“三高"(高重頻、高功率、高脈沖質(zhì)量)飛秒激光光源在科學(xué)研究和工業(yè)加工方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是在其發(fā)展過程中，由于光纖中的脈沖在被直接放大時(shí)受到受激拉曼散射、受激布里淵散射等多種非線性效應(yīng)的影響，峰值功率提升受限。
目前，采用啁啾脈沖放大技術(shù)結(jié)合大模場(chǎng)面積的光子晶體光纖或者雙包層光纖，可以有效降低非線性效應(yīng)，進(jìn)一步提高脈沖峰值功率，已經(jīng)逐漸成為該類型激光光源所采用的標(biāo)準(zhǔn)方案。
在啁啾脈沖放大技術(shù)中，脈沖展寬壓縮是其中極為重要的部分，可采用的主要有“CFBG展寬+CVBG壓縮"和“CFBG展寬+光柵壓縮"、“光柵展寬+光柵壓縮"等方案。與其他方案相比，基于塊狀光柵的脈沖展寬和壓縮方案，由于具有較高的損傷閾值，系統(tǒng)的色散補(bǔ)償充分、自由度多、操作靈活，輸出脈沖的時(shí)域質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。
為了獲得更窄脈寬、高脈沖質(zhì)量、百微焦量級(jí)的飛秒啁啾系脈沖放大激光統(tǒng)，山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院劉兆軍、趙智剛課題組開展了1 μm波段“三高"飛秒光纖激光系統(tǒng)的搭建。該系統(tǒng)由光纖鎖模振蕩器、脈沖展寬器、脈沖選單單元、多級(jí)光纖預(yù)放大器、主放大器和脈沖壓縮器組成，如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
振蕩器采用自主搭建的光纖鎖模振蕩器，重復(fù)頻率為62.8 MHz，中心波長(zhǎng)為1031 nm，高斯型光譜半高全寬為15.8 nm，如圖2所示。采用基于大口徑透射光柵的雙通Martinez型脈沖展寬器對(duì)種子源輸出的脈沖進(jìn)行時(shí)域展寬獲得納秒量級(jí)的脈沖輸出。
為了在提升激光器平均功率的同時(shí)，保持較低的增益窄化效應(yīng)，使用了多級(jí)光纖放大結(jié)構(gòu)，避免增益放大。系統(tǒng)中各部分所對(duì)應(yīng)的光譜，如圖2所示。經(jīng)過各級(jí)光纖預(yù)放大之后的光譜較為平滑;主放大級(jí)前后光譜的半高寬始終在10 nm左右，增益脈沖窄化現(xiàn)象較弱。
圖2 系統(tǒng)中信號(hào)光在不同階段的光譜
在主放大和壓縮部分，采用了大模場(chǎng)面積的光子晶體光纖和基于透射光柵的Treacy型脈沖壓縮器。系統(tǒng)的重復(fù)頻率為500 kHz時(shí)，獲得平均功率為51.5 W、壓縮效率為82.3%、單脈沖能量為103 μJ的高脈沖質(zhì)量飛秒激光輸出。在1 MHz的重復(fù)頻率下，獲得壓縮后平均功率為61.5 W的激光輸出。
為了滿足某些實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試需求，對(duì)兩種重復(fù)頻率下的激光器穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。在系統(tǒng)工作在1 MHz重頻，輸出平均功率為50 W時(shí)，采用M2分析儀測(cè)試脈沖的光束質(zhì)量，計(jì)算得到激光器的平均光斑質(zhì)量M2=1.22.
圖3 CPA系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性，其中插圖為光束質(zhì)量
脈沖質(zhì)量是衡量激光器性能的重要指標(biāo)。色散調(diào)控技術(shù)是光纖啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量脈沖輸出的有效途徑。在重復(fù)頻率為1 MHz，平均功率為50 W時(shí)，通過精細(xì)調(diào)節(jié)展寬器和壓縮器中的光柵位置和入射角度，優(yōu)化系統(tǒng)的色散，使用SHG-FROG測(cè)得系統(tǒng)輸出的脈沖寬度為273.6 fs。
圖4 SHG-FROG測(cè)量脈沖寬度和相位
如圖4所示，主脈沖附近還有一些未被補(bǔ)償?shù)臍堄喔唠A色散。為了解決此問題，可以將普通的Martinez型脈沖展寬器更換成更加復(fù)雜的Offner型無(wú)相差脈沖展寬器。使用該方案，可以有效減少系統(tǒng)中的高階色散和相差引入，進(jìn)一步降低輸出脈沖寬度，提高脈沖質(zhì)量。
圖5為封裝完成后的激光器樣機(jī)和文章部分作者，左起分別為：趙其鍇、趙智剛、張行愚、劉兆軍(團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人)。
課題組未來(lái)會(huì)進(jìn)一步開展更加深入的研究工作，結(jié)合相關(guān)技術(shù)措施，攻克現(xiàn)有問題，優(yōu)化脈沖質(zhì)量，進(jìn)一步提高激光系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如平均功率、單脈沖能量等。
隨著超快飛秒激光器的進(jìn)一步發(fā)展，研制的激光器將廣泛應(yīng)用于精密加工、基于高次諧波技術(shù)的二次光源開發(fā)及應(yīng)用、超快生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、超快光譜學(xué)等研究領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)
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