北京大学飞秒光纤激光器研究新进展

超短脉冲激光器从20世纪80年代开始,经历了从染料到固体飞秒激光器的发展,开辟了科学和工业应用的新时代.但昂贵的价格,庞大的体积,对环境的稳定性差等缺陷阻碍了其应用.探索新机理,突破现有飞秒激光局限,研制新一代飞秒激光成为世界范围内的热门课题.自20世纪90年代初,光纤激光器利用半导体激光器抽运,具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点,逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者[1].早期的飞秒光纤激光器,采用掺铒的通信光纤,工作波长1550 nm,普通单模光纤色散为负,能提供与自相位调制对应的啁啾补偿,于是孤子锁模和展宽脉冲锁模就成为主流机制.     

氧化石墨烯锁模飞秒掺铒光纤激光器

被动锁模超短脉冲掺铒光纤激光器由于结构紧凑、性能稳定、光束质量好以及人眼安全等特性,被广泛应用于光纤通信、光电传感、生物医学以及材料加工等众多领域。本课题组实现了新型可饱和吸收材料——氧化石墨烯被动锁模的飞秒掺铒光纤激光器。近年来,石墨烯由于其独特的非线性光学特性以及价格低廉、制备简单等优势成为超短脉冲激光     

非线性光纤环形镜掺铒光纤激光器的实验研究

为了研究掺铒光纤激光器超短脉冲的产生,采用增益平坦型掺铒光纤放大器、两个偏振控制器以及3个耦合器,利用非线性光纤环形镜加成脉冲锁模技术,通过改变偏振控制器的方向,获得最大输出功率为0.6mW的脉冲输出,对应的光谱宽度9nm、中心波长1561nm、脉冲宽度434ps、脉冲的重复频率为1.1MHz.该脉冲经过掺铒光纤放大器放大后,最大输出功率为10.8mW.放大后锁模脉冲的中心波长保持不变、光谱带宽稍有变窄、输出功率明显增大、脉冲宽度展宽为495ps.实验结果表明,采用商用的掺铒光纤放大器可实现结构简单、调节方便的掺铒光纤激光器超短脉冲输出,且掺铒光纤激光器可以实现自启动,并长时间稳定锁模工作.     

基于增益开关技术的全光纤结构纳秒脉冲掺铥光纤激光器

工作在2μm波段的脉冲掺铥光纤激光器,可望在遥感探测、相干雷达、空间光通信、激光医疗和特种材料加工等领域获得重要应用。目前,利用波长在1.55μm附近的脉冲掺铒光纤激光器作泵浦源的增益开关掺铥光纤激光器是实现全光纤结构纳秒脉冲掺铥光纤激光器的理想方式之一。采用实验研发的纳秒脉冲掺铒激光器作种子源,研制了全光纤MOPA(masteroscillator power amplifier)结构的纳秒脉冲掺铒光纤激光器,输出波长1 547 nm,脉冲频率100 kHz,脉冲宽度50 ns,平均功率1 W,单脉冲能量10μJ。使用该脉冲掺铒光纤激光器抽运掺铥光纤,实现了波长1 963 nm的增益开关脉冲激光输出。该掺铥光纤激光器为全光纤结构,重复频率100 kHz,最小脉宽47 ns,最大单脉冲能量100 nJ。激光输出稳定可靠,更高的单脉冲能量,平均功率和峰值功率可由进一步级联光纤放大器实现。     

稀土离子掺杂飞秒光纤激光器最新进展

光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤激光器和基于稀土离子受激辐射的掺杂光纤激光器。按照掺杂元素的不同,光纤激光器可以分为掺镱、掺铒、掺铥和掺镨等光纤激光器。针对稀土掺杂飞秒光纤激光器的最新研究进展进行了分析和总结,并给出了各种飞秒光纤激光器的优缺点和未来需要解决的问题,为稀土掺杂飞秒光纤激光器的优化设计提供参考。     

利用非线性偏振旋转锁模技术产生0.7nJ, 1.5ps光脉冲

为了研究锁模光纤激光器以增益平坦型掺铒光纤放大器作为增益介质对输出特性的影响,采用增益平坦型掺铒光纤放大器结合光纤偏振控制器、偏振相关光隔离器组成锁模光纤激光器,基于非线性偏振旋转锁模技术,实现稳定、自起振锁模运转,得到了中心波长1560nm、重复频率6.495MHz、单脉冲能量0.7nJ、脉宽1.5ps的超短光脉冲。同时实验观察到峰值波长为1557nm和1570nm的双峰值波长锁模脉冲的产生。结果表明,采用增益平坦型掺铒光纤放大器替代普通掺铒光纤组成锁模光纤激光器,可获得较高单脉冲能量的超短光脉冲,锁模脉冲的输出光谱可能出现双峰结构,从而可为超短脉冲光纤激光器设计及实用化提供参考。     

光学领域研究的新突破

1.首次实现用掺铒光纤激光器直接泵浦光参量振荡器英国Southampton光电研究中心的研究人员用波长1.55μm的掺铒光纤激光器直接泵浦光学参量振荡器,该振荡器是用具有周期性电极的铅酸锂晶体作为非线性介质.掺铒光纤有一个较大的有效芯面积(600μm~2),并工作在单模状态,这是因为精心地控制掺稀土元素,所以可以产生高能量脉冲.用声光布喇格元件实现激光器的Q开关.铌酸锂晶体有5个周期为32.4～33.2     

807nm半导体激光泵浦的掺铒光纤放大器的进展

根据用Coherent 899-29钛宝石激光器在800nm泵浦带选择掺铒光纤放大器最佳泵浦波长和获得高达35dB增益的研究结果,最近我们利用Sharp LT 017 MD型单模半导体激光器(P=40mW,λ_D=807nm)整形、准直后作泵浦光源,以中国建材院石英所研制的低损耗掺铒石英单模光纤作放大介质。光纤芯径4.9μm,数值孔径0.22,长度5.8m。采用工作波长为1.536μm的分布反馈激光器作信号源,信号光和泵浦光通过光纤方向耦合器合波到掺铒光纤     

78fs全光纤环形腔被动锁模飞秒激光器

为满足全光采样系统对低时域抖动、窄脉冲宽度和高重复频率飞秒光纤激光器的需求,结合数值仿真,在实验的基础上利用非线性偏振旋转锁模原理,初步实现了自由运转被动锁模掺铒飞秒光纤激光器,激光器锁模输出脉冲的基本重复频率为6.028 MHz,平均输出功率为1.07mW,中心波长为l 570.3 nm,光谱宽度为33.2 nm,理...     

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。     

C+L波段掺铒光纤被动锁模激光器

提出并证明了一种宽光谱被动锁模掺铒光纤激光器,为光学频率梳和光纤飞秒脉冲的产生奠定了基础。该激光器基于非线性偏振旋转的锁模机理,同时在大的正常色散区合理地将C波段和L波段掺铒光纤结合,确保激光器具有C+L波段的增益谱覆盖。当泵浦功率为350mW时,脉冲稳定的以基频4.32MHz运转,3dB带宽为60nm,20dB覆盖了1522~1630nm,实现了增益带宽内光谱的完全覆盖。这种利用增益拼接加宽光谱的方法可以有效避免光谱成分的非线性相位噪声,并且有利于进一步压窄脉冲。     

混沌控制双环掺铒光纤激光器的不稳定性输出

研究了双环掺铒光纤激光器的混沌控制问题,采用线性反馈控制对双环掺铒光纤激光器混沌系统进行了稳定控制,得到了双环掺铒光纤激光器具有稳定输出的充要条件.通过控制使双环掺铒光纤激光器不再有超混沌现象,并使双环掺铒光纤激光器系统具有任意所希望的稳定输出.     

主动锁模飞秒光纤激光器

报道了主动锁模飞秒脉冲掺Er3 光纤激光器的实验结果。在光纤环形腔中通过引入粗波分复用器(CWDM)作为宽带滤波器,实现了中心波长在1550 nm,重复频率为2.5 GHz,谱线3 dB带宽为10.2 nm(对应的脉冲宽度为247 fs)的激光脉冲输出。此时的抽运功率为186 mW,激光器输出平均功率为1.3 mW,从而获得了能够产生飞秒脉冲的高重复频率主动锁模掺Er3 光纤激光器。     

光纤中超连续脉冲的频谱展宽

为了产生高重复频率的多波长短光脉冲,利用锁模掺铒光纤激光器作为抽运光源,对色散位移光纤中的超连续脉冲进行了实验研究,成功实现了输出脉冲的频谱展宽.实验也发现,制约这个实验结果的主要因素是光纤激光器的输出脉冲的稳定性不够和功率不高.     

环形腔掺铒光纤激光器的理论研究

从基本激光理论出发,建立了掺铒光纤激光器的传播方程.掺铒光纤在1550 nm波长处具有很高的增益,正对应低损耗通信窗口,具有潜在的应用价值,抽运光模强度分布与纤芯铒离子分布的重叠积分因子是对激光器非常重要的参数,将对光纤的模式进行分析,根据各个模式的模场来判断该模式是否与纤芯铒离子分布有重叠,研究了与介质吸收截面有关的重霍积分的影响因素;对放大自发辐射(ASE)噪声特性进行理论分析,给出增益、阈值功率和斜率效率等的解析形式,建立输出特性计算模型.针对这种环形腔掺铒光纤激光器,编写专门的计算程序,在输出特性等方面进行理论计算仿真,对该结构布局所带来的影响进行详细分析讨论.     

基于反抛物线型光纤的TE_(01)和TM_(01)模式输出激光器

提出一种反抛物线型掺铒光纤,该光纤可以实现二阶模式组中简并矢量模式的有效分离。将其作为光纤激光器的增益介质,采用数值方法分析光纤中铒离子掺杂分布、铒离子掺杂浓度、光纤长度和抽运光功率对掺铒光纤激光器输出模式的影响。通过在光纤不同环形区域内掺杂铒离子,可以实现TE_(01)模式或TM_(01)模式的单独输出,并且激光器的斜率效率分别高达67.4%和63.5%,输出模式纯度分别高达99.97%和99.99%。所提的基于反抛物线型掺铒光纤的激光器具有斜率效率高、输出模式纯度高的优势,该光纤激光器可应用于高功率激光器、光纤通信和光纤传感等领域。     

Figure-9腔锁模全保偏掺铒光纤飞秒激光器

针对特殊应用领域对高可靠性、轻量化、输出功率大于100 m W、重频大于50 MHz的飞秒激光器的需求，设计了一种Fi gur e-9腔锁模全保偏掺铒光纤飞秒激光器，通过在腔锁模振荡器中引入π/2相移偏置，降低了振荡器的自启动锁模阈值。实验结果表明：当泵浦功率为130 m W时，振荡器可获得平均功率为12 m W、重频为85.89 MHz、脉冲宽度为249 fs的稳定锁模脉冲序列输出；采用一级正色后向泵浦散掺铒增益光纤放大器进行放大后，最终可获得平均功率为113 m W、脉冲宽度为107 fs的飞秒脉冲序列输出。     

双波长单纵模掺铒光纤环形激光器设计及实验研究

为了实现1550nm正交线偏振双频激光输出,设计了一种复合环形腔双波长单纵模掺铒光纤(EDF)激光器,以保偏光纤Bragg光栅作为波长选择元件,并采用未抽运掺铒光纤饱和吸收体作为激光单纵模选择元件,从而实现正交线偏振1550nm双波长单纵模激光稳定振荡输出。简要介绍了复合环形腔选模及未抽运掺铒光纤饱和吸收体选模的基本原理,理论分析了未抽运掺铒光纤长度对单纵模选择的影响,实验研究了不同选模情况下双波长激光的振荡特性。实验结果表明:腔内含有保偏光纤Bragg光栅和未抽运掺铒光纤饱和吸收体的复合环形腔。掺铒光纤激光器能够稳定输出1550nm正交线偏振双波长单纵模激光,其波长间隔约为0.344nm。这种双波长单纵模光纤激光器可广泛应用于激光传感与测量以及密集波分复用(DWDM)光纤通信等领域。     

多波长掺铒光纤激光器的研究进展

多波长掺铒光纤激光器(MW-EDFL)在密集波分复用(DWDM)系统中具有重要作用,是近年来光纤通信领域的研究热点。回顾了多波长掺铒光纤激光器的发展历史,介绍了多波长掺铒光纤激光器的工作原理,包括其抑制模式竞争、实现多波长输出的方式,着重介绍了多种梳状滤波器的原理,包括Lyot滤波器、Sagnac干涉环、MachZehnder干涉仪。综述了近年来实现多波长掺铒光纤激光器的研究成果,分析了各个实现方案的优劣特性,并对其应用和发展前景进行了展望。     

基于氧化石墨烯与半导体可饱和吸收镜的锁模飞秒掺铒光纤激光器

分别将氧化石墨烯可饱和吸收镜(GOSAM)与半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为可饱和吸收体,在同一掺铒光纤激光器中均实现了全光纤结构、稳定的锁模飞秒脉冲输出。实验用抽运源为中心波长974 nm的半导体激光器,抽运1.4 m长的吸收率为7 d B/m的掺铒光纤,谐振腔总腔长约为12 m。以GOSAM作为可饱和吸收体,当抽运功率为29 m W时,激光器产生稳定的锁模脉冲输出,脉冲宽度最窄为703 fs,光谱中心波长为1557.67 nm,3 d B带宽为3.91 nm。使用调制深度为18%的SESAM作为可饱和吸收体,当抽运功率为32 m W时也可得到锁模脉冲,脉冲宽度为542 fs,光谱中心波长为1561.5 nm,3 d B带宽为5.41 nm。实验表明,新型激光锁模器件氧化石墨烯的可饱和吸收效应可与SESAM媲美,且兼具价格低廉、制备简单的优势,在实现超短脉冲运转方面具有广阔的实际应用前景。