“先進(jìn)中紅外激光技術(shù)與應(yīng)用”專題亮點(diǎn)文章

　　背景介紹

　　中紅外氟化物光纖超短脈沖激光在半導(dǎo)體材料加工、超連續(xù)泵浦、多光子顯微鏡、強(qiáng)場(chǎng)物理等方向有著廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來(lái)激光技術(shù)發(fā)展的重要前沿方向之一。

　　現(xiàn)有中紅外展寬和壓縮體光柵傳輸損耗極大，且中紅外光纖光柵技術(shù)不成熟，因此近紅外通用的光纖啁啾脈沖放大技術(shù)難于移植到中紅外波段，這限制了中紅外氟化物光纖峰值功率的提升。提升中紅外氟化物光纖的輸出峰值功率以滿足應(yīng)用需求，是國(guó)際上多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)追求的目標(biāo)。

　　上海交通大學(xué)謝國(guó)強(qiáng)教授課題組報(bào)道了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高峰值功率的2.8 μm Er：ZBLAN 光纖自壓縮放大器。通過(guò)數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)在光纖放大器中由于色散和非線性的相互作用，脈沖在放大的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自壓縮，從而實(shí)現(xiàn)高的峰值功率。放大器采用鎖模Er：ZBLAN 光纖振蕩器作為種子源，鎖模脈沖的寬度為240 fs、峰值功率為16.9 kW。通過(guò)單級(jí)光纖自壓縮放大器，獲得了脈沖寬度為110 fs、峰值功率為151 kW 的放大脈沖，從氟化物光纖中直接產(chǎn)生了超過(guò)100 kW的峰值功率。

　　創(chuàng)新工作

　　課題組設(shè)計(jì)的激光器系統(tǒng)由振蕩器和放大器兩部分組成。振蕩器采用高摻雜濃度的雙包層Er:ZBLAN光纖作為增益介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，振蕩器為環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)鎖模技術(shù)產(chǎn)生飛秒脈沖激光。

　　圖1 2.8 μm Er:ZBLAN鎖模光纖振蕩器及自壓縮放大器示意圖

　　飛秒種子脈沖通過(guò)ZnSe非球面透鏡耦合到放大器光纖中。為了避免振蕩器中發(fā)生脈沖分裂現(xiàn)象，將振蕩器輸出的脈沖峰值功率控制在約17 kW。同時(shí)，放大器選擇輸出端泵浦，這降低了放大器光纖中非線性相移的積累，同時(shí)提高了放大效率。

　　不同于傳統(tǒng)的啁啾脈沖放大器，自壓縮放大器呈現(xiàn)出顯著的脈寬自壓縮的特征。當(dāng)光纖中的脈沖放大到較高的脈沖能量，自位相調(diào)制效應(yīng)會(huì)造成顯著的非線性光譜展寬，而氟化物光纖中的反常色散和自位相調(diào)制效應(yīng)相互平衡，導(dǎo)致脈沖呈現(xiàn)出非常顯著的自壓縮。

　　通過(guò)孤子自壓縮放大器，將240 fs的種子脈沖自壓縮到110 fs，脈沖能量放大到16.6 nJ, 直接從自壓縮放大器中獲得了151 kW的峰值功率，光譜范圍覆蓋2.72~2.90 μm(圖2)。

　　圖2 自壓縮放大系統(tǒng)的輸出結(jié)果。(a)脈沖序列;(b)振蕩器輸出脈沖的自相關(guān)曲線;(c)振蕩器輸出脈沖的光譜;(d)放大器輸出功率隨泵浦功率的變化;(e)放大器輸出脈沖的自相關(guān)曲線;(f)放大器輸出脈沖的光譜

　　自壓縮放大器采用脈沖非線性放大的形式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了脈沖能量的提升和脈沖寬度自壓縮，而且激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，為高峰值功率中紅外超短脈沖的產(chǎn)生提供了一種新的技術(shù)途徑。

　　總結(jié)與展望

　　研究報(bào)道了2.8 μm Er:ZBLAN光纖自壓縮放大技術(shù)，驗(yàn)證了該技術(shù)能夠直接產(chǎn)生高峰值功率中紅外飛秒脈沖。相比于傳統(tǒng)的啁啾脈沖放大器，光纖自壓縮放大器無(wú)需光柵展寬和壓縮器系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的特點(diǎn)。

　　特別是，自壓縮放大不會(huì)出現(xiàn)增益窄化，反而會(huì)因非線性效應(yīng)而出現(xiàn)脈沖光譜帶寬展寬現(xiàn)象。利用自位相調(diào)制和光纖反常色散的相互平衡，從光纖自壓縮放大器中直接可產(chǎn)生高峰值功率脈沖。而且，利用低重頻脈沖放大和采用更大芯徑的氟化物光纖，通過(guò)自壓縮放大可進(jìn)一步提升中紅外氟化物光纖激光器的峰值功率水平。

       參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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