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

國防科技大學前沿交叉學科學院侯靜研究員課題組近年來對隨機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。相關研究內(nèi)容發(fā)表在Optics Express上。

隨機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)了一種共腔結構的隨機光纖激光器來獲得超連續(xù)譜輸出，實驗結構如圖1所示。結構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，基于隨機光纖激光器結構首次實現(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 隨機光纖激光器輸出超連續(xù)譜的實驗結構圖

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

全保偏結構的隨機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)學檢測和目標探測與識別等領域中具有重要應用前景。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構的隨機光纖激光器，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，相應的實驗結構如圖3所示。

課題組又對比了線偏振隨機光纖激光器結構中使用100 m長的PM-GDF和非線偏振隨機激光器結構中使用1000 m長的GDF輸出超連續(xù)譜的光譜特性，圖4為相應的光譜對比結果。對比發(fā)現(xiàn)，雖然線偏振隨機光纖激光器結構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激光器的結構，改善超連續(xù)譜的輸出特性方面具有重要意義。

圖3 線偏振隨機光纖激光器輸出超連續(xù)譜的實驗結構圖

圖4 非線偏振隨機激光器和線偏振隨機激光器分別使用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)，通過改變其結構參數(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分布反饋和作為光譜展寬的非線性介質(zhì)，實驗結構如圖5所示。

圖6為隨機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，該結構輸出的超連續(xù)譜不僅具有可以比擬的光譜帶寬和平坦度，還具有結構簡單和成本低等優(yōu)點。該項工作進一步豐富了隨機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激光器輸出超連續(xù)譜的實驗結構圖

圖6 輸出光譜在不同泵浦功率下的演化曲線

總結

隨機光纖激光器輸出超連續(xù)譜具有結構簡單、成本低和魯棒性好等優(yōu)點。但是，目前隨機光纖光纖激光器輸出超連續(xù)譜的產(chǎn)生機理還不完全清晰，后續(xù)我們將進一步建立理論模型，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，需要研究人員進一步探索?？梢灶A見，在未來的發(fā)展過程中，高功率、寬光譜帶寬的隨機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.