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波长可调谐锁模脉冲光纤激光器因其脉冲宽度窄、峰值功率高、频谱范围宽、简洁紧凑、高效散热等优点，在激光光谱学、光学测量、生物医学、电信等领域[1-3]有着广泛的应用。近年来，由于光参量振荡器和光参量放大器等领域的快速发展，可调谐超短脉冲激光器也可作为小型、经济有效的种子源用于产生大能量可调谐的超短脉冲。因此，对可调谐脉冲光纤激光器的研究具有重要的意义。
迄今为止，有多种实现可调谐脉冲输出的方式。利用啁啾光纤光栅、相移长周期光纤光栅、体布喇格光栅[4-6]的调谐特性，可以实现输出波长的稳定可调谐，但受到光栅器件的参量限制，调谐范围一般较小，且体布喇格光栅为空间元件，不利于实现全光纤化结构；利用可调谐带通滤波器，也可以实现输出波长的调谐[7-10]，商业化的可调谐滤波器具有很好的环境稳定性，但成本较高。也有利用马赫-曾德尔干涉仪、声光可调滤波器[11]及Sagnac环滤波器[12]等实现可调谐激光输出的，但上述方法系统结构复杂、成本较高，并不利于激光器的全光纤结构。此外，通过控制谐振腔内的偏振态以影响腔内双折射[13-19]，进而产生双折射滤波效应，也可实现输出波长的调谐，但该种方法环境稳定性较差。
本文中搭建了基于半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)的可调谐被动锁模掺镱光纤激光器，腔内无波长可调谐器件及偏振控制器，这在一定程度上节约了成本。通过改变光纤跳线端面至SESAM的距离，实现了输出波长的稳定可调谐(1029.5nm~1042.7nm)，调谐范围13.2nm，锁模脉冲基频18.0MHz，脉宽130ps，信噪比44dB。
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图 1为基于SESAM的可调谐被动锁模掺镱光纤激光器的装置图。可调谐光纤激光器采用环形腔结构，由高掺杂浓度掺镱光纤(ytterbium-doped fiber, YDF)、波分复用器(wavelength division multiplexing, WDM)、隔离器(isolator, ISO)、环形器(circulator)、SESAM、输出耦合器组成。抽运源是中心波长为976nm、最大输出功率为550mW的半导体激光器，抽运光经波分复用器耦合进增益光纤，增益光纤对抽运光的吸收系数为250dB/m，模场直径为7.5μm，色散系数为22.513ps2/km，长度为120cm。其它光纤均为普通单模光纤(HI1060)，色散系数为24.539ps2/km。SESAM的调制深度为18%，饱和通量为30μJ/cm2，非饱和损耗为10%。其中半导体可饱和吸收镜是实现锁模脉冲输出的核心器件，其吸收特性是光强越弱的部分吸收越多，光强越强的部分吸收越少，这样光脉冲通过半导体可饱和吸收镜时，中央高强度部分几乎没有损耗而周围低强度部分则损耗很大，从而使得脉冲窄化，实现锁模脉冲输出。输出耦合器的80%端反馈回腔内，20%端输出。整个光纤激光器采用全光纤结构，总腔长12m。腔内净色散为0.287ps2。
Figure 1. Experimental device diagram of Yb-doped fiber laser with ring cavity
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抽运功率从零逐渐增大，抽运功率为96mW时，实现了脉冲簇输出。当抽运功率增加到108mW时，形成了稳定的锁模脉冲输出，且锁模脉冲在50μs范围内很稳定，基频锁模重频为18.0MHz，与腔长相匹配。利用带宽为8GHz高速示波器测得锁模脉冲宽度为130ps。图 2a和图 2b分别为锁模脉冲序列图及单脉冲图。当抽运功率增加到168mW时，锁模脉冲变得不稳定，随后演化为稳定的2阶谐波锁模脉冲。
Figure 2. a—mode-locked pulse sequence diagram b—single pulse diagram
图 3为可调谐锁模光纤激光器的输出光谱图。在腔内无偏振控制器及可调谐器件的前提下，当抽运功率增加到145mW时，通过改变光纤跳线端面至SESAM的距离，实现了输出波长在1029.5nm~1042.7nm之间的稳定可调谐，调谐范围为13.2nm。实验中所用的光谱仪为YOKOGAWA AQ6373-10-H，测量分辨率为0.02nm。
Figure 3. Output spectrum of tunable mode-locked fiber laser (tuning range of 11.2nm)
实验过程中，利用圆形光纤接头/微凸球面研磨抛光(ferrule connector/physical connection, FC/PC)跳线接头将SESAM接入环形腔中，通过改变FC/PC光纤端面距SESAM的距离，可获得调谐范围内不同波段的波长输出。随着光纤端面距SESAM的距离从5mm减小到零，锁模阈值从120mW降低至108mW，输出波长向1029nm短波长方向移动，这是增益与损耗共同作用的结果。此外，波长为1036nm时，随着抽运功率从108mW增加到166mW，锁模脉冲的脉宽从132ps展宽到192ps，谱宽从1.24nm增加到2.07nm，如图 4所示。这主要是因为全正色散锁模激光腔中，随着抽运功率的增加，腔内功率增加，自相位调制效应增强，这就导致了光谱的展宽，同时在全正色散系统中，随着光脉冲在光纤中的不断传输，也会导致脉冲展宽。
Figure 4. Changes of spectral width and pulse width with pump power
图 5是输出功率随抽运功率的变化关系。可见输出功率随抽运功率的增加呈线性增加，最大输出功率为1.13mW。斜率效率低主要是由于腔内损耗过大和输出耦合比导致，后期作者会对腔进行优化以获得更大的斜率效率及输出功率。
Figure 5. Relationship between pump power and output power
图 6为锁模脉冲的频谱图。锁模脉冲的信噪比为44dB, 实验中所用频谱分析仪为安捷伦的E4407B，测量范围为9kHz~26.5GHz，测量分辨率采用10kHz。
Figure 6. Frequency spectrum of mode-locked pulse
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搭建了基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的环形腔可调谐掺镱光纤激光器，获得了稳定的锁模脉冲输出，重复频率为18.0MHz，脉冲宽度为130ps，在腔内无偏振控制器及可调谐器件的前提下，通过改变FC/PC光纤端面距SESAM的距离，实现输出波长在1029.5nm~1042.7nm之间稳定可调谐，调谐范围13.2nm，锁模脉冲信噪比为44dB，这种实现可调谐输出的方式节约器件成本，有很重要的研究意义。
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