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(shù)進(jìn)展Abstract：飛秒激光是一種以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)的激光，持續(xù)時(shí)間非常短，只有幾個(gè)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(xué)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(shí)功率，可達(dá)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(shù)是高功率飛秒脈沖光纖激光器采用的主流技術(shù)，但如果對(duì)激光系統(tǒng)中非線性效應(yīng)和色散補(bǔ)償控制不好，能量無法高度集中，脈沖將會(huì)發(fā)生畸變，影響脈沖的進(jìn)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(chǔ)的新型激光功能器件的出現(xiàn)，為啁啾脈沖放大技術(shù)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

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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(shù)是一種非常適合的選擇。與傳

5、統(tǒng)的固體激光器(如鈦藍(lán)寶石激光器)相比，光纖激光器擁有更高的光光轉(zhuǎn)換效率，更小的熱光效應(yīng)(由于其具有很高的面積體積比)，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，光束質(zhì)量好，運(yùn)行成本低。另外，高功率飛秒脈沖技術(shù)許多關(guān)鍵器件都可由光纖做成，因此使用光纖激光器可實(shí)現(xiàn)與這些器件的自然相容，便于實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)。采用多級(jí)啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)，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(jí)。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(xì)工業(yè)加工，在激光與等離子體相互作用、強(qiáng)場(chǎng)物理、慣性約束快點(diǎn)火及非線性光學(xué)等領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用。新型的光纖結(jié)構(gòu)、高儲(chǔ)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(chǔ)的新型激光器件的出現(xiàn)，為超短脈沖光纖激光器的設(shè)計(jì)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(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，但是在研制高功率超短脈沖光纖激光器時(shí)，仍有幾個(gè)限制性因素應(yīng)當(dāng)加以考慮。1.1 非線性效應(yīng)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(zhǎng)，非線性效應(yīng)的累積變得非常明顯，這將使脈沖發(fā)生畸變，導(dǎo)致脈沖質(zhì)量下降，并限制了峰值功率的進(jìn)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(zhǎng)，n2為非線性折射率系數(shù)，I 為激光強(qiáng)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(yīng)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(shí)域和頻域形狀發(fā)生嚴(yán)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(yīng)也會(huì)限制飛秒脈沖峰值功率的提高。由于脈沖中心的強(qiáng)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(xì)絲，產(chǎn)生極強(qiáng)的光功率密度，使得光纖介質(zhì)通過多光子電離雪崩過程遭受破壞。對(duì)于多模光纖，其自聚焦效應(yīng)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(duì)于波長(zhǎng)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(qiáng)度激光脈沖的同時(shí)又將非線性的累積效應(yīng)最小化

8、，從20 世紀(jì)80 年代中期開始使用了啁啾脈沖放大(CPA)的技術(shù)。該技術(shù)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(dá)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(duì)傳統(tǒng)的脈沖啁啾放大技術(shù)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(yīng)具有大的展寬比(典型值1000:1)4，可是同時(shí)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(shè)計(jì)的難度。雖然使用傳統(tǒng)的衍射光柵對(duì)可以有效地對(duì)脈進(jìn)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(duì)激光束的擾動(dòng)特別敏感這對(duì)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(duì)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(duì)光纖端面的損傷是一個(gè)復(fù)雜的過程，它包含多方面的作用機(jī)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(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生雪崩電離，并由此造成光纖端面損傷。另一方面，對(duì)于高重復(fù)率的飛秒脈沖，還應(yīng)考慮其熱積累效應(yīng)，這種效應(yīng)可使光纖端面熔化或炸裂。盡管光纖端面損傷的機(jī)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(shù)進(jìn)展當(dāng)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(shù)仍是主流技術(shù)，利用這種技術(shù)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(shù)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(jí)啁啾脈沖放大，其原理如圖所示： 2.1 CPA 技術(shù)中使用的種子脈沖和功率放大器為了用相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)產(chǎn)生盡可能短的脈沖，CPA 技術(shù)中使用的低能量種子脈沖大多以被動(dòng)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(guān)效應(yīng)，這使系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，后來傾向于使用基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的更為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。近年來，也有人采用8 字形被動(dòng)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(zhuǎn)效應(yīng)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(dòng)鎖模方式中，最常用的還是基半

11、導(dǎo)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(zhǎng)在1060 nm、重復(fù)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(jié)構(gòu)獲得了脈寬為144 fs，中心波長(zhǎng)在1060nm，重復(fù)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(shí)需要直接對(duì)種子脈沖的重復(fù)率進(jìn)行調(diào)制，例如，通過降低種子脈沖的重復(fù)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(diào)制的脈沖整形器，可以對(duì)種子脈沖重復(fù)率從千赫茲到吉赫茲

12、的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，獲得了平均功率超百瓦的超短脈沖。目前CPA 技術(shù)常用的功率放大器，主要為摻Er光纖放大器和摻Y(jié)b 光纖放大器，也有Er/Yb 共摻的光纖放大器。由于摻Y(jié)b 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(zhuǎn)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Y(jié)b 光纖放大器作為脈沖功率放大模塊。具有特殊形狀內(nèi)包層的雙包層的使用，使得摻Y(jié)b 光纖放大器的輸出功率得到進(jìn)一步提高。2006 年，P. Dupriez 等即利用具有D形內(nèi)包層的大模場(chǎng)面積(內(nèi)包層厚度為400 m)摻Y(jié)b3+雙包

13、層光纖放大器，采用CPA 技術(shù)，獲得了110fs，重復(fù)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(dòng)鎖模光抽運(yùn)垂直外腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VECSEL)提供。2007 年，Yahel E 等詳細(xì)討論了光纖中Yb3+濃度及光纖長(zhǎng)度等因素對(duì)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(zhǎng)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(bǔ)償和非線性效應(yīng)控制問題的研究進(jìn)展脈沖壓縮器和展寬器中色散補(bǔ)償和非線性效應(yīng)控制問題是CPA 技術(shù)中亟需解決的關(guān)鍵問題，近年來已取得不少進(jìn)展。2.2.1.色散補(bǔ)償問題在啁啾

14、脈沖放大技術(shù)中，常采用衍射光柵對(duì)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(bǔ)償線性啁啾及二階色散。2007 年，Lecaplain. C.等使用體光柵對(duì)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(duì)，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(duì)作為壓縮器時(shí)，大的壓縮比將使光柵對(duì)本身產(chǎn)生可觀的三階色散?？梢?，光柵對(duì)并不能有效地補(bǔ)償高階色散，這

15、將使輸出脈沖產(chǎn)生邊翼，使脈沖質(zhì)量下降。而且，傳統(tǒng)的光柵對(duì)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(jié)構(gòu)是其發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)。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(diǎn)通常在1310 nm左右，由于其不能在波長(zhǎng)低于1.3m 處獲得反常色散，故在波長(zhǎng)低于1300 nm 的區(qū)域，無法進(jìn)行色散補(bǔ)償，因此目前很多CPA 系統(tǒng)中仍使用衍射光柵對(duì)做色散補(bǔ)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(jié)構(gòu)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(chǎng)輸出光斑。除了實(shí)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(gè)重要特點(diǎn)是其靈活可控的色散特性。通過精心設(shè)計(jì)空氣孔的尺寸和間距，可將零色散點(diǎn)向短波長(zhǎng)方向大大推進(jìn)，使得在波長(zhǎng)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(zhǎng)1.3 m，1.0m 波長(zhǎng)處色散值為-40 ps2/km 的PCF 來做色散補(bǔ)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(zhǎng)23 cm，1.0m 波長(zhǎng)處色散值為-67.3 ps2/km 的PCF 做色散補(bǔ)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(yīng)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(yīng)(如自相位調(diào)制)的影響和制約。自相位調(diào)制(SPM)將使經(jīng)過放大器和壓縮器后的脈沖嚴(yán)重變形，峰值功率下降，并導(dǎo)致脈沖質(zhì)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(duì)脈沖質(zhì)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(zhì)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(qiáng)度，這可通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)。其一為時(shí)域法，即利用展寬器使脈沖在進(jìn)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(chǎng)面積來降低脈沖強(qiáng)度，減小光纖長(zhǎng)度來進(jìn)一步降低非線性累積效應(yīng)的影響。增大光纖模場(chǎng)面積有很多種方法，傳統(tǒng)的方法是通過對(duì)梯度折射率的設(shè)計(jì)來制作大模場(chǎng)面積光纖，但它是以低數(shù)值孔徑為代價(jià)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(duì)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(chǎng)面積大數(shù)值孔徑光纖的理想選擇。通過精密調(diào)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(chǎng)面積同時(shí)又保持其單模特性。2003 年，J.Limpert 等制成了一種模場(chǎng)面積350 m2，數(shù)值孔徑達(dá)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Y(jié)b3+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(nèi)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(yīng)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(chǎng)面積PCF 和空氣芯帶隙光纖，可