“三高”(高重頻、高功率、高脈沖質(zhì)量)飛秒激光光源在科學研究和工業(yè)加工方面具有重要的應用價值。但是在其發(fā)展過程中，由于光纖中的脈沖在被直接放大時受到受激拉曼散射、受激布里淵散射等多種非線性效應的影響，峰值功率提升受限。

　　目前，采用啁啾脈沖放大技術結(jié)合大模場面積的光子晶體光纖或者雙包層光纖，可以有效降低非線性效應，進一步提高脈沖峰值功率，已經(jīng)逐漸成為該類型激光光源所采用的標準方案。

　　在啁啾脈沖放大技術中，脈沖展寬壓縮是其中極為重要的部分，可采用的主要有“CFBG展寬+CVBG壓縮”和“CFBG展寬+光柵壓縮”、“光柵展寬+光柵壓縮”等方案。與其他方案相比，基于塊狀光柵的脈沖展寬和壓縮方案，由于具有較高的損傷閾值，系統(tǒng)的色散補償充分、自由度多、操作靈活，輸出脈沖的時域質(zhì)量高等優(yōu)點而備受青睞。

　　為了獲得更窄脈寬、高脈沖質(zhì)量、百微焦量級的飛秒啁啾系脈沖放大激光統(tǒng)，山東大學信息科學與工程學院劉兆軍、趙智剛課題組開展了1 μm波段“三高”飛秒光纖激光系統(tǒng)的搭建。該系統(tǒng)由光纖鎖模振蕩器、脈沖展寬器、脈沖選單單元、多級光纖預放大器、主放大器和脈沖壓縮器組成，如圖1所示。

　　圖1 實驗裝置示意圖

　　振蕩器采用自主搭建的光纖鎖模振蕩器，重復頻率為62.8 MHz，中心波長為1031 nm，高斯型光譜半高全寬為15.8 nm，如圖2所示。采用基于大口徑透射光柵的雙通Martinez型脈沖展寬器對種子源輸出的脈沖進行時域展寬獲得納秒量級的脈沖輸出。

　　為了在提升激光器平均功率的同時，保持較低的增益窄化效應，使用了多級光纖放大結(jié)構(gòu)，避免增益放大。系統(tǒng)中各部分所對應的光譜，如圖2所示。經(jīng)過各級光纖預放大之后的光譜較為平滑;主放大級前后光譜的半高寬始終在10 nm左右，增益脈沖窄化現(xiàn)象較弱。

　　圖2 系統(tǒng)中信號光在不同階段的光譜

　　在主放大和壓縮部分，采用了大模場面積的光子晶體光纖和基于透射光柵的Treacy型脈沖壓縮器。系統(tǒng)的重復頻率為500 kHz時，獲得平均功率為51.5 W、壓縮效率為82.3%、單脈沖能量為103 μJ的高脈沖質(zhì)量飛秒激光輸出。在1 MHz的重復頻率下，獲得壓縮后平均功率為61.5 W的激光輸出。

　　為了滿足某些實驗的長時間測試需求，對兩種重復頻率下的激光器穩(wěn)定性進行測試，如圖3所示。在系統(tǒng)工作在1 MHz重頻，輸出平均功率為50 W時，采用M2分析儀測試脈沖的光束質(zhì)量，計算得到激光器的平均光斑質(zhì)量M2=1.22.

　　圖3 CPA系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性，其中插圖為光束質(zhì)量

　　脈沖質(zhì)量是衡量激光器性能的重要指標。色散調(diào)控技術是光纖啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)實現(xiàn)高質(zhì)量脈沖輸出的有效途徑。在重復頻率為1 MHz，平均功率為50 W時，通過精細調(diào)節(jié)展寬器和壓縮器中的光柵位置和入射角度，優(yōu)化系統(tǒng)的色散，使用SHG-FROG測得系統(tǒng)輸出的脈沖寬度為273.6 fs。

　　圖4 SHG-FROG測量脈沖寬度和相位

　　如圖4所示，主脈沖附近還有一些未被補償?shù)臍堄喔唠A色散。為了解決此問題，可以將普通的Martinez型脈沖展寬器更換成更加復雜的Offner型無相差脈沖展寬器。使用該方案，可以有效減少系統(tǒng)中的高階色散和相差引入，進一步降低輸出脈沖寬度，提高脈沖質(zhì)量。

　　圖5為封裝完成后的激光器樣機和文章部分作者，左起分別為：趙其鍇、趙智剛、張行愚、劉兆軍(團隊負責人)。

　　課題組未來會進一步開展更加深入的研究工作，結(jié)合相關技術措施，攻克現(xiàn)有問題，優(yōu)化脈沖質(zhì)量，進一步提高激光系統(tǒng)的各項性能指標，如平均功率、單脈沖能量等。

　　隨著超快飛秒激光器的進一步發(fā)展，研制的激光器將廣泛應用于精密加工、基于高次諧波技術的二次光源開發(fā)及應用、超快生物醫(yī)學光子學、超快光譜學等研究領域。

      參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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