用大模场光子晶体光纤获得高功率飞秒激光

最近许多实验结果表明掺Yb光纤在提高输出功率方面还有很大潜力,而且由于大模面积光子晶体光纤的使用,飞秒光纤激光器的输出已经可以与传统飞秒固体激光器相比拟。报道了利用掺Yb的保偏型大模面积光子晶体光纤进行锁模和放大方面取得的实验结果,光子晶体光纤振荡级输出重复频率为51 MHz,脉冲宽度为450 fs,平均功率为2 W的飞秒激光,对应单脉冲能量40 nJ;同时利用国产双包层大模面积光纤进行了放大实验,在平均功率为毫瓦量级的种子光脉冲输入情况下,获得了103增益。     

基于光子晶体光纤放大系统的皮秒方波产生

在光子晶体光纤飞秒激光放大系统中,利用液晶空间光调制器的调制特性,实现了对超短激光脉冲实时、可控的脉冲振幅整形,分析了大线性啁啾方波脉冲在放大过程中的频域和时域形状随泵浦功率的变化规律,在此基础上,通过液晶空间光调制器对主放大器前的脉冲频谱形状进行了预先调整,放大后获得了中心波长为1 031 nm,光谱宽度为13 nm,脉宽为15 ps的方波脉冲,证实了采用光谱优化后的飞秒脉冲作种子,可以较好地克服光子晶体光纤放大器增益不均引起的频谱形状的变化。     

高功率飞秒脉冲光纤激光器的研究进展

啁啾脉冲放大技术是高功率飞秒脉冲光纤激光器采用的主流技术,但如果对激光系统中非线性效应和色散补偿控制不好,脉冲将会发生畸变,影响脉冲的进一步压缩和峰值功率的提高.以这些问题的解决为主线,介绍了近年来在高功率飞秒脉冲研制上所取得的进展,指出以光子晶体光纤等为基础的新型激光功能器件的出现,为啁啾脉冲放大技术提供了新的解决方案.     

高平均功率超短脉冲激光光纤放大研究进展

超短脉冲激光在生物医学、激光微加工、国防等领域有重要的应用.随着双包层光纤激光技术的发展,基于双包层光纤或光子晶体光纤(PCF)的超短脉冲激光光纤放大技术由于在体积、效率、光束质量等方面的优势,倍受关注.主要报道国内外皮秒和飞秒级超短脉冲激光光纤放大的最新进展,介绍其在微加工、超连续谱产生和太赫兹波产生方面的典型应用.     

高峰值功率光纤脉冲激光系统

报道了一种基于大模场光子晶体光纤放大的高峰值功率飞秒脉冲激光系统。该激光器系统采用光纤啁啾脉冲放大结构,种子源采用重复频率为40 MHz,脉冲宽度为500fs,输出功率为10mW的光纤激光器。利用体布拉格光栅(VBG)将脉冲展宽至500ps,经过多级放大并利用声光调制器降频为500kHz,然后采用大模场纤芯直径为40μm和85μm光子晶体光纤作为功率放大器,最后采用VBG压缩脉宽至767fs,得到平均功率为104 W的激光输出,其中心波长为1030nm,实现了峰值功率为0.271GW的近衍射极限激光功率输出。     

高功率飞秒脉冲光纤激光系统

基础科学研究和超精细工业加工领域的发展迫切需要高重复频率、高功率的飞秒脉冲激光。采用啁啾脉冲放大技术,以掺镱双包层光子晶体光纤作为增益介质,搭建了高平均功率飞秒脉冲光纤激光系统。系统包括被动锁模振荡器、脉冲展宽器、单模光纤预放大器、光子晶体光纤功率放大器和脉冲压缩器5部分。实验上获得了重复频率40 MHz、平均功率150 W、脉冲宽度273 fs的超短脉冲输出。整个系统置于3 m×1.5 m的光学平台上,通过模块化和集成化的改进,该系统体积有望大幅度减小,为科学研究和工业应用提供有力工具。     

百微焦飞秒光纤啁啾脉冲放大激光系统

报道了一套基于棒状光子晶体光纤放大器的高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大激光系统。该系统主要由锁模光纤振荡器、脉冲展宽器、脉冲选单单元、脉冲延时单元、掺镱光纤预放大器、棒状光子晶体光纤主放大器以及光栅压缩器组成。通过精细调节展宽器和压缩器中的光栅位置及入射角度优化系统的色散,当输出脉冲的重复频率为500 kHz时,获得了平均功率为51.5 W、单脉冲能量为103μJ、脉冲宽度为251.7 fs的高脉冲质量高稳定性的飞秒激光输出。在1 MHz的重复频率下,获得了平均功率为61.5 W、脉冲宽度为273 fs的高脉冲质量飞秒激光输出;使用偏硼酸钡(BBO)晶体进行非线性频率变换,获得了平均功率超过20 W的517 nm绿光激光输出。     

掺镱大模场光子晶体光纤研究进展（特邀）

掺镱大模场光子晶体光纤在高峰值功率超快激光放大器中有着重要的应用价值,其研究得到了广泛关注。首先简要介绍了国内外掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展,阐述了掺镱大模场光子晶体光纤的基本设计思路,对比说明了保偏型掺镱光子晶体光纤的设计制备方法。重点介绍了近十年来中国科学院上海光学精密机械研究所在掺镱大模场光子晶体光纤方面的研究进展。包括掺镱大模场光子晶体光纤的纤芯折射率大小和均匀性控制、光子晶体光纤微结构控制等关键技术。采用自主研制的四种芯径为40～100μm的掺镱大模场光子晶体光纤开展了皮秒脉冲激光放大实验。利用40μm芯径的保偏掺镱光子晶体光纤实现了平均功率为100 W、光束质量因子（M2）小于1.4的稳定输出,偏振消光比为12 dB。利用100μm芯径的保偏掺镱大模场光子晶体光纤实现了M2小于1.5的高光束质量脉冲放大。上述研究为掺镱大模场光子晶体光纤的国产化应用奠定了基础。     

光子晶体光纤在飞秒激光技术中的应用

简要介绍了光子晶体光纤的基本结构、导光机制和主要特性,系统综述了光子晶体光纤在锁模光纤激光器的色散补偿和偏振控制、飞秒激光脉冲的压缩、飞秒激光脉冲的光谱变换,以及飞秒激光器的频率转换等激光技术中的应用研究进展.     

百微焦级飞秒光纤激光放大系统

实验研究了基于掺Yb3+光纤的啁啾脉冲放大(CPA)系统。利用半导体可饱和吸收体锁模光纤激光器作为种子源,采用啁啾脉冲放大技术,将波长为1030 nm的脉冲展宽到数百皮秒进行放大。采用多级的掺镱单模光纤和双包层光纤组成预放大器,主放大器采用大模场的掺镱棒状光子晶体光纤作为激光工作物质,实现了重复频率为211 k Hz,功率为50 W的单模皮秒脉冲输出。通过合理地控制放大系统中每一级光纤放大器的增益以及非线性积累量,有效抑制了高能脉冲放大过程中非线性效应对脉冲时域特性的影响。采用反射式光栅对,对输出的放大脉冲进行压缩,最终获得了脉宽为887 fs的激光输出,单脉冲能量达到124μJ,对应峰值功率为139.8 MW,该实验结果为国内首次报道基于光纤结构的百微焦级飞秒激光系统。     

封面解读

正本封面体现了啁啾脉冲放大技术的基本原理。种子源输出的飞秒量级脉冲通过光栅基脉冲展宽器进行时域展宽获得纳秒量级的脉冲输出。通过光纤预放大器及大模场面积的光子晶体光纤(亮黄色)主放大器逐步提升激光器的平均功率。采用光栅基脉冲压缩器将激光器的脉宽重新压缩至飞秒量级。图中以"彩虹"包络的宽度和强度近似表示啁啾脉冲的时域宽度和峰值功率。     

39fs,16W全光子晶体光纤飞秒激光系统

实验研究了高平均功率输出的光子晶体光纤飞秒激光系统。系统中振荡器和放大器均使用保偏型掺Yb3 双包层大模场面积光子晶体光纤(LMA-PCF)为增益介质,具有极低非线性系数、很高的增益系数,并能保证很好的环境稳定性。系统研究了种子光功率、脉冲宽度、脉冲啁啾和放大器抽运光功率等参数对系统输出飞秒激光脉冲宽度的影响。在输入种子光平均功率为180mW,放大器抽运功率为40W时,获得平均功率16W输出(对应单脉冲能量320nJ),脉冲宽度压缩到39fs。     

高峰值功率皮秒脉冲棒状光子晶体光纤放大器

高峰值功率的超短脉冲激光器在激光精细微加工等领域具有重要应用价值。以超大模场光纤为增益介质对超短脉冲激光进行功率放大,是实现高光束质量、高峰值功率超短脉冲激光输出的有效技术手段。以脉冲宽度、重复频率可调的1030nm锁模光纤激光器为种子光源,通过多级全光纤功率预放大和以超大模场棒状光子晶体光纤(PCF)为增益介质的功率放大器,搭建了高峰值功率皮秒脉冲光子晶体光纤放大器系统。实验研究了棒状PCF放大器的输出特性,在脉冲宽度为30ps时实现了峰值功率为2.94 MW的近衍射极限激光放大输出。     

基于LBO的高功率飞秒绿光抽运的光学参量振荡器

三硼酸锂(LBO)具有良好的非线性光学特性和极其稳定的物化性能,其色散量对晶体温度变化敏感,是可实现非临界相位匹配的优良的非线性光学晶体。报道了高功率绿光飞秒激光同步抽运以三硼酸锂(LBO)为非线性晶体的单共振光学参量振荡器(OPO)。抽运源为高平均功率大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器放大级的输出飞秒光的锁模倍频激光,通过调节晶体温度,采用非临界相位匹配方式,获得了红光至近红外光可调谐的高功率飞秒激光,OPO的信号光调谐范围为670~880nm,相应闲频光在2320~1270nm范围内可调。在3.4W抽运功率下,中心波长为694nm的信号光输出获得最高平均功率为660mW,脉冲宽度为132fs,转换效率为19.4%。     

光子晶体光纤中飞秒激光脉冲传输的研究

为更精细地描绘飞秒光脉冲在光子晶体光纤中的传输和演化,在用分步傅里叶方法求解广义非线性薛定谔方程的基础上,详细考虑光纤参数随脉冲峰值频移的变化,模拟了飞秒光脉冲在光子晶体光纤中传输和演化的过程。研究发现,光纤色散和强非线性对飞秒脉冲在光子晶体光纤中传输、演化以及超连续谱的展宽有很大影响。     

耗散孤子脉冲的放大和超连续光谱的产生

研究了耗散孤子的放大和非线性展宽的动力学过程,成功研制了一种紧凑型高相干性的全光纤超连续光谱源。种子源为工作在全正色散域的耗散型全光纤锁模激光器,采用了非线性偏振旋转锁模技术,输出的耗散孤子脉冲宽度为5.18ps,重复频率为24MHz。种子光脉冲经过15m双包层掺镱光纤放大后,耦合到长度为10m的光子晶体光纤中,产生了超过一个倍频程的超连续光谱(550~1750nm),最大输出功率为700mW。系统研究了耗散孤子的放大过程以及光子晶体光纤反常色散区产生超连续谱的动力学过程和机理。     

光子晶体光纤飞秒激光放大器抽运方式的研究

对不同抽运方式下光子晶体光纤飞秒脉冲放大器中的脉冲演变过程进行了数值模拟和实验验证。在数值模拟上,采用了速率方程和非线性薛定谔方程相结合的理论模型;该模型考虑到端面抽运引起光纤中的非均匀增益分布、群速度色散和自相位调制三者之间的相互作用。模拟结果表明,相比于前向抽运放大方式,采用背向抽运放大方式不仅输出功率高,而且放大脉冲具有更窄的时域和光谱宽度,即较小的时间带宽积和更少的非线性积累。在验证实验上,搭建了基于前向和背向抽运方式的光子晶体光纤飞秒激光放大器;获得的实验结果与数值模拟结论一致,并对放大脉冲演变过程的物理机制进行了讨论。     

百皮秒激光脉冲的全光纤放大及应用

为了得到高单脉冲能量的百皮秒激光脉冲,采用自制的被动锁模掺镱光纤激光器获得了100ps的激光脉冲输出,在此基础上采用两级全光纤结构主振荡功率放大器进行功率放大,其中预放大级采用7m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,得到平均功率160mW的稳定脉冲输出;主放大级采用20m纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质,在抽运功率逐步增加到35.37W时,输出功率达到了16.60W,相应的单脉冲能量为1.63J,峰值功率为16.61kW。此外,主放大级输出的激光通过自制的模场转换器与光子晶体光纤(纤芯4.6m)成功熔接,得到了2.85W的白光超连续光谱,光谱波长覆盖了600nm~1700nm的检测范围。结果表明,此激光可用于超连续谱光源的产生。     

光子晶体光纤参量放大的理论模拟

光子晶体光纤具有高非线性系数和非常灵活的色散特性，通过调节光子晶体光纤的结构参量，可在具有高非线性系数的同时对光子晶体光纤的零色散波长(λ0)进行调节。利用光子晶体光纤的这些特性可实现在所需波长上的高效率的参量放大。本文采用厄密-高斯函数展开的方法，计算了六角形光子晶体光纤(HF)的零色散波长，发现当气孔间距在1．1μm和2．6μm之间时，光子晶体光纤的零色散波长在1．55μm附近，并给出了零色散波长时气孔间距和气孔大小的关系曲线。对光子晶体光纤中的参量放大(OPA)进行了理论模拟，计算表明在20m光子晶体光纤中，当峰值功率为10W时，参量放大的增益可达60dB，或可获得300nm增益带宽。     

基于准相位匹配的掺铒飞秒光纤激光器倍频特性研究

研究了不同厚度周期极化铌酸锂晶体(PPLN)对掺铒飞秒光纤激光器倍频特性的影响。基于非线性偏振旋转锁模原理和啁啾脉冲放大技术,在1560 nm波段实现了重复频率为100 MHz,输出功率为423 m W,脉冲宽度为80 fs的掺铒飞秒光纤激光输出。以此为基频光源,对0.5,1,10 mm三种不同厚度PPLN倍频晶体进行倍频特性研究,实现了波长在780 nm的飞秒激光输出。其中采用0.5 mm晶体时获得了功率为100.4 m W、脉冲宽度为104 fs的倍频光输出,倍频转换效率为23.7%;采用1 mm晶体时获得了功率为165.0 m W、脉冲宽度为161 fs的倍频输出,倍频转换效率为39%;采用10 mm晶体时获得了功率为185.5 m W,脉冲宽度为305 fs的倍频光输出,倍频转换效率达43.7%。并解释了倍频转换效率和倍频光脉冲宽度随PPLN晶体厚度的变化规律。实验数据为基于锁模光纤激光器产生780 nm波段飞秒光脉冲的研究提供了有益的参考。