高功率波长可调谐光子晶体光纤振荡放大器移频飞秒激光系统及应用

资讯 2022-06-02 易泵网 手机阅读

江苏激光联盟陈长军导读：

在长度为10 m的高度非线性PCF中，LMA PCF激光源发出的1.5 W、52 fs脉冲产生的超连续谱辐射。超连续谱HN-PCF输出的光束轮廓如插图所示。

1 介绍

快速发展的光纤激光技术为开发紧凑可靠的光源提供了诱人的策略，可用于广泛的应用，包括生物医学、显微镜和成像、光通信和信息技术、超快科学和高场物理。新型光纤，如光子晶体光纤（PCF），有助于控制光纤激光系统中的色散和非线性，能够产生紧凑实用的超短脉冲高功率光纤激光源。

大模面积（LMA）光子晶体光纤用于在不牺牲光束质量的情况下减少光纤激光器和放大器中不需要的相位非线性偏移，从而产生高峰值功率、高能超短光脉冲。最近，通过使用基于LMA PCF的啁啾脉冲放大（CPA），以100 kHz的重复率产生毫焦耳亚皮秒脉冲。

在这项工作中结合了基于低非线性LMA光子晶体光纤和高度非线性小芯光子晶体光纤的独特解决方案，展示了一种高功率波长可调谐飞秒光纤激光源。该系统中的激光振荡器和放大器级采用无展宽器结构的二极管泵浦掺镱单偏振LMA光子晶体光纤，在脉冲压缩后以50 MHz的重复率以平均功率10.4 W、脉宽52 fs和峰值功率4 MW的激光脉冲。在高度非线性PCF中对此类激光脉冲进行非线性变换，然后产生可在以下范围内平滑调谐的光脉冲波长范围为1.0至1.4μm，可产生450至1750 nm的超连续谱。

2、结果与讨论

本工作中开发的光纤激光源包括基于单偏振LMA光子晶体光纤的光纤振荡器和光纤放大器（图1），并在其他地方进行了详细描述。简而言之，振荡器采用1.5米长的商用掺Yb LMA PCF，端部由光纤耦合二极管激光器泵浦，并提供500–600 fs的光脉冲，光谱中心为1040 nm，平均功率高达900 mW，重复频率为50 MHz。在隔离器之后，这些脉冲通过无展宽器配置直接发射到放大器的LMA-PCF中。放大器使用3.5米长的掺镱双包层LMA PCF，这与振荡器中使用的光纤相同。

图1基于高功率波长可调谐光子晶体光纤的振荡器放大器移频器飞秒激光系统的示意图：LMA PCF，大模面积光子晶体光纤；HN-PCF，高度非线性光子晶体光纤。

激光脉冲在LMA光子晶体光纤中的放大伴随着自相位调制（SPM）引起的光谱展宽和非线性相移积累。这种脉冲放大的非线性区域通常有助于产生高峰值功率超短光脉冲，因为光脉冲的有限非线性相移可以通过在放大阶段使用适当的负色散分量来补偿。然而，这种短脉冲产生策略需要在振荡器-放大器系统中的增益、非线性和高阶色散之间实现精确平衡，需要采取特殊措施优化振荡器和放大器中的光纤长度，以及振荡器中的激光脉冲积累和放大器中的脉冲放大。

为了进行这样的优化，检查了LMA-PCF放大器输出的频谱和脉冲形状，在不同的激光二极管泵浦功率水平下，不同的输入脉冲功率。在优化的工作模式下，光纤振荡器输出的啁啾脉冲宽度为510 fs（图2中的虚线），啁啾补偿后可压缩至约200 fs，平均功率为500 mW。由于LMA PCF振荡器提供的激光辐射通过光隔离器和其他光学元件传输，光纤放大器输入端的激光脉冲功率降低到180 mW。

然后在LMA PCF放大器中以非线性脉冲放大方式放大这些510 fs、180 mW的脉冲，产生平均功率约为20 W、带宽为48 nm的光脉冲，延伸至2.1 ps（图2中的虚线），泵浦功率水平为32 W。使用光栅对进行啁啾补偿后，这些脉冲被压缩至52 fs的脉冲宽度（图2中的实线）。在最佳工作状态下，压缩52 fs脉冲的平均功率为10.4 W，对应于4 MW的峰值功率。在振荡器和放大器中，在较高的泵浦功率水平下产生了具有较高平均值和峰值功率的激光脉冲。

图2测量的光纤振荡器脉冲（点线）、LMA-PCF放大器脉冲（虚线）和压缩后LMA-PCF放大器输出的强度自相关轨迹（实线）。输入激光脉冲的平均功率为180 mW，脉冲宽度为510 fs。激光二极管泵浦功率为32 W。

为了实现可调谐频率转换和超连续谱的产生，来自LMA-PCF激光器的压缩和衰减脉冲被发射到芯径为2.5μm的高度非线性PCF中（图3a）。在这种光纤中，当激光脉冲在反常色散区传播时，它们倾向于向孤子方向发展。在图3b中，将光谱解析的HN PCF输出映射为输入脉冲平均功率的函数。对于更高的输入能量，PCF可以作为高效的超连续uum源。对该光子晶体光纤（图4中插图）输出处宽带辐射光束剖面的检查表明，超连续谱主要是在基本光子晶体光纤模式下产生的。图4显示了由LMA PCF激光源产生的1.5 W 52 fs脉冲产生的单模PCF超连续输出的规格，从450 nm延伸至至少1750 nm。

图3 a）高度非线性PCF的SEM图像。（b）作为LMA-PCF激光源输出的输入脉冲平均功率的函数测量的高度非线性PCF的光谱分辨输出。

图4长度为10 m的高度非线性PCF中，LMA PCF激光源产生的1.5 W、52 fs脉冲产生的超连续谱辐射。超连续谱HN-PCF输出的光束轮廓如插图所示。

光纤激光源可用于各种介质和半导体材料以及金属表面和薄膜的快速微细化和微加工。在图5中展示了一个90? 使用450 mW、50 MHz LMA-PCF激光输出制作硅片微图案的扇区。所开发的光纤激光源具有高重复率和高功率，可实现材料的高速微加工，并为半导体、电介质和金属的并行微加工和微机械加工指明了方向。图6显示了由1.35 W、50 MHz LMA-PCF激光脉冲在50 nm厚的铬膜上产生的方形微图案。图5和图6所示的高质量微图案反映了光纤激光器输出的出色光束质量，而这又是由于所开发光纤系统的振荡器和放大器级中掺镱LMA光子晶体光纤的真正单模操作。

图5 90? 硅片上450 mW、50 MHz LMA-PCF激光输出产生的微图案扇区。

图6由1.35 W、50 MHz LMA-PCF激光脉冲在50 nm厚的铬膜上产生的方形微图案的光学显微照片。