高功率可调谐皮秒光纤激光产生技术

高功率可调谐皮秒光纤激光产生技术 年月 第卷第期 红外与激光工程 . . . 高功率可调谐皮秒光纤激光产生技术 刘红军,高存孝,黄楠,孙启兵,龙汉波,文进,王屹山,赵卫 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安 摘 要:实验研究了一种基于增益开关激光二极管和掺镱光纤放大器的高功率可调谐皮秒激光脉 冲产生技术与系统。采用增益开关激光二极管作为种子源,多级掺镱单模光纤预放大器和两级大模 场双包层掺镱光纤主放大器构成的放大系统,以及增益补偿技术、可调谐滤波技术、环技术 一 、脉 和包层泵浦技术相结合的方法,获得了中心波长 可调谐、线宽.? 、平均功率的高稳定和高光束质量.的皮秒激光脉 冲宽度小于、重复频率 冲输出。 关键词:光纤激光; 光纤放大器; 皮秒激光; 高功率激光 中图分类号: 文献标志码: 文章编号:?? ?, , , , ,, ,, ,’ ,’ 。 : . ?, ? , ,. ? . , ,. ,.? , , 曲一 .. : ; ;? ; 收稿日期:?一: 修订日期: 基金项目:国家自然科学基金 作者简介:刘红军一,男,研究员,博士生导师,主要从事超短脉冲激光产生与 放大、光学参量放大、光学参量图像放大、可调谐 高功率超短脉冲光纤激光产生技术、源技术、光纤激光技术和非线性光学技 术等方面的研究工作。 :.. 万方数据刘红军等:高功率可调谐皮秒光纤激光产生技术 第期 值孔径.的大模场双包层掺镱光纤作为增益 引言 介质;第二级功率主放系统采用直径仙、数值孑 径.的大模场双包层掺镱光纤作为增益介 超快光纤激光器由于具有单通增益高、光束质 质。经过多级放大后,获得了重复频率、平均功 量好、调节方便、散热性能好、增益带宽大和潜在的 率、脉宽小于、中心波长一可 全光纤集成等优点而备受关注。高功率可调谐皮秒 调谐的高稳定、高光束质量的皮秒激光脉冲输出。 光纤激光因其在激光雷达、遥感、微加工、医疗、空间 通信、激光投影显示和水下光通信系统等方面具有 实验装置和结果 潜在的应用价值而得到了广泛、深入的研究【?】。近 多级光纤放大系统由两个预放大系统和两个主 年来已在脉冲运转和连续波运转方面获得了许多重 放大系统级联构成,实验结构如图所示。一个宽带 要成果。.等实现了平均功率超过、 重复频率、脉宽的输出【;.等获 得了平均功率、重复频率的输出,峰值 功率高达】;利用一级单模掺镱光纤预放大 器和两级大模场掺镱双包层光纤功率放大器,在波 长 处获得了平均功率 、重复频率 . 、脉宽 的输出【】;公司通过采 用调微晶片激光器产生的波长、重复频 率.的亚纳秒脉冲作为种子源、掺镱光子晶 体光纤作为功率放大器,获得了平均功率.、峰 值功率.的输出:一些实验室通过包层泵浦 图高功率司调谐皮秒光纤激光系统结构图 技术获得了高达数百瓦的连续光输出;.等 .阐述了一种高效、包层泵浦的掺镱光纤激光器,在 .恤处实现了.的连续输出,光束质量接 皮秒增益开关半导体激光二极管作为种子源。其输出 近衍射极限,斜率效率高达%【;此外,等获 信号脉宽为、中心波长为、线宽为、 得了近变换极限的脉宽、平均功率.、单脉 、、 平均功率为斗和重复频率在 ~ 冲能量、中心波长 可调谐的脉冲之间可调谐,通过一个单模光纤耦 输出;等在皮秒锁模掺镱光纤激光器 合器输出。与锁模激光器相比,此种子源产生的皮秒 中实现了调谐带宽达到调谐带宽范围~ 脉冲更加稳定,其输出光谱如图所示。可以看出. 的输出,脉宽为.~。然而,鲜有关于 在短波处,功率较低但光谱较宽,即该种子源光谱的 非锁模运转的高功率可调谐皮秒光纤系统的报道。已 上升沿较平缓,下降沿很陡峭。 实现了基于增益开关半导体激光二极管的掺镱光纤 放大器的高功率可调谐皮秒光纤激光的产生【。在现 有系统的基础上增加放大器的输出功率可进一步提 高系统的输出功率,同时采用大芯径和相对较小的内 包层的短光纤作为功率放大器的增益介质.能有效地 消除由光纤非线性和色散所产生的脉冲畸变。 文中研究了非锁模高功率可调谐皮秒光纤激光 的产生和主振荡功率放大器技术【钔。为了获 / 得更高的功率输出,在预放大系统后采用两级功率 图种子信号光谱图 主放系统。第一级功率主放系统采用直径“、数 .宅 . 万方数据 红外与激光工程 第卷 如参考文献【】所述,采用一种单模掺镱光纤作 非线性效应和增益饱和效应 的限制.单模增益光纤不 为第一级预放大系统的放大介质.并且通过优化设计 能作为增益介质来进一步提高系统输出的平均功率。 来选取合理的掺镱光纤长度和泵浦功率来补偿种子 在高功率光纤激光系统 中.包层泵浦技术非常具有吸 源光谱的增益,获得“平顶型”光谱输出,结果如图所 引力。为了在可调谐 皮秒源中获得更高的功率输出. 示。经过第一级预放大系统后,光谱被展宽到, 在主放大器系统中采用大模场双包层掺镱光纤作为增 益介质。并且选用具有更高耦合效率和更低热负载的 包层泵浦技术。如图所示,将直径、数值孔径 .的大模场双包层掺镱光纤作为第一级主放大 系统的增益光纤。利用平均功率.、波长的 多模半导体激光器进行抽运。获得了平均功率大于 .的输出。第二级主放大系统采用直径斗、数 值孔径.的同类大模场双包层掺镱光纤作为增 / 益介质.六台波长、总输出功率的多模半 图一级预放大输出光谱图 导体激光器与种子光经木的多模光纤耦合器耦合 . 进入增益光纤。为了防止反馈光造成的损害,将增益光 输出平均功率被放大到。将一个自行研制的可 纤的末端切割并抛光成斜角。最后获得了脉冲宽度小 调谐滤波器置入到两个预放大系统之间来实现可调 于、重复频率、平均功率、光谱带宽 谐输出,获得了脉宽、光谱带宽.?、中心 .?、中心波长在~范围内连续可调 波长一可调谐的激光脉冲输出.可调谐 谐的高稳定和光束质量优良.的脉冲输出。图 光谱带宽达到。在实验中,经过第二级预放大 为经主放大器放大后的可调谐输出光谱,图为经过 后,信号光功率被进一步放大,但是由于非线性效应, 主放大器之后的信号脉冲波形。 光谱被展宽,且产生了光谱基座。因此,采用环 来有效地压缩光谱和消除光谱基座。结果如图所 图经主放大器放大后的可调谐输出光谱图 图信号光在 处经过光谱滤波器之前的光谱 实线和经过光谱滤波器之后的光谱虚线 : .示。经过第二级预放大系统后,种子光脉冲的光谱带 宽从.展宽至.。通过光谱整形过滤器后 又被压缩至./。经过光谱整形滤波器后的种子 , 光的输出平均功率达到 。 图经过主放大器之后的信号脉冲波形 由于纤芯产生的自相位调制、受激拉曼散射等 . 万方数据刘红军等:高功率可调谐皮秒光纤激光产生技术 第期 ???????????????????????????????一 ?????????????????????????????????? ??????????????????????????????? :. , , 】 , . 结论 . 中 研究了一种高功率可调谐皮秒光纤激光产生技 【】. ,,:. 术与光源系统。该激光源由两级光纤预放大系统和 。 【】 丸 . 两级光纤主放大系统构成。为了确保稳定的皮秒脉. 冲输出,用一种增益开关半导体激光二极管作为种. ,: 子源。此外,在采用一种经过参数优化设计的单模掺 . 镱光纤作为增益介质的基础上,利用光谱增益补偿 【】 , 。 ,? .曲一 技术实现了宽带信号光输出。为了实现可调谐输出。 经过预放大后的宽带信号光经过自行研制的可调谐 【】.,,:. 滤波器滤波,使用环优化因自相位调制而展 , . 【】 , , 宽的光谱。预放大信号再经过两级主放大系统获得 脉冲宽度小于、重复频率、平均功率 【】. ,, 的波长可调谐激光脉冲输出。该方法的最显著优点 :. 在于可建立一种结构简单紧凑、性能稳定可靠的高,【 .功率可调谐光纤皮 秒激光源。, . ..:. 参考文献: . 【】 , , , 【】. , . ,,:?. 。 , . 【】 。 , 。 ? 【】. , 【】. ,:.,,:. 楼祺洪,周军,朱健强,等.高功率光纤激光器研究进展【】..? 【】 , , 红外与激光程,,:?. , . 【】 , , , 、 【】.,,:. 【】., , , ,,:?. . 汪园香,姜培培,杨丁中,等.基于结构的高功率线【】. ,, :?. 偏振脉冲光纤激光器【】.红外与激光工程,, 万方数据