新型激光器件

1、新型激光器件論文飛秒光纖激光器的技術進展Abstract：飛秒激光是一種以脈沖形式運轉的激光，持續(xù)時間非常短，只有幾個飛秒，1飛秒就是10-15秒，也就是1秒的千萬億分之一，它比利用電子學方法所獲得的最短脈沖要短幾千倍。飛秒激光具有非常高的瞬時功率，可達到百萬億瓦，比目前全世界發(fā)電總功率還要多出百倍。啁啾脈沖放大技術是高功率飛秒脈沖光纖激光器采用的主流技術，但如果對激光系統(tǒng)中非線性效應和色散補償控制不好，能量無法高度集中，脈沖將會發(fā)生畸變，影響脈沖的進一步壓縮和峰值功率的提高。本文介紹了解決這一問題的思路，指出以光子晶體光纖等為基礎的新型激光功能器件的出現(xiàn)，為啁啾脈沖放大技術提供了新的解決方案

2、。References and link：1.Li he, Xu wen chao research progress of high-power pulsed femtosecond fiber laser .Opt.Exp.,2002,14(2):133414232. He F, Hung H S S, Price J H V et al. High energy femtosecond fiber chirped pulse amplification system withadaptive phase controlJ. Opt. Exp., 2008, 16(8): 58135821

3、3. A. Shirakawa, J. Ota, M. Musha et al. Large-mode-area erbium-ytterbium-doped photonic-crystal fiber amplifierfor high-energy femtosecond pulses at 1.55 m J. Opt. Exp., 2005, 13(4): 122112274. L. Goldberg, J. P. Koplow, D.A.V. Kliner. Highly efficient 4-W Yb-doped fiber amplifier pumped by a broad

4、-stripelaser diode J. Opt. Lett., 1999, 24(10): 6736755. L. Goldberg, J. Koplow, R.P. Moeller et al. High-power superfluorescent source with a side-pumped Yb-dopeddouble-cladding fiber J. Opt. Lett., 1998, 23(13): 10371039Introduction:飛秒脈沖光纖激光器是近年來大力發(fā)展的新型激光器，如果要獲得大功率的飛秒脈沖有很多種途徑，其中光纖激光技術是一種非常適合的選擇。與傳

5、統(tǒng)的固體激光器(如鈦藍寶石激光器)相比，光纖激光器擁有更高的光光轉換效率，更小的熱光效應(由于其具有很高的面積體積比)，結構緊湊，可靠性高，光束質量好，運行成本低。另外，高功率飛秒脈沖技術許多關鍵器件都可由光纖做成，因此使用光纖激光器可實現(xiàn)與這些器件的自然相容，便于實現(xiàn)全光纖結構。采用多級啁啾脈沖放大(CPA)技術，可將鎖模光纖激光器輸出光脈沖峰值功率升至太瓦(1012 W)乃至拍瓦(1015 W)量級。這種高峰值功率激光脈沖不僅可用于受控核聚變、激光戰(zhàn)略武器以及超精細工業(yè)加工，在激光與等離子體相互作用、強場物理、慣性約束快點火及非線性光學等領域也有著重要應用。新型的光纖結構、高儲能的光纖材料

6、和性能更好的光纖飛秒脈沖展寬及壓縮器，尤其是以光纖光柵、光子晶體光纖等為基礎的新型激光器件的出現(xiàn)，為超短脈沖光纖激光器的設計提供了新的思路。Text:1. 飛秒光纖激光器的限制雖然使用光纖激光技術有許多優(yōu)點，但是在研制高功率超短脈沖光纖激光器時，仍有幾個限制性因素應當加以考慮。1.1 非線性效應的影響隨著功率的提高，在較小的纖芯中產(chǎn)生很高的光功率密度，加上光纖中相互作用距離長，非線性效應的累積變得非常明顯，這將使脈沖發(fā)生畸變，導致脈沖質量下降，并限制了峰值功率的進一步提高。非線性的影響程度可表示為1其中l(wèi) 為激光波長，n2為非線性折射率系數(shù)，I 為激光強度，B 是在z 軸上沿光束路徑L 的積分

7、，表示累積的非線性相移。這種非線性效應的影響是高能量超短脈沖的產(chǎn)生和傳輸中最基本的。通常，為避免脈沖的時域和頻域形狀發(fā)生嚴重畸變，B 必須控制在p 以下。另一方面，由克爾非線性在光纖中引起的自聚焦效應也會限制飛秒脈沖峰值功率的提高。由于脈沖中心的強度高于脈沖兩翼，這將使激光脈沖聚束，并最終收縮成一條細絲，產(chǎn)生極強的光功率密度，使得光纖介質通過多光子電離雪崩過程遭受破壞。對于多模光纖，其自聚焦效應的破壞閾值是2其中a 為修正系數(shù)，假定其值為43，n 為折射率，則對于波長為1m 的超短脈沖，該破壞閾值約為3.7MW。1.2啁啾脈沖的放大問題為了在獲得超高強度激光脈沖的同時又將非線性的累積效應最小化

8、，從20 世紀80 年代中期開始使用了啁啾脈沖放大(CPA)的技術。該技術中利用低能量種子脈沖，使其經(jīng)歷脈沖和頻譜展寬、放大和再壓縮的過程。為使脈沖達最佳壓縮效果，展寬器和壓縮器的色散匹配必須精確到3 階，這對傳統(tǒng)的脈沖啁啾放大技術而言是難以做到的。另外，在高能脈沖放大器中，為避免非線性，展寬器應具有大的展寬比(典型值1000:1)4，可是同時又不使頻譜形狀發(fā)生畸變以利于脈沖功率的放大，這就增加了激光器設計的難度。雖然使用傳統(tǒng)的衍射光柵對可以有效地對脈進行展寬和壓縮，然而這類展寬/壓縮器通常又大又貴，不易集成，且對激光束的擾動特別敏感這對超短脈沖光纖激光器的制造是不利的。1.3光纖斷面的激光損

9、傷對于高能量光纖激光系統(tǒng)，必須考慮光纖端面的損壞問題。激光對光纖端面的損傷是一個復雜的過程，它包含多方面的作用機理。由于高功率飛秒激光脈沖在光纖端面上具有極高的光功率密度，其超強電場導致介質發(fā)生雪崩電離，并由此造成光纖端面損傷。另一方面，對于高重復率的飛秒脈沖，還應考慮其熱積累效應，這種效應可使光纖端面熔化或炸裂。盡管光纖端面損傷的機理是多方面的，但其根本原因在于光纖端面過高的激光功率密度，因此必須想辦法解決.2. 近年來飛秒激光器的技術進展當前在高功率超短脈沖激光器的研制中，啁啾脈沖放大(CPA)技術仍是主流技術，利用這種技術目前已產(chǎn)生能量1 mJ、平均功率上百瓦的飛秒脈沖。該技術的主要功能

10、模塊包括低能量種子脈沖、脈沖展寬器、功率放大器、脈沖壓縮器等。為獲得更高的脈沖峰值功率，一般采用多級啁啾脈沖放大，其原理如圖所示： 2.1 CPA 技術中使用的種子脈沖和功率放大器為了用相對簡單的系統(tǒng)產(chǎn)生盡可能短的脈沖，CPA 技術中使用的低能量種子脈沖大多以被動鎖模的方式產(chǎn)生。早期的超短脈沖振蕩器是基于非線性放大環(huán)形鏡(NALMs)的全光開關效應，這使系統(tǒng)相對復雜，后來傾向于使用基于非線性偏振旋轉效應的更為簡單的設計。近年來，也有人采用8 字形被動鎖模光纖激光器產(chǎn)生低能量種子脈沖，這種方式與基于非線性偏振旋轉效應的方式相比，具有更好的保偏性和環(huán)境穩(wěn)定性。然而在被動鎖模方式中，最常用的還是基半

11、導體可吸收鏡(SAM)的方式。Limpert J 等利用基于SAM 的釹玻璃激光器產(chǎn)生了脈寬為180fs、中心波長在1060 nm、重復率為75 MHz、平均輸出功率100 mW 的種子脈沖。Tunnermann A 等采用類似的結構獲得了脈寬為144 fs，中心波長在1060nm，重復率為75 MHz，平均輸出功率150 mW 的種子脈沖。在CPA 系統(tǒng)中，為了更好地控制飛秒脈沖的平均輸出功率，有時需要直接對種子脈沖的重復率進行調制，例如，通過降低種子脈沖的重復率，可以提高輸出脈沖的平均功率。2008 年，F(xiàn).He 等中采用基于液晶空間光調制的脈沖整形器，可以對種子脈沖重復率從千赫茲到吉赫茲

12、的范圍內進行選擇，獲得了平均功率超百瓦的超短脈沖。目前CPA 技術常用的功率放大器，主要為摻Er光纖放大器和摻Yb 光纖放大器，也有Er/Yb 共摻的光纖放大器。由于摻Yb 光纖具有比摻Er 光纖更寬的吸收譜和發(fā)射譜，無激發(fā)態(tài)吸收，無濃度猝滅，可以具有較高的摻雜濃度及光光轉換效率，將近40 nm的增益帶寬可支持小至30 fs 的脈寬，因此，大功率飛秒脈沖激光器常選用摻Yb 光纖放大器作為脈沖功率放大模塊。具有特殊形狀內包層的雙包層的使用，使得摻Yb 光纖放大器的輸出功率得到進一步提高。2006 年，P. Dupriez 等即利用具有D形內包層的大模場面積(內包層厚度為400 m)摻Yb3+雙包

13、層光纖放大器，采用CPA 技術，獲得了110fs，重復率為GHz，平均功率為200 W 的飛秒脈沖，其裝置如圖2 所示，種子脈沖由被動鎖模光抽運垂直外腔表面發(fā)射半導體激光器(VECSEL)提供。2007 年，Yahel E 等詳細討論了光纖中Yb3+濃度及光纖長度等因素對超短脈沖輸出功率譜的影響，指出存在最佳的鐿離子摻雜濃度和光纖長度，可以分別使得輸出放大脈沖具有最大的譜寬和獲得最高的峰值功率。2.2 脈沖壓縮器和展寬器中色散補償和非線性效應控制問題的研究進展脈沖壓縮器和展寬器中色散補償和非線性效應控制問題是CPA 技術中亟需解決的關鍵問題，近年來已取得不少進展。2.2.1.色散補償問題在啁啾

14、脈沖放大技術中，常采用衍射光柵對作為脈沖展寬器和壓縮器。衍射光柵通常由電子束刻蝕法制作，其表面形狀如圖3 所示。通過選擇合適的光柵常數(shù)，可使得光柵在1050 nm 處具有最大衍射效率， 并能補償線性啁啾及二階色散。2007 年，Lecaplain. C.等使用體光柵對做壓縮器，獲得了平均輸出功率2.3 W，峰值功率為96 kW，脈寬為516 fs的超短脈沖，Kennedy. R.E.等利用保偏摻鐿光纖放大器和體光柵對，產(chǎn)生了140 fs，峰值功率為270kW 的飛秒脈沖。然而，利用這些傳統(tǒng)的光柵對作為壓縮器時，大的壓縮比將使光柵對本身產(chǎn)生可觀的三階色散?？梢?，光柵對并不能有效地補償高階色散，這

15、將使輸出脈沖產(chǎn)生邊翼，使脈沖質量下降。而且，傳統(tǒng)的光柵對壓縮器也不易與光纖系統(tǒng)集成，為使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和集成度，全光纖結構是其發(fā)展趨勢，在不少研究中已使用光纖布拉格光柵(FBG)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光柵對。也有人直接至85ps 和7.5nm，如圖4 所示，最終獲得了脈寬為960 fs，峰值功率為33 kW 的超短脈沖輸出?？墒牵瑐鹘y(tǒng)單模光纖的零色散點通常在1310 nm左右，由于其不能在波長低于1.3m 處獲得反常色散，故在波長低于1300 nm 的區(qū)域，無法進行色散補償，因此目前很多CPA 系統(tǒng)中仍使用衍射光柵對做色散補償器。然而，借助光子晶體光纖卻能突破這些限制。光子晶體光纖(PCF) 又稱

16、微結構光纖(MF)，由J.C. Knight 等30利用光子晶體的原理首次研制成功的一種新型光纖。PCF 中空氣孔沿硅基光纖周期性縱向排列，并使中央的空氣孔消失，形成缺陷。圖5(a)(b)是一種常見PCF 的橫截面及模場輸出光斑。除了實心PCF 外，還有一種空心PCF 光纖，稱作光子晶體。帶隙光纖(PBF)，其橫截面形狀如圖5(c)所示。 PCF 和PBF 的一個重要特點是其靈活可控的色散特性。通過精心設計空氣孔的尺寸和間距，可將零色散點向短波長方向大大推進，使得在波長低于1.3m 處即可獲得很高的反常色散。高色散PCF 和PBF的出現(xiàn)，為可見光波段飛秒脈沖的產(chǎn)生創(chuàng)造了新途徑。H. Lim 等

17、中使用了一段長1.3 m，1.0m 波長處色散值為-40 ps2/km 的PCF 來做色散補償光纖(即脈沖壓縮器)，產(chǎn)生了能量為1 nJ，脈寬為100 fs的超短脈沖。J.Takayanagi 等27使用一段長23 cm，1.0m 波長處色散值為-67.3 ps2/km 的PCF 做色散補償光纖, 產(chǎn)生了能量為2 nJ，脈寬為66 fs 的超短脈沖。2.2.2 非線性效應控制問題研制大功率飛秒脈沖光纖激光器，必須考慮光纖中非線性效應(如自相位調制)的影響和制約。自相位調制(SPM)將使經(jīng)過放大器和壓縮器后的脈沖嚴重變形，峰值功率下降，并導致脈沖質量下降。A.Tünnermann 等1

18、3研究了CPA 系統(tǒng)中隨著脈沖峰值功率的增加，SPM 對脈沖質量的影響，如圖6 所示。由圖6 可見，隨著脈沖峰值功率的增加，脈沖質量越來越差。為盡可能消除非線性的影響，就必須降低脈沖強度，這可通過兩種途徑實現(xiàn)。其一為時域法，即利用展寬器使脈沖在進入放大器之前就展寬，從而降低峰值功率，這也是CPA 系統(tǒng)中使用展寬器的目的所在；其二為空域法，即通過增大光纖模場面積來降低脈沖強度，減小光纖長度來進一步降低非線性累積效應的影響。增大光纖模場面積有很多種方法，傳統(tǒng)的方法是通過對梯度折射率的設計來制作大模場面積光纖，但它是以低數(shù)值孔徑為代價的，而且這種方法制作的光纖通常為多模，為了獲得近衍射極限的輸出脈沖

19、，就必須對高階模加以抑制。由于高階模具有比基模更大的彎曲損耗，故一般常采用適度彎曲光纖的方法來抑制高階模。光子晶體光纖是制作大模場面積大數(shù)值孔徑光纖的理想選擇。通過精密調整光子晶體光纖空氣孔的大小及孔間距，可以獲得很大的模場面積同時又保持其單模特性。2003 年，J.Limpert 等制成了一種模場面積350 m2，數(shù)值孔徑達0.55 的單模PCF。Roser.F.等在2007 年利用一根芯徑為80 m 的短光子晶體光纖，在摻Yb3+光纖CPA 系統(tǒng)中產(chǎn)生了單脈沖能量為1.45 mJ，平均功率大于100 W 的飛秒脈沖。由于帶隙內的激光被限制在中心空氣孔中傳輸，因此這種光纖的非線性效應要比普通光纖弱得多，其非線性系數(shù)大約比傳統(tǒng)光纖要小1000 倍，并且具有極低的傳輸損耗。因此，利用大模場面積PCF 和空氣芯帶隙光纖，可