高重复频率飞秒光纤激光技术进展

简要回顾了飞秒光纤激光技术的发展,并报道了高重复频率光纤激光器的最新进展.通过模拟计算,证明高重复频率下锁模脉冲有随光纤缩短而变窄的趋势.选用合理的光学元件、光纤长度和色散匹配,研制出重复频率为330 MHz的掺铒光纤激光器,490 MHz的色散控制掺镱光纤激光器和600 MHz重复频率的全正色散掺镱光纤激光器.此类光...     

国产纺锤形渐变掺镱光纤实现6 kW宽谱激光输出

高功率高光束质量光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用,然而光纤中的非线性效应和模式不稳定效应限制着高光束质量光纤激光器的功率提升,采用新型结构大模场增益光纤在同时抑制非线性效应和模式不稳定效应方面具有较大潜力。报道了基于单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤激光成功实现6 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构,放大级采用双向981 nm泵浦纺锤形渐变掺镱光纤,在总泵浦功率为7.68 kW时,输出功率达到6.02 kW,光束质量M2因子约为1.9。通过进一步优化纺锤形掺镱光纤制作工艺及结构参数,有望实现更高功率、近单模光束质量的光纤激光输出。     

亚百飞秒高功率掺镱大模面积光子晶体光纤飞秒激光放大器的实验研究

实验研究了掺镱双包层保偏大模面积光子晶体光纤飞秒激光放大器. 获得了平均功率达16W的飞秒激光放大输出,在50MHz重复频率下,对应的单脉冲能量达到320nJ. 增益光纤长3.5m,由于自相位调制效应,种子光脉冲光谱在放大过程中同时展宽,从而支持更窄的脉冲宽度. 经过光栅后,脉冲宽度压缩到了85fs. 系统中的振荡器和放大器基于同一种具有偏振结构的大模面积光子晶体光纤,具有很好的环境稳定性和进一步集成的可能. 关键词： 光子晶体光纤 大模场面积光纤 飞秒激光 光纤放大器     

采用飞秒光纤激光同步泵浦的自启动锁模钛宝石激光研究

针对常规连续激光泵浦钛宝石激光振荡器不能自启动锁模的缺点,采用倍频飞秒光纤激光同步泵浦,通过调节振荡器腔长与泵浦腔长匹配,实现了飞秒钛宝石激光的自启动锁模。实验中采用3.4 W的倍频掺镱光纤激光同步泵浦钛宝石激光振荡器,获得了平均功率大于130 mW、重复频率75 MHz、光谱宽度大于47 nm、脉冲宽度17 fs的锁模脉冲输出,不仅能够稳定可靠地实现自启动锁模,解决了常规钛宝石激光振荡器锁模启动的困难,而且还具有同步输出1040,800,520 nm三束飞秒激光的特点,为进一步开展飞秒激光相干合成以及光参量放大等研究提供了优势基础。     

国产25/400μm掺镱双包层光纤实现2.2kW窄线宽单模激光输出

基于自主研制的均匀掺杂低热光系数25/400μm掺镱双包层光纤,开展了全光纤高功率窄线宽光纤激光放大实验。激光系统实现了中心波长为1060.3 nm、线宽为25 GHz、最高功率为2.2 kW的单模激光输出,其斜率效率达78%,光束质量因子M~2≈1.2,其功率是目前报道的基于国产25/400μm掺镱双包层光纤窄线宽放大器单模激光输出的最高功率。     

高性能1018 nm光纤及激光器实验研究

对光纤预制棒制备过程中沉积的气体流量、管内压强等参数和光纤掺杂组分进行了研究. 研究发现通过共掺其他元素, 可以使掺镱光纤的荧光谱发生移动. 基于此, 制备了有利于1018 nm激光输出的掺镱双包层光纤. 在增益光纤长度为7 m时, 实现了22.8 W的1018 nm激光输出, 光-光效率接近70%, 并且没有观察到明显的自发辐射和饱和现象. 关键词： 光纤激光器 双包层掺镱光纤 1018 nm     

双包层大模场面积保偏掺镱光子晶体光纤研究

采用改进的化学气相沉积法和溶液掺杂法制备出掺镱石英光纤预制棒,以该预制棒为有源纤芯制备芯区直径约为30μm的双包层保偏掺镱光子晶体光纤.模拟计算得到该保偏光纤的模场面积约232μm2,双折射系数B为5×10-5.利用该光纤分别进行了脉冲激光和连续激光的放大测试实验,在国内首次实现了高效率的飞秒激光放大,2 m长的光子晶体光纤可得到1.64 W的激光输出,激光放大斜率效率为49.8%.同时5 m长的光纤还能够实现8.12 W的连续激光放大输出,斜率效率达到55.9%,具有较高的斜率效率.此外,该光纤消光比约10 dB,具有良好的保偏特性.     

基于啁啾光纤布拉格光栅的掺镱保偏锁模光纤激光研究

利用啁啾光纤布拉格光栅作为光谱滤波器和色散控制元件来控制掺镱保偏锁模光纤激光的光谱形状和腔内色散.实验装置采用线性腔设计,利用半导体饱和吸收镜作为锁模器件,实现掺镱保偏光纤激光器的被动锁模激光输出.当泵浦功率为52 mW时,获得了脉冲宽度为4.26ps,重复频率为15.7 MHz,平均功率为9.8mW的稳定锁模脉冲激光输出.输出激光中心波长为1 030nm,3dB谱宽为7.2nm,对应理想傅里叶变换极限脉宽约为150fs.     

高能量掺Yb偏振型大模场面积光子晶体光纤孤子锁模飞秒激光器

实验研究了基于掺Yb偏振型大模场面积光子晶体光纤的孤子锁模激光器,获得了高脉冲能量的飞秒激光输出. 激光器基于线形腔结构,利用光栅对补偿腔内色散,并通过半导体可饱和吸收镜实现锁模的自启动. 实验中从振荡级直接获得了平均功率为700mW, 重复频率为47.3MHz(对应于14.8 nJ的单脉冲能量),脉冲宽度为518 fs的稳定锁模脉冲输出. 与普通孤子锁模飞秒光纤激光器相比,输出的单脉冲能量提高了两个数量级. 关键词： 光子晶体光纤 飞秒 光纤激光器 孤子锁模     

单模光纤激光极限功率的数值研究

对光纤激光极限功率的探索和其受限因素的分析, 有利于为大功率光纤激光器的发展提供理论依据和实验指导. 本文考虑热效应、光效应、非线性效应和抽运亮度等因素对光纤激光极限功率的影响, 分析了掺镱和掺铥光纤的极限功率和受限因素. 在此基础上, 结合激光在光纤中单模传输的条件, 计算了单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率. 计算结果表明, 在现有技术条件下, 使用常规的976 nm和793 nm激光二极管抽运, 单模掺镱和掺铥光纤激光的极限功率分别为4.2 kW和7.8 kW, 其中单模掺铥光纤激光的功率水平还远低于它的极限功率的原因是受抽运亮度的限制. 最后分析指出减小纤芯的数值孔径和改进少模光束的光束质量是提升单模光纤激光极限功率的重要途径.     

高功率、低量子亏损同带抽运掺镱光纤放大器

开展了基于同带抽运的高功率、低量子亏损的掺镱光纤放大器实验研究. 搭建了一台输出功率为21 W的1018 nm短波 长掺镱光纤激光器, 并利用其对双包层掺镱光纤进行同带抽运, 获得18.6 W的1080 nm波段激光输出, 光-光转换效率高达90.86%. 关键词： 光纤放大器 同带抽运 双包层光纤 转换效率     

掺镱硼酸钙氧钇飞秒激光器及在拉锥光纤中产生跨倍频程超连续光

跨倍频程超连续光谱的产生是光学频率梳系统中测量载波包络相移频率的关键.本文采用拉锥单模光纤作为非线性光谱展宽介质, 将半导体激光(LD)抽运的掺镱硼酸钙氧钇(Yb:YCOB)振荡器输出的飞秒激光耦合到该拉锥光纤中, 通过飞秒激光在光纤中发生的相位调制、四波混频等非线性效应将光谱展宽至超过倍频程的范围.振荡器输出的飞秒激光脉冲宽度为130 fs, 中心波长为1052 nm, 重复频率为76.8 MHz, 平均功率为620 mW, 耦合进单模拉锥光纤后获得了光谱覆盖范围从550 nm至1350 nm的跨倍频程超连续光谱, 最大输出平均功率为323 mW, 耦合效率达到52%.为进一步实现全固态飞秒激光光学频率梳提供了重要基础.     

用于光阴极的光纤激光研制实验

为获得高亮度低发射度的电子束,研制高重复频率高平均功率的光阴极驱动激光系统非常关键。利用光纤激光技术,设计了100 MHz和1.3GHz的激光系统。激光系统为全光纤结构,采用了掺镱光子晶体光纤作为放大器增益介质。在初步验证实验中,红外激光输出27 W,倍频后绿光达到6 W。     

5.2 W高重频257 nm深紫外皮秒激光器

为了提高半导体检测用深紫外激光器的检测效率,需要搭建高功率、高重频257 nm深紫外皮秒激光器实验平台。本文以光子晶体光纤放大器和腔外四倍频结构为基础,进行了257 nm深紫外激光器的实验研究。种子源采用中心波长为1 030 nm、脉冲宽度为50 ps的光纤激光器,输出功率为20 mW,重复频率为19.8 MHz。通过两级掺镱双包层（65μm/275μm）光子晶体光纤棒放大结构,获得了1 030 nm高功率基频光。利用二倍频晶体LBO、四倍频晶体BBO,采用腔外倍频方式获得了257 nm深紫外激光。种子源通过两级光子晶体光纤放大器输出的1 030 nm基频光,输出功率为86 W,经过激光聚焦系统后,倍频得到二次谐波515 nm激光输出功率为47.5 W,四次谐波257 nm深紫外激光输出功率为5.2 W,四次谐波转换效率为6.05%。实验结果表明,该结构可获得高功率257 nm深紫外激光输出,为提高半导体检测用激光器的检测效率提供了新思路。     

GHz瓦级全固态克尔透镜锁模Yb:CYA飞秒激光器（特邀）

掺镱氯酸钆钙(Yb:CaYAlO₄,简称Yb:CYA)晶体具有生长容易、增益曲线宽广平坦以及比热容高和导热性好等优点,是产生飞秒超短脉冲的优异介质晶体。本文介绍了一种基于Yb:CYA晶体的全固态克尔透镜锁模GHz飞秒振荡器,采用功率为8 W的980 nm光纤激光作为泵浦源,腔型为四镜环形腔结构,Yb:CYA晶体厚度为3 mm。该振荡器能够产生中心波长1 051 nm、平均输出功率1.7 W的GHz飞秒脉冲,脉冲宽度为207 fs。基于Yb:CYA晶体的振荡器实现了GHz重频瓦级飞秒脉冲输出,为进一步基于此振荡器实现高重频飞秒光学频率梳打下了坚实基础。     

全光纤多种子激光脉冲产生系统

报道一种可精确同步输出宽带啁啾脉冲、纳秒级整形脉冲以及窄带光参量啁啾放大抽运脉冲的全光纤多种子激光脉冲产生系统.采用掺镱光纤锁模激光器和掺镱单纵模光纤振荡器作为系统的光源,将掺镱光纤锁模激光器输出的超短脉冲分束啁啾展宽至0.9ns后,一路进行放大产生10μJ量级的宽带啁啾脉冲为高能拍瓦激光器系统提供种子光脉冲,另一路通过1.2nm滤波产生140ps的基元脉冲,通过光纤堆积器产生可编程整形的2.3ns脉冲,再经过放大达到10μJ量级,提供任意整形的压缩脉冲.同时,将部分掺镱光纤锁模激光器输出的超短脉冲进行光电转换并锁相后,产生与锁模超短脉冲高精度同步的电脉冲用于触发幅度调制器,将掺镱单纵模光纤振荡器输出的连续光削波放大,产生光参量啁啾放大抽运脉冲.该系统能够根据物理实验的需要,非常灵活地在输出各种脉冲之间做出选择.     

空气包层大模场面积掺镱光子晶体光纤研究

采用改进的化学气相沉积法和气相液相混合掺杂技术制备大芯径掺镱石英光纤预制棒, 以此作为有源纤芯制备了纤芯直径约90 μm的掺镱双包层光子晶体光纤, 纤芯组分为镱铝磷共掺.双包层光子晶体光纤的模场面积约1330 μm², 纤芯数值孔径0.065,包层数值孔径0.5.首次实现了国产掺镱光子晶体光纤的高功率高效率激光输出, 1 m长的光子晶体光纤激光器实现102 W 激光输出,斜率效率76%.     

飞秒掺钛蓝宝石激光三倍频理论和实验研究

从理论和实验上分别研究了飞秒掺钛蓝宝石激光二倍频和三倍频的非线性频率转换过程.采 用Ⅰ类相位匹配非共线和频方法得到飞秒掺钛蓝宝石激光的三倍频2601nm输出，转换效 率达64%, 脉冲宽度为169fs.这为时间分辨电子显微镜提供了一种超短脉冲的紫外光源. 关键词： 飞秒激光 三倍频 时间分辨 BBO晶体     

基于掺镱激光器的近单周期脉冲后压缩理论研究

单周期的激光脉冲是通过高次谐波方法产生孤立阿秒脉冲的理想驱动源。基于空芯光纤的脉冲后压缩法是获得高时空质量单周期飞秒脉冲的重要途径。本文开展基于充气空芯光纤的脉冲后压缩理论研究，模拟并优化了空芯光纤中纤芯半径，传输长度，气体压强等参数，在充有氩气或氪气的空芯光纤中将光谱展宽达到一个倍频程，并通过色散补偿将掺镱激光器倍频的515 nm脉冲的脉宽压缩至近单周期，其压缩比达到100。该研究结果为基于高功率长脉冲的掺镱激光脉冲的高压缩比实验提供理论指导，为高亮度阿秒激光产生提供高性能驱动光源。     

基于超连续谱的可调谐同步脉冲产生及噪声分析

实验研究了基于超连续谱滤波的可调谐双色同步皮秒脉冲产生技术,将全保偏掺铒锁模光纤激光器输出的脉冲分为两路,其中一路耦合到高非线性光纤,获得了覆盖掺镱光纤发射谱带的超连续谱,通过结合窄带可调谐滤波器和全保偏掺镱放大器,实现了平均功率为70 mW,脉冲宽度为4.0 ps,中心波长为1025～1055 nm的可调谐脉冲。掺铒光纤激光器的另一路输出光经过窄带滤波器和掺铒光纤放大器,实现了中心波长为1580 nm,平均功率为200 mW,脉冲宽度为4.2 ps的激光输出。上述基于超连续谱滤波的可调谐双色皮秒脉冲具有良好的同步特性,可以作为相干反斯托克斯拉曼散射的泵浦光和斯托克斯光。研究发现,选取超连续谱平坦位置的光谱成分作为掺镱放大器的种子光时,脉冲幅值及平均功率抖动更小,相对强度噪声更低。