近红外波段的超快光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、热管理方便、长期稳定等特点，备受医学诊疗和空间探测等领域的青睐。成本低廉、技术成熟的硅基光电探测器，在900 nm附近具有较高的响应度[1]，如图1。因此，开发波长在900 nm附近的激光能在降低光学探测成本的同时又具有较高的探测效率。特别地，在激光测距领域中，该波段下的低重复频率、窄脉冲宽度的超快光纤激光器可以有效地减少飞行时间测距（TOF）中的距离模糊[2]同时保持毫米级测距精度，被研究人员们广泛关注。
众所周知，锁模光纤激光器的重复频率与谐振腔长度成反比。然而，由于单模光纤中的色散和非线性效应，激光很难在长光纤腔中实现单脉冲工作，传统锁模光纤激光器的重复频率通常在十到百MHz。尽管可以通过选单器（pulse picker）在腔外对脉冲的重频进行降低，但额外引入的调制器件大大增加了激光器的复杂性。因此，在~900 nm波段通过锁模直接产生低重频、高稳定性的超快脉冲具有重要的研究意义。
图2. 915 nm低重频九字腔全保偏超快光纤激光器实验装置图。
针对上述问题，我们首次在915 nm波段实现了一种低重频九字腔全保偏超快光纤激光器，其结构如图2所示。为了获得高稳定性激光器，我们选择由无啁啾窄带光纤光栅和非线性放大环镜（NALM）构成的九字腔作为激光器结构，整个装置全部由保偏器件构成，具有~69.2 m的腔长。增益光纤不对称地放置在NALM中，以便在顺时针和逆时针传播的光之间产生非线性相移差，从而实现锁模。我们对种子源结构进行了详细的优化，并对其进行了一级功率放大，以在低重频下获得更高能量的单脉冲输出。
图3. 增益光纤两侧不同光纤长度差和不同输出耦合比下的激光器结构。
种子源的优化过程如图3所示，我们分别研究了增益光纤两侧无源光纤长度差和腔内耦合器的输出耦合比对输出功率的影响。实验结果表明，增加输出耦合比不仅可以直接增大输出功率，而且可以减小NALM中的非线性相移差(由于非线性相移是由强度乘以光纤长度决定的，因此修改长度差有助于增加脉冲功率，以达到单脉冲操作的非线性相移差)，能够更有效地提升输出功率，而改变光纤长度差只能达到后者的效果。我们将优化后的种子源（Configuration #3）通过915/1064 nm 波分复用器（WDM）以滤除1064 nm处的ASE，接着对其进行一级放大。最终，在915 nm处成功获得了重频为3 MHz，单脉冲能量为4.65 nJ，脉冲宽度为15.2 ps的单脉冲输出。激光器的锁模性能已通过长时间的功率和光谱稳定性测试得到证实，如图4所示。这种紧凑且长期可靠的光纤激光器是未来空间激光测距中一种很有前景的光源。
图4. 输出功率和光谱的长时间稳定性测试及脉冲在频域和时域的输出特性。
该工作近期以“Low repetition rate 915 nm figure-9 ultrafast laser with all-fiber structure”为题发表于Optics Express [3]。
https://doi.org/10.1364/OE.519109
[1] R. F. Pierret, Semiconductor Device fundamentals, (Addison Wesley,1996), pp. 351.
[2] Y. Liang, J. Huang, M. Ren, et al., “1550-nm time-of-flight ranging system employing laser with multiple repetition rates for reducing the range ambiguity,” Opt. Express 22, 4662 (2014).
[3] Xin Li et al, Opt. Express 32, 11271 (2024)
