皮秒脈沖摻光纖激光器的研究

皮秒脈沖摻光纖激光器的研究

1單光沖壓法提高超短脈沖光纖平均功率的方法隨著韓馬層技術(shù)和單層光明技術(shù)的成熟，光纖涌浪涌機(jī)的輸出從20世紀(jì)90年代末的幾十瓦迅速增加到現(xiàn)在的10萬(wàn)瓦，并維持了基本橫截面的運(yùn)行，顯示出較高的競(jìng)爭(zhēng)力。但受到非線(xiàn)性效應(yīng)的限制,超短脈沖光纖激光器的輸出功率還停留在百瓦級(jí)的水平。由于高平均功率、高光束質(zhì)量的短脈沖光纖激光器在工業(yè)加工、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值,如何提高短脈沖光纖激光器的平均功率成為目前光纖激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,受到了廣泛關(guān)注。常用的提高超短脈沖光纖激光器平均輸出功率的方法主要有以下幾種:1)改變光纖參數(shù)以提高非線(xiàn)性效應(yīng)的閾值,這是最為直接的一種方式,但是,受光纖制作工藝和模式的雙重限制,不能無(wú)限增大輸出功率;2)改變激光脈沖的參數(shù)以降低其峰值功率,即提高激光器的重復(fù)頻率或利用啁啾放大技術(shù);3)通過(guò)光譜、時(shí)域合成的方式提高其輸出功率。目前,見(jiàn)于報(bào)道的全光纖結(jié)構(gòu)皮秒脈沖激光器依舊停留在比較低的輸出功率水平上。高功率超連續(xù)譜光源在通信、光譜分析、檢測(cè)等許多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。光子晶體光纖(PCF)由于具有良好的光束約束能力和極好的色散控制能力,成為產(chǎn)生超連續(xù)譜的理想介質(zhì)。目前國(guó)際上報(bào)道的最高功率超連續(xù)譜光源即是采用連續(xù)光抽運(yùn),輸出功率達(dá)50W。不過(guò),連續(xù)光抽運(yùn)光子晶體光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜較難得到理想的譜寬和平坦度,且所需的光子晶體光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng)。相對(duì)而言,超短脈沖激光(飛秒或皮秒)由于具有比較高的峰值功率,用作抽運(yùn)源時(shí),只需較短的光纖即可得到比較理想的譜寬和平坦度。但由于超短脈沖激光器自身的平均輸出功率較難提高,由其抽運(yùn)得到的超連續(xù)譜功率還比較低[18,19,20,21,22,23]。本文報(bào)道了一種自行研制的30W全光纖皮秒脈沖光纖激光器,并對(duì)國(guó)產(chǎn)光子晶體光纖進(jìn)行抽運(yùn),得到了近3W超連續(xù)譜輸出,輸出光譜的-10dB譜寬超過(guò)1100nm(1064nm處殘留的激光峰除外)。2皮秒脈沖光纖模擬器2.1測(cè)試系統(tǒng)和放大級(jí)設(shè)計(jì)皮秒脈沖光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)激光器的結(jié)構(gòu)是在前期工作基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)得到的。為了在得到足夠增益的同時(shí)盡量縮短種子源腔長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)中選取只有約32cm長(zhǎng)的摻鐿光纖(YDF)作為增益介質(zhì),并盡量減小非摻雜光纖的長(zhǎng)度,以此提高鎖模脈沖重復(fù)頻率,在一定程度上降低激光器的峰值功率,減小非線(xiàn)性效應(yīng)。采用了較低反射率(約10%)的光纖光柵(FBG)作為種子源的輸出腔鏡,以提高其平均輸出功率,降低后續(xù)放大級(jí)的壓力。將種子源的光纖固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,并相對(duì)密封,避免環(huán)境因素對(duì)光纖擾動(dòng)引起種子源輸出不穩(wěn)定。在放大級(jí)的設(shè)計(jì)上,采用了芯徑較大、摻雜濃度較高的摻鐿光纖作為增益介質(zhì),以此提高非線(xiàn)性效應(yīng)的閾值。在激光器的輸出端制作帶斜角的光纖帽,在避免光纖端面反饋的同時(shí)將輸出光斑擴(kuò)展后再輸出,避免輸出端面因功率密度過(guò)高引起的激光損傷。種子源是被動(dòng)鎖模的皮秒脈沖光纖激光器,由半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SAM)和光纖光柵構(gòu)成簡(jiǎn)單的線(xiàn)性諧振腔,其中所有光纖均是單模光纖,抽運(yùn)源是一單模尾纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器(LD)。種子光經(jīng)隔離器和濾波器后進(jìn)入一級(jí)放大器。一級(jí)放大器采用5m長(zhǎng),芯徑15μm,內(nèi)包層130μm的摻鐿光纖作為增益介質(zhì)。放大后的光經(jīng)由一光纖型高功率隔離器進(jìn)入最后一級(jí)功率放大器中。功率放大級(jí)采用3m長(zhǎng),芯徑30μm,內(nèi)包層250μm的摻鐿雙包層光纖作為增益介質(zhì),利用一個(gè)(6+1)×1合束器將抽運(yùn)光耦合進(jìn)增益光纖中。2.2抽運(yùn)功率對(duì)激光器非線(xiàn)性效應(yīng)的影響前期工作中采用高反射率光纖光柵作為種子源輸出腔鏡時(shí),得到的輸出光譜中有一個(gè)凹陷。后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn),即使采用低反射率光柵作為輸出腔鏡,其輸出光譜中也會(huì)有凹陷出現(xiàn)。但凹陷出現(xiàn)與否還與抽運(yùn)功率的大小有關(guān)。在逐步增加抽運(yùn)功率達(dá)到鎖模狀態(tài)的初始階段,光譜中沒(méi)有凹陷產(chǎn)生。之后,隨著抽運(yùn)功率的逐漸增加,光譜逐漸變寬,在抽運(yùn)功率達(dá)到一定值后,凹陷開(kāi)始出現(xiàn)。隨著抽運(yùn)功率的繼續(xù)增加,光譜繼續(xù)變寬且凹陷變大,在一定抽運(yùn)功率下,光譜又突然變窄,凹陷消失。在這一過(guò)程中,光譜變寬伴隨著脈沖寬度的窄化,而凹陷消失則伴隨著Q調(diào)制鎖?，F(xiàn)象的出現(xiàn)和脈沖分裂,在自相關(guān)跡上表現(xiàn)為出現(xiàn)兩個(gè)峰。這是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過(guò)程,目前正在進(jìn)行進(jìn)一步更詳細(xì)的研究。在本文的研究工作中,為了得到穩(wěn)定的鎖模脈沖序列和盡可能高的輸出功率,將抽運(yùn)功率設(shè)定在凹陷消失前的最大功率處。這時(shí)得到的平均輸出功率為30mW,輸出波形如圖2(a)所示,重復(fù)頻率為59.8MHz。采用商用自相關(guān)儀測(cè)得其脈沖自相關(guān)跡如圖2(b)所示,自相關(guān)跡半峰全寬為19.8ps,以sech2波形計(jì)算可知,其脈沖寬度約為13ps。30mW種子源經(jīng)一級(jí)放大器后,輸出功率特性如圖3(a)所示。輸出功率隨抽運(yùn)功率的增加單調(diào)上升,沒(méi)有明顯的飽和效應(yīng),說(shuō)明通過(guò)增加抽運(yùn)功率可進(jìn)一步提高其輸出功率。但是,從圖3(b)的光譜圖可以看出,抽運(yùn)功率為9.9W時(shí)即出現(xiàn)了明顯的拉曼效應(yīng),在1120nm附近產(chǎn)生一個(gè)拉曼峰;在抽運(yùn)功率增加到13.6W時(shí),1120nm附近的拉曼峰很快增長(zhǎng),在1170nm附近還可觀(guān)察到二級(jí)拉曼峰。為了給后級(jí)功率放大器提供較高質(zhì)量的信號(hào)光,實(shí)驗(yàn)中將一級(jí)放大器的抽運(yùn)功率設(shè)置在6.7W,此時(shí)其輸出功率約為2W,脈沖寬度比種子源略有增加,增加的幅度小于1ps。二級(jí)放大器輸出特性見(jiàn)圖4。如圖4(a)所示,其輸出功率隨抽運(yùn)功率的增加單調(diào)上升,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的飽和或下降趨勢(shì),在55W抽運(yùn)功率下,得到30W輸出功率?？紤]到種子源和一級(jí)放大器的抽運(yùn)功率,可算出整個(gè)激光器的光光轉(zhuǎn)換效率約為48%。二級(jí)放大器輸出光譜中有很明顯的非線(xiàn)性效應(yīng),將光譜帶寬擴(kuò)展到比較大的范圍,如圖4(b)所示。這說(shuō)明,如果要繼續(xù)提高輸出功率,應(yīng)該采取進(jìn)一步抑制非線(xiàn)性效應(yīng)的措施。如圖4(c)所示,二級(jí)放大器輸出時(shí)域特性與種子源和一級(jí)放大器相比沒(méi)有明顯區(qū)別。不過(guò),其脈沖寬度有顯著增加,且自相關(guān)跡上出現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu),如圖4(d)所示。二級(jí)放大器輸出脈沖的自相關(guān)跡半峰全寬為30.3ps,對(duì)應(yīng)于脈沖寬度約為20ps。采用自制的散焦光柵M2因子測(cè)量?jī)x對(duì)輸出激光光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量,得到其光束質(zhì)量因子M2小于1.5,輸出光斑為一分布勻稱(chēng)的圓形光斑,可以判斷該激光器為基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。為了避免激光器中產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng),對(duì)于各級(jí)放大器,在設(shè)計(jì)時(shí)都盡量選取摻雜濃度高、吸收系數(shù)大的摻鐿光纖,在保證足夠增益的前提下盡量選取較短的光纖長(zhǎng)度。不過(guò),即使如此,由于皮秒脈沖高峰值功率特性,激光器輸出功率仍然受限于各種非線(xiàn)性效應(yīng)。從圖3(b)和圖4(b)中可以看出,一級(jí)放大器主要受限于受激拉曼散射效應(yīng),二級(jí)放大器主要受限于四波混頻等其他非線(xiàn)性效應(yīng)。產(chǎn)生這一差別的主要原因是一級(jí)放大器中光纖長(zhǎng)度較長(zhǎng),二級(jí)放大器光纖較短但激光峰值功率較高。一級(jí)放大器中較長(zhǎng)的光纖(包括增益光纖和無(wú)源器件尾纖)使得受激拉曼散射閾值較低,在比較低的輸出功率下就出現(xiàn)了明顯的受激拉曼散射。二級(jí)放大器光纖較短,且芯徑較大,因而受激拉曼散射閾值較高,在比較高的輸出功率下也沒(méi)有出現(xiàn)受激拉曼散射,而是出現(xiàn)了四波混頻等其他非線(xiàn)性效應(yīng)將光譜拓展到比較大的范圍。光譜的拓寬導(dǎo)致脈沖寬度增加且自相關(guān)跡上出現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu),限制了輸出功率的進(jìn)一步提升。在最大30W輸出功率下,激光器中沒(méi)有觀(guān)察到熱效應(yīng)引起的性能下降,可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。不過(guò),在高功率下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),需要對(duì)激光器中的元器件進(jìn)行冷卻處理,特別是二級(jí)放大器中的合束器、雙包層增益光纖以及雙包層光纖之間的熔接點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,為了保證各級(jí)放大器的安全,將每一級(jí)的放大倍率都設(shè)定在比較小的數(shù)值上。為了避免種子功率不足引起各級(jí)放大器中產(chǎn)生自激振蕩導(dǎo)致器件損壞,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有詳細(xì)研究種子光功率大小對(duì)最終輸出激光的影響。不過(guò),從各級(jí)放大器的功率特性曲線(xiàn)中可以看出,在抽運(yùn)功率增加時(shí),輸出功率沒(méi)有出現(xiàn)明顯的飽和現(xiàn)象,說(shuō)明30mW種子功率足以驅(qū)動(dòng)2W的一級(jí)放大器,2W的種子功率足以驅(qū)動(dòng)30W的二級(jí)放大器。3國(guó)內(nèi)光刻光刻產(chǎn)生的高功率和平直連續(xù)譜的數(shù)量3.1皮秒脈沖光纖聯(lián)合點(diǎn)波法產(chǎn)生超連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。抽運(yùn)源是第2節(jié)所述30W皮秒光纖激光器。所用光子晶體光纖長(zhǎng)約20m,其參數(shù)與文獻(xiàn)中的光纖一樣,空氣孔呈六角形排布,芯徑約7μm,零色散點(diǎn)在1150nm附近。所用的抽運(yùn)激光波長(zhǎng)位于該光纖的正常色散區(qū)。需要注意的是,實(shí)驗(yàn)所用皮秒脈沖光纖激光器輸出光纖芯徑為30μm,而所用的光子晶體光纖芯徑只有7μm,二者面積相差18倍,將激光器輸出光直接耦合進(jìn)光子晶體光纖不僅難度較大,還可能產(chǎn)生嚴(yán)重的光纖端面損壞。為此,在光子晶體光纖與皮秒激光源之間加上一段芯徑15μm的非摻雜過(guò)渡光纖。首先,將皮秒脈沖激光通過(guò)一組透鏡耦合進(jìn)芯徑15μm的非摻雜光纖中,再通過(guò)熔接的方式將光耦合進(jìn)光子晶體光纖中。由于過(guò)渡光纖芯徑與光子晶體光纖芯徑仍不匹配,熔接時(shí)需仔細(xì)尋找最佳放電強(qiáng)度、放電時(shí)間等參數(shù),使得熔接后在光子晶體光纖中產(chǎn)生輕微塌縮的空氣孔,形成平滑過(guò)渡區(qū)域,才能盡量減小熔接損耗。3.2抽運(yùn)功率對(duì)特性的影響通過(guò)對(duì)耦合系統(tǒng)的仔細(xì)調(diào)節(jié),能夠?qū)⑵っ朊}沖激光有效地耦合進(jìn)光子晶體光纖中,產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜輸出。不過(guò),由于該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,所選的耦合透鏡組參數(shù)并未經(jīng)過(guò)仔細(xì)優(yōu)化,因而得到的耦合效率并不高,只有40%左右,即只有約12W激光耦合進(jìn)過(guò)渡光纖中?？紤]到過(guò)渡光纖與光子晶體光纖間的熔接損耗,真正有效的抽運(yùn)功率要低于12W。圖6(a)為不同功率下的超連續(xù)譜光譜圖。從圖中可以看出,在低抽運(yùn)功率下,即超連續(xù)譜產(chǎn)生的初始階段,光譜展寬主要形成在激光波長(zhǎng)的長(zhǎng)波端。說(shuō)明初始階段展寬的機(jī)制以拉曼效應(yīng)為主,是由于抽運(yùn)波長(zhǎng)位于光纖的正常色散區(qū)且遠(yuǎn)離色散零點(diǎn)引起的,與文獻(xiàn)的結(jié)果一致。在光譜拓展到反常色散區(qū)后,在自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻、孤子分解等效應(yīng)的共同作用下,光譜同時(shí)向長(zhǎng)波和短波兩個(gè)方向拓展,且越來(lái)越平坦。從圖中最上面的光譜曲線(xiàn)可以看出,在最高輸出功率下,光譜的-10dB帶寬(1064nm處殘留的激光峰除外)覆蓋了光譜儀600～1700nm全部觀(guān)測(cè)范圍,超過(guò)1100nm。輸出光斑為一帶有六角形彩色包絡(luò)的白色基模光斑。圖6(b)為超連續(xù)譜輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化情況。圖中橫坐標(biāo)為進(jìn)入過(guò)渡光纖中的皮秒激光功率(下文所述抽運(yùn)功率均是指此功率值),縱坐標(biāo)為光子晶體光纖輸出端產(chǎn)生的超連續(xù)譜功率。在抽運(yùn)功率小于10W時(shí),超連續(xù)譜功率隨抽運(yùn)功率單調(diào)上升。上升趨勢(shì)接近線(xiàn)性但不是嚴(yán)格意義上的線(xiàn)性,隨抽運(yùn)功率的增加其切線(xiàn)斜率略有下降。在9W抽運(yùn)功率下,得到2.4W輸出功率。在抽運(yùn)功率高于10W時(shí),輸出功率隨抽運(yùn)功率的增加呈明顯非線(xiàn)性上升趨勢(shì),而且功率穩(wěn)定性變差。在12W抽運(yùn)功率下,得到2.8W輸出功率。從光譜圖6(a)中可以看出,隨著抽運(yùn)功率的增加,輸出光譜同時(shí)向短波和長(zhǎng)波兩個(gè)方向拓展,而且向長(zhǎng)波方向拓展的速度更快,說(shuō)明拉曼效應(yīng)在這一過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位。拉曼效應(yīng)的產(chǎn)生由于具有量子虧損,會(huì)附帶較大的能量損失,特別是高階拉曼效應(yīng)。這可以解釋為什么隨著抽運(yùn)功率的增加輸出功率特性曲線(xiàn)斜率略有下降。從功率特性曲線(xiàn)圖6(b)中可以看出,10W以上抽運(yùn)功率下輸出功率波動(dòng)上升。而且,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這時(shí)輸出超連續(xù)譜功率穩(wěn)定性變差,即使抽運(yùn)功率繼續(xù)增加,超連續(xù)譜輸出功率也很難再有很大幅度的上升。這一現(xiàn)象一方面是由于所用透鏡耦合系統(tǒng)不太穩(wěn)定引起,另一方面也是更重要的一個(gè)因素,是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中,過(guò)渡光纖輸入端面產(chǎn)生的反射光和光子晶體光纖中產(chǎn)生的后向傳輸光會(huì)有一部分進(jìn)入皮秒激光器中。由于皮秒激光器最后一級(jí)輸出沒(méi)有采取隔離措施,這一部分反饋光會(huì)進(jìn)入摻雜光纖中被逐漸放大并消耗大量上能級(jí)粒子,引起激光器不穩(wěn)定,最終導(dǎo)致輸出超連續(xù)譜功率下降。這一現(xiàn)象在高功率下表現(xiàn)得尤為明顯,于是出現(xiàn)了圖6(b)所示的情況。這說(shuō)明如果要得到更高功率的超連續(xù)譜輸出,必須在激光輸出端采取一定的隔離措施,避免反饋光對(duì)激光器的影響,或者采用全光纖的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4高功率下的超連續(xù)譜報(bào)道了一個(gè)三級(jí)MOPA結(jié)構(gòu)的皮秒脈沖摻鐿光纖激光器,輸出平均功率達(dá)30W,脈寬約20ps,重復(fù)頻率為59.8MHz,光束質(zhì)量因子M2小于1.5,光-光轉(zhuǎn)換效率48%。種子源輸出脈沖經(jīng)一級(jí)放大后略有展寬,經(jīng)二級(jí)放大后有較大程度