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超快光纤激光器的峰值功率达G瓦量级

2008-08-04 17:46
小伊琳
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    光纤激光器中的主放大器的功率容量具有重复频率为兆赫兹、峰值功率为G瓦量级的潜在性能;也就是说,脉冲能量为毫焦量级、脉冲宽度为亚皮秒量级的脉冲激光光源的平均功率为一千瓦。

 

    Fabian Roser,Jens Limpert,Andreas Tunnermann

 

    众所周知,基于光纤的激光器系统能实现可调节的平均功率。由于它们具有效率高、能极好地将光束限制在波导结构中以及散热快等优点,目前光纤激光器已经能输出功率为几千瓦量级的衍射极限光束连续波。


    尽管如此,超快光纤激光器在性能上依然落后于固体激光器,而且人们并没有将光纤激光器列为高峰值功率激光光源的最佳选择。因此,利用光纤激光器产生高能量飞秒脉冲便成了业界面临的最终挑战;如果能通过光纤激光器获得高能量飞秒脉冲,则高能量与高平均功率的结合,将使光纤激光器具有极为重要的性能。

 

    提高峰值功率


    由于光束被紧密地限制在整个光纤长度上,自相位调制(SPM)会导致非线性脉冲畸变,这使光纤激光器在峰值功率方面受到限制。抑制这些效应的最直接、最常见的方法是利用著名的啁啾脉冲放大(CPA)技术,将脉冲在时间上展宽,从而降低脉冲强度。多年来,德国Friedrich Schiller大学的研究小组利用飞秒掺镱光纤CPA系统,已经获得了220fs的脉冲和131W的平均功率。[1]尽管脉冲在时间上得到了展宽,但是当系统输出能量更高时,仍然不能避免自相位调制的影响。

 

    用于描述由于自相位调制而积累的非线性相移总量的物理量被称为B积分。当B积分大于π时就进入了脉冲的非线性放大区,通常这个区域的脉冲质量会下降;也就是说,脉冲展宽、脉冲前沿和后沿的演化,有效地降低了峰值功率。

 

    除了时间上的展宽之外,还要求增加放大光纤中的模式面积,以降低放大过程中的脉冲峰值强度,并保持B积分值尽量低。为了做到这一点,在某些光子晶体光纤设计中,将单模纤芯的尺寸显著增大,例如最新的棒状光子晶体光纤。[2]这种光纤的设计特点是模场面积非常大,并且吸收长度非常短(小于1m),因此产生的非线性性极低。传输信号光和泵浦光的波导结构被一层非常大的熔融石英包层包裹,使得光纤坚固挺直,不需要聚合物保护套。较大的纤芯基模可以防止由于弯曲引起畸变和模场面积减小,这种现象一般出现在盘绕起来的大模场面积光纤中。这种棒状光纤的想法使得在整根光纤中可以保持较大的模体积,从而最有效地利用其低非线性的特点。此外,由于不存在聚合物护套,还可以获得很高的峰值功率而不涉及散热问题。

 

 

    实验装置


    最近,研究小组用80μm的掺镱纤芯光子晶体光纤作为主放大器实现了一套高平均功率、脉冲能量为毫焦级的飞秒光纤CPA系统(见图1)。整套装置包括一台被动锁模掺镱钨酸钆钾(Yb:KGW)振荡器、一个电介质光栅展宽-压缩单元、一个作为脉冲选择器的声光调制器,以及作为放大级的两段单通结构的掺镱光子晶体光纤,其总的增益因子约为25000。

 

    长腔Yb:KGW振荡器输出变换极限的400fs脉冲,重复频率为9.7MHz,平均功率为1.6W,中心波长为1030nm。展宽-压缩单元采用两块1740线/mm的电介质衍射光栅,并将3.3nm带宽的脉冲展宽到2ns。展宽器的总效率为60%。衍射效率高达75%的石英声光调制器减小了脉冲重复频率。

 

    预放大器包含一段长1.2m、芯径为40μm的单偏振态空气包层光子晶体光纤,其内包层的直径为170μm,由波长为976nm的光纤耦合二极管激光器泵浦。这样的结构可以实现高达35dB的单程增益,以及最高达6W的平均功率。然而,研究小组仅让预放大器工作在几微焦的脉冲能量下,以避免非线性相移在这一级上过多地积累。

 

 

    主放大器由低非线性空气包层棒状光子晶体光纤构成(见图2)。其内包层的直
径为200μm(数值孔径为0.58),增益纤芯为80μm。这种结构对于976nm信号泵浦光的吸收仅为30dB/m。没有包层的光纤被埋入水冷的铝块中。尽管纤芯仅支持少量横模,但是只有通过种子模式匹配,才能实现基模光稳定激发。这个1.2m长的棒状光纤的模场直径为71μm,对应的有效模场面积为4000μm2。输出光束质量(M2值小于1.2)与功率无关。

 

    200kHz重复频率的脉冲被压缩之后,光纤激光器的输出可以表示为输入泵浦功率的函数曲线(见图3)。主放大器注入种子光的平均功率为0.5W,对应的脉冲能量为2.5μJ。用230W的输入泵浦功率,可以获得145W的平均输出功率,斜率效率高达66%。由于没有任何包层材料和光纤稳定支架,因此在这个平均功率水平,并没有出现热光或者热机问题。光纤放大器输出的偏振度为98%,从而能够对脉冲进行有效再压缩。压缩后70%的透过率使总的斜率效率为46%,压缩后的平均功率为100W,等价于脉冲能量为500μJ。

 

    这套高性能光纤CPA系统,在最高提取脉冲能量时的输出谱线具有2.9nm线宽(半高全宽)和7.5nm带宽,这是由展宽-压缩单元决定的。在过去报道的功率水平上,研究人员只观察到了很小的增益变窄。放大的自发辐射和中间(未经选择的)脉冲被抑制的效果优于35dB。对谱线波长进行更大范围的扫描,可以排除受激拉曼散射。

 

 

    连续调节压缩器中光栅的距离,可以得到最小的自相关宽度。在500μJ时测得这个宽度为1.2ps,假设脉冲形状为sech2型,其对应的脉冲宽度为780fs(见图4)。相比之下,非常低的脉冲能量下的自相关曲线显示出了谱翼结构,它随着脉冲能量的增加而增大,这主要是由于施加的非线性相位(SPM)引起的。在这种情况下,计算得到总的B积分值为4.7。通过降低注入到主放大器中的种子光功率,可以进一步提高脉冲能量,而且不会降低脉冲质量。这降低了预放大器的B积分值和主放大器的有效光纤长度,从而降低了累积的非线性性。但是,因为增加了泵浦光的吸收饱和,所以提取效率有所降低。

 

 


    SH强度,时间延迟


在100kHz的重复频率下,要求输入泵浦功率达到220W、种子光的平均功率达到100mW,提取100W的平均功率,对应的脉冲能量为1mJ,并产生700μJ的压缩脉冲能量。在50kHz的重复频率和70mW的种子光功率下,对于180W的泵浦功率,研究小组得到了71W的平均功率,对应的能量为1.45mJ。在这种情况下B积分值仅为7。压缩后的脉冲的自相关宽度为1.23ps(等价于800fs的脉冲宽度),并且脉冲能量高达1mJ,对应的脉冲峰值功率几乎达到了1GW。对于基于光纤的超快激光系统,这是已经报道的最高的脉冲能量和峰值功率。

 

    功率提高


    为了研究这套棒状光子晶体光纤放大器平均功率进一步提高的潜力,研究人员建造了一个简单的连续波激光腔。利用波长为976nm的光纤耦合二极管激光器泵浦光纤的两个端面,可以获得高于700W的最大输出功率。其输出以66%的斜率效率线性增加,并且仅仅受到泵浦功率的限制。

 

    700W的功率值对应于单位长度提取的功率为570W/m。即使在这样高的提取功率水平下,激光器的工作仍然很稳定,并且没有发生热效应。因此,研究人员相信这套装置有能力实现兆赫兹重复频率下的毫焦级脉冲能量,对应于千瓦量级的输出功率。这将使光纤激光器在高速、高精度微机械加工等众多科研和工业应用中的找到新的应用空间,并且也将推进在高重复频率下进行的强场物理实验的发展。

 

    参考文献
1. F. Roser et al., Optics Lett. 30(20) 2754 (2005).
2. J. Limpert et al., Optics Exp. 14(7) 2715 (2006).

 

(编辑:小曾)

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