高峰值功率光纖激光器

于振華

摘要：采用啁啾脈沖放大技術(shù)搭建了全光纖飛秒激光放大器。平均功率20 mW，脈沖寬度127 fs，中心波長為1574 nm的種子脈沖，放大到平均功率758 mW，輸出脈沖寬度為174 fs，重復(fù)頻率為177.6 MHz，單脈沖能量為4 nJ，峰值功率為24.5 kW。

關(guān)鍵詞：光纖激光器;超快激光;飛秒

超快激光實際應(yīng)用中，對超短脈沖的單脈沖能量、峰值功率都有較高的要求，振蕩器結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)。為了解決這一難題，必須對振蕩器輸出的脈沖進行放大【1-4】。放大過程中飛秒脈沖由于高峰值功率所帶來的非線性效應(yīng)極易產(chǎn)生拉曼頻移和脈沖分裂，不利于高脈沖能量和高峰值功率的獲得。啁啾脈沖放大技術(shù)可以解決這一難題。啁啾脈沖放大的原理為：在脈沖進行放大之前，使脈沖展寬，其峰值功率明顯降低，再進行放大，放大后的脈沖再經(jīng)過光柵對、光纖光柵、棱鏡對或者色散位移光纖將脈沖壓縮，獲得窄脈沖，高功率輸出。

一、全光纖啁啾脈沖放大器

受實驗條件的限制，實驗中主要研究了低脈沖能量下的全光纖啁啾脈沖放大器。實驗中利用色散位移光纖對脈沖展寬，利用普通單模光纖對脈沖進行了壓縮。圖1為啁啾脈沖放大器裝置圖，主要包括：飛秒種子源、展寬部分、第一級放大、第二級放大、壓縮部分。

飛秒種子源為實驗室自行研制的利用碳納米管為可飽和吸收體的飛秒摻鉺光纖激光器，脈沖寬度為127 fs，光譜寬度為34.5 nm，最大輸出功率為20 mW，輸出波長為1571 nm。

二、展寬過程

展寬部分種子源經(jīng)過40米色散位移光纖（DCF）進行展寬。色散位移光纖色散為49 ps2/km，纖芯直徑為5 m。色散位移光纖的纖芯與種子光的纖芯（8 m）差比較多，熔接損耗比較大。熔接后耦合入色散位移光纖的光功率為10 mW。經(jīng)過色散展寬以后的脈沖寬度為59 ps。

三、放大過程

將展寬后的脈沖進行第一級放大，用的增益光纖為單模摻鉺增益光纖，長度為60 cm，在976 nm處的吸收為50 dB/m。泵浦源為976 nm半導(dǎo)體激光器。在最大泵浦功率500 mW的時，放大器輸出功率為60 mW。放大后測試了脈沖自相關(guān)曲線和光譜。其中，脈沖寬度為43 ps。相比于放大前的59 ps，脈沖寬度被壓窄。這主要是由于在第一級放大過程中有負(fù)色散光纖起到了色散補償?shù)淖饔谩９庾V寬度為23.4 nm，相比于種子光的光譜34.5 nm減小了11.1 nm，這主要是由于在放大過程中增益光纖在長波段的增益小于其短波段的增益，導(dǎo)致長波段的波長成份未被同比例放大。這就是放大過程中的增益窄化效應(yīng)。

將第一級放大得到的脈沖直接注入第二級放大器。第二級放大器的泵浦源為976 nm半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率為8 W，光纖耦合輸出，所用的光纖為多模光纖，直徑為100 m。泵浦光和信號光通過一個（2+1）×1的合束器耦合進增益光纖。增益光纖為雙包層單模鉺鐿共摻增益光纖，纖芯的直徑為6 m，內(nèi)包層為125 m，光纖長度為7米。泵浦方式采用的是包層泵浦，泵浦光在包層傳輸時的吸收為3 dB/m。

第二級在放大過程中，光譜的短波方向的激光放大倍數(shù)要高于中心波長處。當(dāng)泵浦功率達(dá)到4 W以后，光譜的短波區(qū)的強度與中心波長相似。當(dāng)泵浦光繼續(xù)增加時，短波段的光譜強度明顯高于中心波長。這些后來得到放大的短波段波長積累的啁啾是非線性的，將來壓縮時是難以壓縮的。從泵浦功率為4 W開始，脈沖的兩翼開始變高，這是因為在高功率泵浦的情況下，脈沖峰值部位的增益達(dá)到飽和，此時的泵浦光能量主要轉(zhuǎn)移到脈沖兩側(cè)低功率部分，所以導(dǎo)致脈沖的兩側(cè)的強度逐漸增加。

從第二級放大輸出的脈沖自相關(guān)曲線可以看出，放大后的脈沖寬度大約為700 fs。如此窄的脈沖寬度是造成峰值部位增益飽和的主要原因。脈沖在第二級放大前的脈沖寬度為43 ps，但是經(jīng)過放大后脈沖寬度為700 fs。這是因為放大過程中所用的光纖的色散均為負(fù)色散，這與初期展寬色散位移光纖的色散是相反的，所以在放大的過程中導(dǎo)致了脈沖的壓縮。

四、壓縮過程

最后采用SMF-28單模光纖對放大后的脈沖進行了壓縮。壓縮后脈沖存在一個比較大的底座。這個底座是由于放大過程中光譜邊緣成分帶有非線性啁啾，而非線性啁啾在壓縮過程中是不能被壓縮回去的。通過圖2可以看出，當(dāng)單模光纖為7米時底座最小，壓縮效果最好。

最佳壓縮狀態(tài)下，脈沖寬度為174 fs，比種子光的脈沖寬度127 fs略大。這主要是由于光譜中含有非線性啁啾成分造成的。壓縮光譜和種子光譜的光譜寬度分別為30 nm和34.5 nm。在最大泵浦功率8 W時，最大輸出功率為758 mW，單脈沖能量為4 nJ，峰值功率為24.5 kW。

五、小結(jié)

采用啁啾脈沖放大技術(shù)搭建了全光纖飛秒激光放大器。平均功率20 mW，脈沖寬度127 fs，中心波長為1574 nm的種子脈沖，放大到平均功率758 mW，輸出脈沖寬度為174 fs，重復(fù)頻率為177.6 MHz，單脈沖能量為4 nJ，峰值功率為24.5 kW。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊康文.? 超短脈沖偏振分割放大技術(shù)研究進展[J].紅外與激光工程. 2018（47）

[2] 劉東峰. 高功率飛秒全固化光纖激光器與放大器系統(tǒng)-實用化的超快光源 [J]. 激光與光電子學(xué)進展. 1999（01）

[3] 邢岐榮.? 采用光譜展寬技術(shù)的鈦寶石飛秒激光放大器[J]. 光學(xué)學(xué)報. 2003（10）

[4] 王兆華.? 提高飛秒超強激光脈沖對比度的新方法[J]. 實驗技術(shù). 2007（36）