全光纖結(jié)構(gòu)的啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)得益于光纖器件特有的高集成度、高穩(wěn)定性、易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等特性,已被采納為飛秒激光器的常用技術(shù)路線,廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生和工業(yè)制造等領(lǐng)域。
全光纖結(jié)構(gòu)的啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)作為飛秒光纖激光系統(tǒng)的前端信號(hào)光源,其提供的信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)域頻域特性決定了后續(xù)提升激光功率的光纖放大器的級(jí)數(shù)和復(fù)雜程度;一臺(tái)高平均功率鎖模激光振蕩器作為CPA的種子源,其提供的高強(qiáng)度種子光信號(hào)不僅可以有效提升激光放大系統(tǒng)的輸出信噪比,還有利于抑制放大自激輻射、提高激光增益介質(zhì)的提取效率。然而,由于光纖波導(dǎo)的非線性特征,在光纖飛秒激光系統(tǒng)中獲得穩(wěn)定的高平均功率單脈沖序列輸出,相比固態(tài)飛秒激光系統(tǒng)更具有挑戰(zhàn)性。 目前,基于光纖的激光系統(tǒng)在不同的色散區(qū)域可以產(chǎn)生各種不同類(lèi)型的超短脈沖,例如:在負(fù)色散區(qū)產(chǎn)生傳統(tǒng)孤子,近零色散區(qū)產(chǎn)生自相似演化孤子,在全正色散區(qū)產(chǎn)生耗散孤子以及色散管理孤子。這是超短脈沖光纖激光系統(tǒng)中色散、非線性、增益和損耗等因素之間平衡的結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)中的非線性相位累計(jì)超過(guò)一定水平時(shí),非線性和群速度色散的共同作用將導(dǎo)致脈沖發(fā)生分裂,進(jìn)而限制了輸出功率的進(jìn)一步提升。與其它類(lèi)型鎖模激光器相比,運(yùn)轉(zhuǎn)在全正色散區(qū)的耗散孤子鎖模光纖激光器,由于孤子面積定理以及更強(qiáng)的非線性積累能力,理論上可以支撐更高的平均功率。 奧創(chuàng)光子致力于研發(fā)高輸出功率超短脈沖光纖激光器,通過(guò)使用大模場(chǎng)面積雙包層光纖作為鎖模激光器的增益介質(zhì),并采用輸出功率高達(dá)27W的976nm波長(zhǎng)泵浦源,另外通過(guò)基于啁啾脈沖光譜濾波的雙折射片實(shí)現(xiàn)全正色散耗散孤子脈沖整形,最終研發(fā)出尺寸規(guī)格為200×127×75 mm的結(jié)構(gòu)緊湊型飛秒光纖激光種子源。該種子源的光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,腔內(nèi)器件簡(jiǎn)潔,腔型布局緊湊,工程化熱管理措施得當(dāng);在鎖模自啟動(dòng)后,獲得重復(fù)頻率33MHz的鎖模激光輸出,激光平均輸出功率達(dá)5.8W,其脈沖寬度為186fs,光譜范圍覆蓋1025~1055nm。 圖 1. 高功率鎖模光纖激光器光路示意圖 圖 2. 5.8 W激光光譜以及自相關(guān)曲線 為了追求更高功率更窄脈沖寬度的激光輸出,我們?cè)谏鲜鲆延械幕A(chǔ)上不斷改進(jìn)和嘗試,經(jīng)過(guò)優(yōu)化啁啾脈沖光譜濾波參數(shù),激光輸出功率和脈沖寬度兩項(xiàng)指標(biāo)均有提升。優(yōu)化后的激光器能在鎖模狀態(tài)輸出高達(dá)9 W的平均功率,脈沖寬度窄化至108 fs(圖3)。由于使用的大模場(chǎng)光纖為保偏雙包層單模光纖,輸出激光束的M2因子為1.3,具備良好的光束質(zhì)量。經(jīng)多次測(cè)試該鎖模光纖激光器在9 W的工作狀態(tài)下1小時(shí)的功率波動(dòng),其RMS值均 < 0.4%,功率穩(wěn)定性良好(圖4)。 該全正色散耗散孤子光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、高穩(wěn)定性、高信噪比等優(yōu)勢(shì),并且啟動(dòng)簡(jiǎn)單,可以作為穩(wěn)定的高功率種子源用于飛秒啁啾脈沖放大系統(tǒng)中,也能夠獨(dú)立地作為高功率激發(fā)光源用于高重復(fù)頻率、低能量、窄脈寬應(yīng)用的領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)成像、激光測(cè)量等。 圖 3 優(yōu)化后激光器輸出光譜及自相關(guān)曲線(平均功率9W) 圖 4 激光輸出功率穩(wěn)定性測(cè)試
(HR:高反鏡;ISO:隔離器;LD:半導(dǎo)體泵浦源;PLP:泵浦保護(hù)器;DM:雙色鏡; PSC:泵浦合束器;SF:光譜濾波器; λ/2: 1/2波片; λ/4: 1/4波片)
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