百微焦级飞秒光纤激光放大系统
百微焦级飞秒光纤激光放大系统
李 峰 杨 直
赵 卫 李强龙 胡晓鸿 杨小君 王屹山
中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
摘要 实验研究了基于掺 Yb3＋光纤的啁啾脉冲放大(CPA)系统。利用半导体可饱和吸收体锁模光纤激光器作为种 子源，采用啁啾脉冲放大技术，将波长为 1030 nm 的脉冲展宽到数百皮秒进行放大。采用多级的掺镱单模光纤和双包层光纤组成预放大器，主放大器采用大模场的掺镱棒状光子晶体光纤作为激光工作物质，实现了重复频率为211 kHz，功率为 50 W 的单模皮秒脉冲输出。通过合理地控制放大系统中每一级光纤放大器的增益以及非线性积
累量，有效抑制了高能脉冲放大过程中非线性效应对脉冲时域特性的影响。采用反射式光栅对，对输出的放大脉冲进行压缩，最终获得了脉宽为 887 fs 的激光输出，单脉冲能量达到 124 μJ，对应峰值功率为 139.8 MW，该实验结果为国内首次报道基于光纤结构的百微焦级飞秒激光系统。
关键词 激光器; 光子晶体光纤; 啁啾脉冲放大; 飞秒激光
1 引 言
飞秒激光具有脉宽窄、峰值功率高、光谱宽度大等特点，在超快非线性光学、太赫兹波产生、飞秒化学等基础研究领域[1] 已经得到了广泛的应用。特别是大能量高功率的飞秒激光，由于其与物质相互作用时，热效应小[2]，加工孔径周围没有熔融区，对加工材料无选择性等特点，在超精细加工、微光子器件制造[3]、医学精密手术、高密度三维光存储、纳米生物工程、纳米医学和国防激光武器等领域有着广泛的应用。因此，大能量高功率飞秒激光引起了国内外科学家的广泛关注，已经成为研究的热点。光纤结构的飞秒激光器，由于光纤自身的结构特性，当高功率的超短脉冲在光纤中传播时，极高的峰值功率必然会激起诸多的非线性效应，导致脉冲波形畸变[4]。所以在光纤结构的超短脉冲系统中，要实现高能量大功率的飞秒激光输出，就需要合理的控制系统的非线性，并进行有效的色散管理。为了降低系统的非线性积累，通常采用啁啾脉冲放大(CPA)系统。同时伴随着双包层光纤以及光子晶体光纤(PCF)的出现，光纤模场直径不断增大，目前增益光纤的芯径已经达到百微米量级，极大地降低了光纤飞秒放大系统的非线性积累，有利于在光纤中产生高能飞秒激光。基于光纤结构的飞秒啁啾脉冲放大系统的实验研究中，除了脉冲合成技术之外，目前国际上该领域获得的最高单脉冲能量是 Eidam 等[5] 报道的脉宽为 500 fs，能量为 2.2 mJ，平均功率为 11 W 的实验结果。在此之前，Röser 等[6] 通过将脉宽展宽到 2 ns 进行放大，在光纤 CPA 系统中获得了单脉冲能量为 1.45 mJ，脉宽为800 fs 的高能飞秒输出。以上两个毫焦级的光纤 CPA 实验中均使用了两级大模场光子晶体光纤作为放大器用以提升能量，而 Wan 等[7] 采用单级棒状光子晶体光纤作为主放大器获得了能量为 0.85 mJ，800 fs 的脉冲输出。国内在该领域的研究中，天津大学刘博文等[8] 报道了微焦耳量级、百飞秒光子晶体光纤飞秒激光放大器，获得了重复频率为 1 MHz，脉宽为 124 fs，单脉冲能量为 1.56 μJ 的输出；方晓惠等[9] 利用掺镱多芯光子晶体光纤实现了重复频率为 1 MHz，脉宽为 110 fs，功率为 17.1 W 的输出，对应单脉冲能量为 17.1 μJ。石俊凯等[10] 采用全保偏(PM)双包层掺镱大模场面积光子晶体光纤单级放大获得了平均功率为 34 W，脉宽为 50 fs 的 超短脉冲输出，但是对应的脉冲能量只有 0.8 μJ。中科院西安光机所 Ding 等[11] 利用 5 级光纤啁啾脉冲放大系 统，获得了脉冲能量为 12 μJ，脉宽为 525 fs 的激光脉冲输出。本文采用基于掺 Yb3＋光纤的啁啾脉冲放大系 统，通过合理的控制系统的非线性积累和色散管理，实现了重复频率为 211 KHz，功率为 50 W 的单模皮秒脉 冲输出。利用反射式光栅对，对输出的放大脉冲进行压缩，最终获得了脉宽为 887 fs 的激光输出，单脉冲能量达到 124 μJ，对应峰值功率为 139.8 MW。本文所述的实验工作的数据结果达到的单脉冲能量和峰值功率水平在国内光纤飞秒激光器研究领域未曾看到相关的报道。
2 实验装置与理论分析
图 1 为本实验方案的整个光纤结构啁啾脉冲放大光学系统结构图，采用脉宽约 5 ps 的锁模光纤激光器 作为种子源。通过采用环形器和光纤光栅组成脉冲展宽器对种子脉冲展宽，将脉冲展宽到数百皮秒再进行放大。预放大系统包括三级放大，首先是单模光纤放大器和 10 μm 芯径的双包层光纤(PM 10/125)放大器，初步放大后的激光通过光纤耦合声光调制器进行降频，将激光的重复频率由 52.7 MHz 降低到数百千赫兹，以便在后继放大过程中提高单脉冲能量。降频后的激光脉冲再经过一级 25 μm 芯径的双包层光纤(PM 25/250)放大器，输出功率达到 2.5 W。预放大系统输出的激光通过隔离器输出之后采用透镜空间耦合进入棒状掺镱光子晶体光纤主放大器，主放大器采用 NKT 公司生产的直径为 1 mm，芯径为 85 μm，内包层直径为 260 μm，长度为 0.8 m，包层对 976 nm 抽运光的吸收系数为 15 dB/m 的光子晶体光纤作为主放大工作物质，该光子晶体光纤模场面积大，有效降低了系统的非线性积累，同时光子晶体的波导结构确保了良好的单模输出特性。为了获得最大的增益以及良好的光束质量，需要对棒状光子晶体光纤进行最佳的耦合，尽量保证信号光在棒状光纤的纤芯中传输，且抽运光在内包层中被高效吸收。通过棒状光纤的放大后的输出光，经过刻线密度为 1800 line/mm 的反射式光栅对的色散补偿，获得飞秒激光输出。为了有效控制系统的非线性，对系统参数进行了优化，在保证增益的情况下尽量采用较短的增益光纤以及传输光纤，来降低系统非线性的积累，确保最终输出的放大脉冲可以被有效的压缩。B 参数是对系统非线性积累的表征，其表达式为：B = 2λπ ∫0Ln2 I(z)dz ，其中 λ 代表波长，n2 代表非线性折射率，L 是光纤长度，I(z)代表沿光纤长度分布的峰值强度，对放大系统的积分计算可以求出系统积累的非线性。通过对系统的所有增益光纤以及传输光纤的积分计算，得到如表 1 所述的整个系统优化后的非线性 B 积分的计算值，整个系统最终的 B 积分值约为 10.4。
同时，采用分步傅里叶法对整个放大系统的非线性传输进行了数值模拟计算，最终获得的脉冲输出的模拟结果如图 2(a)所示，黑色曲线表示在最大输出能量下压缩后得到的实际脉冲形状，红色曲线表示压缩后得到的脉冲自相关曲线，黄色代表压缩后得到的脉冲相位曲线。可以发现由于系统的高阶色散的影响最终的压缩脉冲底座较大，信噪比比较低，脉宽最窄为 1.4 ps 左右。图 2(b)给出了最终模拟输出的光谱，由于 Yb3＋光纤的发射谱线并不是一个平坦的发射谱，导致不同波长其增益不同，所以在宽光谱放大过程中，出现了光谱形状的不对称。图 2(c)给出了模拟得到的系统的啁啾曲线，除了小的波动，啁啾几乎是正的线性啁啾，因此在合理控制系统的高阶色散的情况下，是可以将脉冲压缩到飞秒量级。
3 实验结果与分析
种子源的输出中心波长为 1032 nm，谱宽为 18 nm，脉宽为 5 ps，重复频率为 52.7 MHz，功率为 13.7 mW。将种子源输出的脉冲经过啁啾光纤光栅展宽,由于啁啾光纤光栅带宽只有 10 nm，中心波长为 1030 nm，所以展宽后的数百皮秒的脉冲光谱宽度就只有 9~10 nm,中心波长已经变为 1030 nm 左右。展宽后的数百皮秒脉冲光进入多级光纤预放大器，经过一级保偏单模光纤放大器和一级保偏的 10 μm 芯径(PM10/125)双包层光纤放大器的放大，功率达到 2 W 左右，通过声光调制器降频到 211 kHz，再通过一级保偏 25 μm 芯径(PM25/250)双包层光纤放大器，达到输出功率为 2.5 W 的数百皮秒的激光。由于 Yb3＋ 光纤的发射谱线并不是一个平坦的发射谱，不同波长其增益不同，所以在宽光谱放大过程中，导致了光谱宽度的窄化。预放大过程中可以看到，随着激光功率以及脉冲能量的不断提升，预放大输出的光谱由于增益窄化效应，最终进入主放大的光谱宽度就只有 6 nm 左右。全光纤结构的预放大器输出的功率为 2.5 W，重复频率为 211 kHz 的激光通过透镜的准直聚焦之后进入作为主放大器的棒状 PCF，经过聚焦镜耦合调节，将信号光能量尽量集中到棒状光纤的纤芯中。通过 CCD
可以观察到信号经过耦合调节好之后，信号光大部分的能量都集中在纤芯中，这样可以实现最大的放大效率以及最佳的光束质量输出。图 3 给出了 CCD 上采集到的光斑图样，可以看到 CCD 上呈现出光子晶体光纤的端面像，且大部分信号光能约束于纤芯中传输。主放大器采用后向抽运，使用 200 W 带尾纤输出的 LD 作为抽运源，抽运光中心波长为 976 nm。由于在高功率下工作，需要对主放大器的增益介质进行水冷，将棒状光纤放置于水冷板的 V 型槽中进行冷却。图 4给出了棒状光子晶体光纤随抽运驱动电流的增加的功率输出曲线。由图 4可以看出，在最大抽运电流为 35 A时，主放大器输出激光功率达到 50 W，对应单脉冲能量达到 237 μJ。主放大器输出的数百皮秒激光通过隔离器之后进入光栅对压缩器。但是由于棒状光子晶体光纤的退偏以及隔离器的损耗，在 35A 的抽运驱动源电流条件下，主放大器进入压缩器的激光功率降低为 37.18 W。 压缩器采用反射式光栅对进行色散补偿，光栅刻线密度为 1800 line/mm,压缩后输出光功率为 26.23 W，对应的单脉冲能量为 124 μJ。光束四次通过光栅的衍射效率达到 70.5％。同时对棒状光子晶体光纤放大输出的光斑以及压缩后的光斑模场分布进行了测量，如图 5 所示，从 CCD 采集图样可以看到输出光斑均具有单模输出特性。由于主放大输出的光斑经过两个透镜的准直，准直光学系统存在的象差以及光栅对的非严格平行导致光斑的椭圆度有一定增加。
4 结 论
实验研究了光纤结构的大能量飞秒激光系统。采用啁啾脉冲放大技术，部分地控制了系统的非线性积累；利用声光调制器降低脉冲重复频率，提高了单脉冲能量；采用棒状光子晶体光纤，在减小非线性积累的同时实现了高能超短脉冲输出；通过光栅对压缩器结合非线性啁啾光纤光栅，最终该光纤 CPA 系统实现了124 μJ，887 fs 的高能超短脉冲输出。据本文所知，该实验结果为国内首次在光纤结构的 CPA 系统中获得百微焦级飞秒超短脉冲，是目前国内单脉冲能量和峰值功率最高的光纤飞秒激光器。同时，该系统可以再进 一步优化，通过合理的控制系统的非线性的积累以及主动的色散管理，可实现更窄的接近转换极限的飞秒激光脉冲输出。
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