits imposed by polarization noise［J］． Scientific Reports， 2020， 10（1）．

原文标题:超快非线性光学技术之二十五 下一代超低噪声光纤超连续源