新型激光器件

1、新型激光器件论文飞秒光纤激光器的技术进展Abstract：飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几个飞秒，1飞秒就是10-15秒，也就是1秒的千万亿分之一，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。啁啾脉冲放大技术是高功率飞秒脉冲光纤激光器采用的主流技术，但如果对激光系统中非线性效应和色散补偿控制不好，能量无法高度集中，脉冲将会发生畸变，影响脉冲的进一步压缩和峰值功率的提高。本文介绍了解决这一问题的思路，指出以光子晶体光纤等为基础的新型激光功能器件的出现，为啁啾脉冲放大技术提供了新的解决方案

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:飞秒脉冲光纤激光器是近年来大力发展的新型激光器，如果要获得大功率的飞秒脉冲有很多种途径，其中光纤激光技术是一种非常适合的选择。与传

5、统的固体激光器(如钛蓝宝石激光器)相比，光纤激光器拥有更高的光光转换效率，更小的热光效应(由于其具有很高的面积体积比)，结构紧凑，可靠性高，光束质量好，运行成本低。另外，高功率飞秒脉冲技术许多关键器件都可由光纤做成，因此使用光纤激光器可实现与这些器件的自然相容，便于实现全光纤结构。采用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术，可将锁模光纤激光器输出光脉冲峰值功率升至太瓦(1012 W)乃至拍瓦(1015 W)量级。这种高峰值功率激光脉冲不仅可用于受控核聚变、激光战略武器以及超精细工业加工，在激光与等离子体相互作用、强场物理、惯性约束快点火及非线性光学等领域也有着重要应用。新型的光纤结构、高储能的光纤材料

6、和性能更好的光纤飞秒脉冲展宽及压缩器，尤其是以光纤光栅、光子晶体光纤等为基础的新型激光器件的出现，为超短脉冲光纤激光器的设计提供了新的思路。Text:1. 飞秒光纤激光器的限制虽然使用光纤激光技术有许多优点，但是在研制高功率超短脉冲光纤激光器时，仍有几个限制性因素应当加以考虑。1.1 非线性效应的影响随着功率的提高，在较小的纤芯中产生很高的光功率密度，加上光纤中相互作用距离长，非线性效应的累积变得非常明显，这将使脉冲发生畸变，导致脉冲质量下降，并限制了峰值功率的进一步提高。非线性的影响程度可表示为1其中l 为激光波长，n2为非线性折射率系数，I 为激光强度，B 是在z 轴上沿光束路径L 的积分

7、，表示累积的非线性相移。这种非线性效应的影响是高能量超短脉冲的产生和传输中最基本的。通常，为避免脉冲的时域和频域形状发生严重畸变，B 必须控制在p 以下。另一方面，由克尔非线性在光纤中引起的自聚焦效应也会限制飞秒脉冲峰值功率的提高。由于脉冲中心的强度高于脉冲两翼，这将使激光脉冲聚束，并最终收缩成一条细丝，产生极强的光功率密度，使得光纤介质通过多光子电离雪崩过程遭受破坏。对于多模光纤，其自聚焦效应的破坏阈值是2其中a 为修正系数，假定其值为43，n 为折射率，则对于波长为1m 的超短脉冲，该破坏阈值约为3.7MW。1.2啁啾脉冲的放大问题为了在获得超高强度激光脉冲的同时又将非线性的累积效应最小化

8、，从20 世纪80 年代中期开始使用了啁啾脉冲放大(CPA)的技术。该技术中利用低能量种子脉冲，使其经历脉冲和频谱展宽、放大和再压缩的过程。为使脉冲达最佳压缩效果，展宽器和压缩器的色散匹配必须精确到3 阶，这对传统的脉冲啁啾放大技术而言是难以做到的。另外，在高能脉冲放大器中，为避免非线性，展宽器应具有大的展宽比(典型值1000:1)4，可是同时又不使频谱形状发生畸变以利于脉冲功率的放大，这就增加了激光器设计的难度。虽然使用传统的衍射光栅对可以有效地对脉进行展宽和压缩，然而这类展宽/压缩器通常又大又贵，不易集成，且对激光束的扰动特别敏感这对超短脉冲光纤激光器的制造是不利的。1.3光纤断面的激光损

9、伤对于高能量光纤激光系统，必须考虑光纤端面的损坏问题。激光对光纤端面的损伤是一个复杂的过程，它包含多方面的作用机理。由于高功率飞秒激光脉冲在光纤端面上具有极高的光功率密度，其超强电场导致介质发生雪崩电离，并由此造成光纤端面损伤。另一方面，对于高重复率的飞秒脉冲，还应考虑其热积累效应，这种效应可使光纤端面熔化或炸裂。尽管光纤端面损伤的机理是多方面的，但其根本原因在于光纤端面过高的激光功率密度，因此必须想办法解决.2. 近年来飞秒激光器的技术进展当前在高功率超短脉冲激光器的研制中，啁啾脉冲放大(CPA)技术仍是主流技术，利用这种技术目前已产生能量1 mJ、平均功率上百瓦的飞秒脉冲。该技术的主要功能

10、模块包括低能量种子脉冲、脉冲展宽器、功率放大器、脉冲压缩器等。为获得更高的脉冲峰值功率，一般采用多级啁啾脉冲放大，其原理如图所示： 2.1 CPA 技术中使用的种子脉冲和功率放大器为了用相对简单的系统产生尽可能短的脉冲，CPA 技术中使用的低能量种子脉冲大多以被动锁模的方式产生。早期的超短脉冲振荡器是基于非线性放大环形镜(NALMs)的全光开关效应，这使系统相对复杂，后来倾向于使用基于非线性偏振旋转效应的更为简单的设计。近年来，也有人采用8 字形被动锁模光纤激光器产生低能量种子脉冲，这种方式与基于非线性偏振旋转效应的方式相比，具有更好的保偏性和环境稳定性。然而在被动锁模方式中，最常用的还是基半

11、导体可吸收镜(SAM)的方式。Limpert J 等利用基于SAM 的钕玻璃激光器产生了脉宽为180fs、中心波长在1060 nm、重复率为75 MHz、平均输出功率100 mW 的种子脉冲。Tunnermann A 等采用类似的结构获得了脉宽为144 fs，中心波长在1060nm，重复率为75 MHz，平均输出功率150 mW 的种子脉冲。在CPA 系统中，为了更好地控制飞秒脉冲的平均输出功率，有时需要直接对种子脉冲的重复率进行调制，例如，通过降低种子脉冲的重复率，可以提高输出脉冲的平均功率。2008 年，F.He 等中采用基于液晶空间光调制的脉冲整形器，可以对种子脉冲重复率从千赫兹到吉赫兹

12、的范围内进行选择，获得了平均功率超百瓦的超短脉冲。目前CPA 技术常用的功率放大器，主要为掺Er光纤放大器和掺Yb 光纤放大器，也有Er/Yb 共掺的光纤放大器。由于掺Yb 光纤具有比掺Er 光纤更宽的吸收谱和发射谱，无激发态吸收，无浓度猝灭，可以具有较高的掺杂浓度及光光转换效率，将近40 nm的增益带宽可支持小至30 fs 的脉宽，因此，大功率飞秒脉冲激光器常选用掺Yb 光纤放大器作为脉冲功率放大模块。具有特殊形状内包层的双包层的使用，使得掺Yb 光纤放大器的输出功率得到进一步提高。2006 年，P. Dupriez 等即利用具有D形内包层的大模场面积(内包层厚度为400 m)掺Yb3+双包

13、层光纤放大器，采用CPA 技术，获得了110fs，重复率为GHz，平均功率为200 W 的飞秒脉冲，其装置如图2 所示，种子脉冲由被动锁模光抽运垂直外腔表面发射半导体激光器(VECSEL)提供。2007 年，Yahel E 等详细讨论了光纤中Yb3+浓度及光纤长度等因素对超短脉冲输出功率谱的影响，指出存在最佳的镱离子掺杂浓度和光纤长度，可以分别使得输出放大脉冲具有最大的谱宽和获得最高的峰值功率。2.2 脉冲压缩器和展宽器中色散补偿和非线性效应控制问题的研究进展脉冲压缩器和展宽器中色散补偿和非线性效应控制问题是CPA 技术中亟需解决的关键问题，近年来已取得不少进展。2.2.1.色散补偿问题在啁啾

14、脉冲放大技术中，常采用衍射光栅对作为脉冲展宽器和压缩器。衍射光栅通常由电子束刻蚀法制作，其表面形状如图3 所示。通过选择合适的光栅常数，可使得光栅在1050 nm 处具有最大衍射效率， 并能补偿线性啁啾及二阶色散。2007 年，Lecaplain. C.等使用体光栅对做压缩器，获得了平均输出功率2.3 W，峰值功率为96 kW，脉宽为516 fs的超短脉冲，Kennedy. R.E.等利用保偏掺镱光纤放大器和体光栅对，产生了140 fs，峰值功率为270kW 的飞秒脉冲。然而，利用这些传统的光栅对作为压缩器时，大的压缩比将使光栅对本身产生可观的三阶色散。可见，光栅对并不能有效地补偿高阶色散，这

15、将使输出脉冲产生边翼，使脉冲质量下降。而且，传统的光栅对压缩器也不易与光纤系统集成，为使系统具有更高的稳定性和集成度，全光纤结构是其发展趋势，在不少研究中已使用光纤布拉格光栅(FBG)来代替传统的光栅对。也有人直接至85ps 和7.5nm，如图4 所示，最终获得了脉宽为960 fs，峰值功率为33 kW 的超短脉冲输出。可是，传统单模光纤的零色散点通常在1310 nm左右，由于其不能在波长低于1.3m 处获得反常色散，故在波长低于1300 nm 的区域，无法进行色散补偿，因此目前很多CPA 系统中仍使用衍射光栅对做色散补偿器。然而，借助光子晶体光纤却能突破这些限制。光子晶体光纤(PCF) 又称

16、微结构光纤(MF)，由J.C. Knight 等30利用光子晶体的原理首次研制成功的一种新型光纤。PCF 中空气孔沿硅基光纤周期性纵向排列，并使中央的空气孔消失，形成缺陷。图5(a)(b)是一种常见PCF 的横截面及模场输出光斑。除了实心PCF 外，还有一种空心PCF 光纤，称作光子晶体。带隙光纤(PBF)，其横截面形状如图5(c)所示。 PCF 和PBF 的一个重要特点是其灵活可控的色散特性。通过精心设计空气孔的尺寸和间距，可将零色散点向短波长方向大大推进，使得在波长低于1.3m 处即可获得很高的反常色散。高色散PCF 和PBF的出现，为可见光波段飞秒脉冲的产生创造了新途径。H. Lim 等

17、中使用了一段长1.3 m，1.0m 波长处色散值为-40 ps2/km 的PCF 来做色散补偿光纤(即脉冲压缩器)，产生了能量为1 nJ，脉宽为100 fs的超短脉冲。J.Takayanagi 等27使用一段长23 cm，1.0m 波长处色散值为-67.3 ps2/km 的PCF 做色散补偿光纤, 产生了能量为2 nJ，脉宽为66 fs 的超短脉冲。2.2.2 非线性效应控制问题研制大功率飞秒脉冲光纤激光器，必须考虑光纤中非线性效应(如自相位调制)的影响和制约。自相位调制(SPM)将使经过放大器和压缩器后的脉冲严重变形，峰值功率下降，并导致脉冲质量下降。A.Tünnermann 等1

18、3研究了CPA 系统中随着脉冲峰值功率的增加，SPM 对脉冲质量的影响，如图6 所示。由图6 可见，随着脉冲峰值功率的增加，脉冲质量越来越差。为尽可能消除非线性的影响，就必须降低脉冲强度，这可通过两种途径实现。其一为时域法，即利用展宽器使脉冲在进入放大器之前就展宽，从而降低峰值功率，这也是CPA 系统中使用展宽器的目的所在；其二为空域法，即通过增大光纤模场面积来降低脉冲强度，减小光纤长度来进一步降低非线性累积效应的影响。增大光纤模场面积有很多种方法，传统的方法是通过对梯度折射率的设计来制作大模场面积光纤，但它是以低数值孔径为代价的，而且这种方法制作的光纤通常为多模，为了获得近衍射极限的输出脉冲

19、，就必须对高阶模加以抑制。由于高阶模具有比基模更大的弯曲损耗，故一般常采用适度弯曲光纤的方法来抑制高阶模。光子晶体光纤是制作大模场面积大数值孔径光纤的理想选择。通过精密调整光子晶体光纤空气孔的大小及孔间距，可以获得很大的模场面积同时又保持其单模特性。2003 年，J.Limpert 等制成了一种模场面积350 m2，数值孔径达0.55 的单模PCF。Roser.F.等在2007 年利用一根芯径为80 m 的短光子晶体光纤，在掺Yb3+光纤CPA 系统中产生了单脉冲能量为1.45 mJ，平均功率大于100 W 的飞秒脉冲。由于带隙内的激光被限制在中心空气孔中传输，因此这种光纤的非线性效应要比普通光纤弱得多，其非线性系数大约比传统光纤要小1000 倍，并且具有极低的传输损耗。因此，利用大模场面积PCF 和空气芯带隙光纤，可