從8字形全保偏飛秒摻鉺光纖雷射的剔除埠擷取雷射脈衝

摘要：這篇技術論文介紹創新8 字形全保偏飛秒摻鉺光纖雷射的輸出耦合方法，在8 字形雷射腔的單一
方向環中使用偏極分光鏡以及法拉第旋轉器，我們可以從全保偏摻鉺光纖雷射的剔除埠擷取雷射脈衝輸
出到雷射腔外，回收利用了傳統8 字形雷射中被浪費掉的雷射能源，從重複率112 MHz 的摻鉺光纖雷射
振盪器中，可以輸出23 mW 的平均功率，這是利用NOLM/NALM 技術鎖模的全保偏光纖雷射所報導過
最高的輸出功率。

Abstract：This paper proposes an innovative output coupling method for all-PM figure-8 femtosecond fiber laser. In the unidirectional loop of a figure-8 fiber laser, a polarization beam splitter and a Farady rotator is used to extract the laser pulses from the rejection port. The wasted pulse energy produced by traditional figure-8 fiber laser can be saved. An average power of 23 mW is obtained from the fiber laser oscillator with a repetition rate of 112 MHz, which is the highest output power ever recorded through the use of NOLM/NALM mode-locked fiber laser.

關鍵詞：飛秒雷射、光纖雷射、非線性光學環路鏡
Keywords：Femtosecond laser, Fiber laser, Non-linear optical loop mirror

前言
飛秒光纖雷射已經被廣泛應用在各個領域如：機械加工、眼科近視矯正手術、生醫影像、光頻率量測以及許多的科學研究上。要讓光纖雷射鎖模產生飛秒雷射脈衝，主要有幾種鎖模機制，第一是實體的飽和吸收體如:半導體飽和吸收鏡(Semiconductor saturable Absorber Mirror, SESAM)、奈米碳管、石墨烯或是其它二維介質。除了SESAM已經廣泛應用在商用雷射外，其它的飽和吸收體還常僅見於研究論文中使用，但SESAM容易受到高功率雷射的破壞[1]，需要有高度的know-how才能克服這個障礙；第二是非線性偏極演化或旋轉（Non-linear Polarization Evolution/Rotation, NPE/NPR）[2]，傳統的NPE/NPR鎖模雷射以非保偏光纖為架構，光纖折射係數易受環境影響產生變化，進而影響雷射偏極造成鎖模失效，因此這類雷射一直侷限在研究實驗室中使用。近年來已有研究群將NPE鎖模技術應用在全保偏光纖上[3,4]，但因為雷射脈衝需要一分為二在保偏光纖的兩個不同軸向上傳遞，然後再疊加在一起，有如干涉儀的架構，需要維持兩個路徑的穩定等長才能確保鎖模的穩定，目前還無法完全不受外在環境的影響，仍有很大改進的空間；第三是利用非線性光學環路鏡（Nonlinear Cptical Loop Mirror, NOLM）或是非線性放大環路鏡（Nonlinear Amplification Loop Mirror, NALM）來鎖模[5]，這類雷射早期也是以非保偏光纖來製作，也如同NPE鎖模雷射一樣，一直侷限在研究實驗室中使用。不過，全保偏光纖NOLM/NALM雷射近年來已經被研發出來，它擁有低雜訊以及不受環境變化影響的鎖模效果，已經吸引了很多研究群的積極研發[6-15]。
NOLM/NALM 機制鎖模的光纖雷射是由兩個環路所構成，其中一個環路可以雙向傳遞雷射光，形成一個所謂的薩尼亞克(Sagnac)環路，另外一個環路則只能單向傳遞雷射光，兩個環路由光纖耦合器連結在一起呈現一個8字形，因此也被稱為8字形雷射；光纖耦合器的分光比例可以是等比例50/50(常用於NALM)或是不同的比例（用於NOLM），利用薩尼亞克環路中兩個方向傳遞的雷射因為強度的不同得到不同的非線性相位，使得穿透薩尼亞克環路的強度是非線性效應的函數，在8字形雷射中，強光比弱光有更好的穿透的比例，因此有利於脈衝雷射的形成。早期的8字形雷射是由非保偏光纖所構成，為了使雷射能在雷射腔內周而復始的運行，腔內需要有偏極控制器來控制雷射的偏極，但是非保偏光纖容易受到外在環境的干擾而改變其折射係數，因而影響雷射的偏極，因此可能造成鎖模失效。偏極控制器也會影響非保偏光纖耦合器的分光比例，這也是影響啟動鎖模的一個因子。
J. Nicholson首先利用全保偏光纖來架構8字形鎖模光纖雷射[6]，但是無法自啟動鎖模，因此需要在雷射腔內使用電光調制器來協助啟動鎖模，主要的原因是因為在8字形雷射中，從單一環路入射到薩尼亞克環路（使用50/50耦合器）的微弱雷射光會100%被反射回去，因此無法形成夠強的雷射起振以啟動鎖模。為了克服8字形的這個弱點，Hong Lin等人於1994年發表了在薩尼亞克環路中加入非互逆相位偏移器（Non-reciprocal Phase Shifter, NRPS）來輔助啟動鎖模[16]，NRPS可以讓薩尼亞克環路中的兩個不同方向傳遞的雷射光得到不同的線性相位，因此改變了弱光的穿透薩尼亞克環路比例，可以先有連續波（Continuous Wave, CW）雷射在腔內形成，降低了自啟動鎖模的困難度。當初這個構想還是應用在非保偏光纖上，德國的MenloSystems公司首先將這個概念應用在NALM鎖模的全保偏光纖雷射上面[7]，但是他們不是使用8-字形雷射，而是所謂的9字形雷射，並將9字形雷射註冊成為該公司的註冊商標，他們的NRPS也不是放在環路上，而是放在線性段的路徑上。現在NRPS已經成為NOLM/NALM鎖模雷射的必備元件，也出現不同的雷射腔架構[13-15]。
全保偏的NOLM/NALM鎖模光纖雷射雖然提供了對環境穩定的鎖模成效，但是目前文獻所發表的NOLM/NALM鎖模雷射的功率都只有幾個mW左右，MenloSystems公司的產品規格也不超過15 mW[17]。在這篇研究中，我們發表一種創新的雷射輸出方式，可以從8字形鎖模光纖雷射中擷取出更高的雷射功率，這個創新構想源自於NPE/NPR鎖模光纖雷射從剔除埠(Rejection Port)得到更高功率的啟發，我們在8-字形光纖雷射的的單一方向環路中不是使用光隔離器，而是使用偏極分光鏡與法拉第旋轉器（Faraday Rotator, FR）的方式，這樣的架構讓我們可以形成單一方向環路，又可以從偏極分光鏡中將剔除埠的雷射光輸出到雷射腔外以供利用。以下的章節為各位介紹我們的實驗架構及實驗結果。
實驗架構 
圖1是可以從剔除埠輸出雷射脈衝的8-字形全保偏光纖雷射的架構，腔內所有的主、被動光纖都是保偏光纖，保偏光纖的慢軸對準熔接在一起。8-字形雷射由50/50的光纖耦合器連結非線性放大環路以及單一方向環路所構成，光纖耦合器的快軸是被阻擋不通光的。在NALM環路中，使用了41公分長的高濃度的保偏摻鉺光纖（吸收80 dB/m@1530 nm），並且經由分波多工元件（WDM）將980 nm泵浦雷射耦合到摻鉺光纖中，形成一個光纖放大器，這個光纖放大器盡可能的靠近光纖耦合器的一端。在NALM環路中也使用了由兩個法拉第旋轉器和一個四分之一波片組成NRPS，法拉第旋轉器可以旋轉雷射單次通過的偏極45度，在NALM環路中，順時針和反時針方向的雷射光經過一個法拉第旋轉器之後，來到四分之一波片時，他們的偏極是互相垂直的，四分之一波片的快軸與慢軸也分別對準這兩個偏極（四分之一波片先經由偏極量測儀來對準雷射偏極），因此順時針和反時針方向的雷射光經過四分之一波片之後會得到/2的相位差，經過第二個法拉第旋轉器之後，順時針和反時針的雷射光的偏極又會被旋轉到對準保偏光纖的慢軸，之後在光纖耦合器中形成干涉，如果沒有NRPS，弱光會從入射方向100%反射回去，加入了四分之一波片的NRPS之後，反射率變成了50%，穿透率也從0變成50%。

圖1 8字形全保偏飛秒光纖雷射的架構圖