基于宽带高反镜色散补偿的高功率克尔透镜锁模飞秒激光器

半导体激光器泵浦的高功率飞秒激光器在工业加工和生物医学等领域中均发挥着重要的作用。一般而言，无论是被动锁模飞秒激光器还是克尔透镜锁模飞秒激光器，都需要在腔内引入一定的负色散平衡自相位调制，产生稳定的飞秒孤子。特别是随着平均功率的增加，腔内自相位调制增强，需要更多的负色散量进行平衡。常用的色散补偿器件有棱镜对、啁啾镜以及GTI(Gires-Tournois interferometer)镜等，棱镜对导致振荡器结构复杂，而啁啾镜和GTI镜的价格较为昂贵。实现了基于宽带高反镜色散补偿的高功率克尔透镜锁模运转，在泵浦功率为18 W时，利用Yb∶CYA晶体获得了平均输出功率为3.6 W、脉冲宽度为92 fs、100 min功率稳定性均方根值（RMS）为0.46%的稳定锁模脉冲，有利于进一步降低高功率飞秒激光器的成本。     

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。     

功率4.1 W，脉宽48 fs，重复频率74 MHz的掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器

基于克尔透镜锁模机制，实现了掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器的高平均功率和短脉宽输出。使用功率为16 W、波长为532 nm的连续光进行泵浦，使用高折射率的棱镜对进行色散补偿，同时使用狭缝辅助锁模，实验获得了平均输出功率为4.1 W、脉冲宽度为48 fs、重复频率为74.15 MHz的飞秒脉冲。相比当前同类型激光器参数（20 W泵浦光下输出功率为4 W，脉宽为130 fs，重复频率为76 MHz的飞秒激光），功率提升了2.5%，光-光转换效率提高了28%，脉宽缩短了63%，峰值功率提升了2.8倍。     

全光子晶体光纤单级直接放大产生34W高功率飞秒脉冲

构建了全保偏双包层掺镱大模场面积光子晶体光纤(LMA-PCF)的单级飞秒激光直接放大系统。光子晶体光纤(PCF)振荡级采用孤子型锁模运转,放大级采用非线性放大技术。该系统获得的高功率飞秒脉冲输出平均功率为34W,脉冲宽度约为50fs,重复频率为42MHz,对应脉冲能量为0.8μJ,峰值功率为16.2MW。     

二极管抽运全固态飞秒Yb激光振荡器

二极管抽运的全固态锁模Yb激光器能够在1μm附近输出高平均功率窄脉冲宽度的飞秒激光,在超快非线性频率变换、飞秒光学频率梳、超快光谱学等领域具有重要应用。利用被动锁模技术和克尔透镜锁模技术,人们在一系列新型Yb掺杂激光介质中实现了飞秒锁模激光运转。介绍了近年来在二极管抽运全固态飞秒Yb激光器的研究进展,并展望了进一步提高输出功率和缩短脉冲宽度的技术途径及发展前景。     

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。     

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。     

2~5 μm中红外飞秒光学参量振荡器研究进展（特邀）

自1994年首次利用克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦RTA光学参量振荡器实现中红外飞秒激光输出以来,在这20多年的时间内,随着高功率近红外泵浦源与各种优质非线性晶体的不断涌现,中红外飞秒光学参量振荡器在平均功率、脉冲宽度、调谐范围等方面都取得了长足的发展,为基础科学研究、生物医疗以及国防安全等领域提供了多样化的应用工具。文中将2~5 μm中红外飞秒光学参量振荡器分为波长可调谐输出型与宽光谱输出型两类,分别重点就这两类中红外飞秒光学参量振荡器的国内外研究进展进行综述,最后对进一步发展趋势进行了展望。高功率、高光束质量中红外飞秒光学参量振荡器和大能量中红外飞秒光学参量振荡器是其中两个重要的发展方向。     

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%。     

利用MgO-PPLN实现同步泵浦的飞秒光参量振荡器

介绍了由锁模钛宝石激光器同步泵浦的飞秒光参量振荡器,所用的非线性晶体为掺氧化镁的周期极化铌酸锂晶体(MgO-PPLN).通过改变泵浦光的中心波长和OPO腔长,信号光的调谐范围为1.1～1.3μm.当泵浦激光的功率为900 mW时,在1 225 nm处获得最大的输出信号光功率为130 mW,对应着22.1%的光子转换效率.利用强度自相关的方法测得信号光的脉冲宽度为167 fs.     

基于半导体可饱和吸收镜锁模的Yb:NaY(WO4)2飞秒激光器

采用提拉法生长了Yb:NaY(WO4)2晶体,使用透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM),实现了激光二极管(LD)抽运的连续波锁模飞秒激光运转。当最大抽运功率为8.6 W时,输出功率为164 mW,中心谱线为1035 nm,锁模脉冲的重复频率为35 MHz。经测量此时锁模脉冲宽度为246 fs。     

高次谐波锁模飞秒掺镱光纤激光器的噪声情况

高重复频率的飞秒激光在高速激光测距和三维成像等领域有着非常重要的作用。其中基于飞秒光纤激光器的高次谐波锁模是获得GHz量级以上高重复频率脉冲的重要手段之一。基于含腔内光栅对色散补偿的非线性偏振旋转（NPR）锁模的掺镱（Yb）光纤激光器,在180 mW泵浦光时获得了稳定的143 MHz基频锁模脉冲序列,当泵浦光功率升至1 W时获得了最高20次谐波（2.86 GHz）锁模脉冲序列输出。系统地对比研究了基频锁模与高次谐锁模状态下,脉冲重复频率精密锁定后的艾伦偏差和相位噪声,7次谐波锁模状态下重复频率锁定精度能够保持在10?13 Hz@1 s的稳定度,为高次谐波锁模飞秒激光脉冲序列用于精密测量提供了实验依据。     

高功率高重复频率飞秒掺镱光纤激光频率梳的研究(特邀)

飞秒光学频率梳在精密计量学和光谱学中扮演着革命性的推动角色,成为近二十年超短脉冲激光技术及应用研究领域最活跃的前沿方向之一。文中基于250 MHz重复频率（frep）的掺镱（Yb）光纤激光器,研究了不同腔内色散以及锁模机制对飞秒脉冲序列载波包络相位偏移频率（fCEO）噪声的影响。通过对飞秒光梳细节的优化,得到了49 dB信噪比的fCEO拍频信号并获得了秒稳3.210-10的锁定结果,同时frep的锁定结果也达到了到了秒稳3.410-13的精度。此外文中还研究了不同啁啾状态的种子光飞秒脉冲对基于大模场面积双包层Yb光子晶体光纤放大器输出光脉冲宽度的影响。以携带-3.8104 fs2预啁啾量的光脉冲作为种子光,在60 W 976 nm半导体激光泵浦下,获得了250 MHz重复频率、23 W平均功率和66 fs压缩后脉冲宽度的激光输出。     

激光二极管抽运掺Yb3+光纤放大器获得2.41W超短脉冲输出

对国产掺镱(Yb3 )双包层大模场面积光纤超短脉冲放大器进行了系统的实验研究。以自己搭建的脉冲宽度为2.3ps,重复频率为95MHz的全固态锁模激光器作为种子源,以976nm大功率光纤耦合激光二极管为抽运源,以1.6m国产掺Yb3 双包层大模场面积光纤为增益介质,在11.2W的入纤抽运功率下,将平均功率为100mW的脉冲种子光放大到平均功率2.41W,单脉冲能量达到了25nJ,放大后脉冲的宽度(时域宽度)和光谱都有所展宽。     

LD泵浦的高重复频率全固态飞秒激光器（特邀）

GHz飞秒激光器相比于传统的百MHz飞秒激光器,其频域中相邻纵模的间隔更大、可分辨率更高,相同光谱范围内纵模密度更小,每个纵模分得的平均功率相对更高,在梳齿可分辨光谱学、直接频率梳光谱学、光学任意波形产生以及天文摄谱仪校准等诸多领域有着更重要的应用价值。文中从GHz飞秒脉冲的产生方案出发,着重对激光二极管泵浦的GHz重复频率全固态飞秒激光的产生方案以及相应的技术挑战进行了详细介绍,然后重点综述了国际上基于SESAM被动锁模以及克尔透镜锁模全固态GHz飞秒激光器的研究进展,并结合笔者所在课题组取得的初步研究结果对全固态GHz重复频率飞秒激光器的应用价值以及笔者所在课题组的研究目标进行了展望。     

百瓦级1 030 nm光纤-固体混合放大激光器

光纤-固体混合放大技术能够将光纤激光器和固体放大器的优势结合,获得结构紧凑、成本低廉的高功率超短脉冲激光。因此,实验设计了基于掺镱光纤-固体混合放大技术的高平均功率超短脉冲激光器。该激光器主要由全光纤结构激光器和两级固体放大器组成,第一级为基于Yb: YAG单晶光纤的固体放大器,第二级为基于无侧面抛光的棒状Yb: YAG晶体的主放大器。超短脉冲全光纤前端平均输出功率为6.5 W,重复频率52.9 MHz,脉冲宽度47.5 ps。第一级单晶光纤放大器采用单通放大形式,在反向泵浦功率182 W时获得40 W的平均功率。第二级固体放大器同样为单通放大,在反向泵浦功率307 W时获得平均功率122.9 W的超短脉冲激光输出,滤除热退偏激光后获得了107.3 W的线偏振超短脉冲激光,对应斜效率为26.1%。此时测得脉冲宽度为12.1 ps,中心波长为1 030.6 nm,光谱宽度为2.4 nm。在最大输出功率107.3 W时,测得水平和垂直方向的光束质量因子M_x2=1.45,M_y2=1.20。     

全固态近红外、蓝光飞秒激光系统的实验研究

利用棱镜对引进频谱空间啁啾来补偿飞秒激光二次谐波产生中的相位失配,提高了倍频效率.建立了一套全固态、多波长(1064 nm,532 nm,823 nm,402 nm)飞秒脉冲激光系统.NdYVO4激光器输出的1064 nm激光功率可达10 W;532 nm绿光激光最高功率可达5.6 W.当用2.5 W绿光激光泵浦时,从钛宝石激光器及经BBO倍频可分别输出中心波长为823.1 nm和402 nm、平均功率300mW和73 mW、谱宽32.3 nm和5.1 nm、脉宽22fs和33.3fs、重复率108 MHz的近红外和蓝光飞秒激光.整个系统具有结构紧凑、倍频效率高、运行稳定的特点.     

哑铃形高功率全保偏大模场掺镱锁模光纤激光器

采用基于非线性光纤环形镜的哑铃形结构搭建了全光纤全保偏掺镱锁模激光器。通过使用全保偏大模场光纤、高功率光纤器件和优化的腔结构,实现了脉冲宽度在156 ps到8.1 ns范围内可调的高功率、大能量矩形耗散孤子共振脉冲输出,在最大泵浦功率22.7 W下激光器直接输出功率达到5.5 W,脉冲能量达到0.68μJ,峰值功率为84 W。得益于全保偏光纤结构,所设计的激光器具有出色的抗干扰性和稳定性。     

激光相干合成的研究进展:2011—2020

本文回顾了过去10年激光相干合成领域取得的重要进展,总结了可合成激光模块性能提升的标志性成果,梳理了相干合成使能技术取得的重要突破,展示了不同类型激光相干合成取得的成果及其多样化应用,并对激光相干合成领域的发展进行了展望。