1 引言

随着超短脉冲激光技术和应用的不断发展,其在精密测量、微纳加工、非线性光谱显微成像、物质成分鉴定等领域已大显身手^[1-4]。相比长脉冲激光,超短脉冲激光同时拥有高时间分辨、高频谱分辨、高峰值功率等特点,已经成为多个科研和工业领域的主要工具^[5-7]。激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种通过探测激光诱导等离子体特征光谱,由特征峰的位置和强度信号获取物质成分和含量的快速分析技术。2001年,Angel等^[8]使用中心波长为1064 nm、脉冲宽度为1.3 ps和140 fs的两路超短脉冲,对铜表面进行了垂直相交双脉冲激光的诱导击穿光谱测量,通过预激发方式,LIBS信号相比单脉冲激发增强了40倍。2010年,Balachninaite等^[9]利用紫外257.5 nm和近红外1030 nm双脉冲在不锈钢上进行共线激光诱导击穿光谱测量,当脉冲间延迟小于200 ps时,相比单脉冲激发实现了3~5倍的信号增强。可以看出,通过控制两路脉冲的脉宽和延时可以显著提升LIBS信号的强度。

一般地,LIBS实验通常使用Nd∶YAG固体激光器作为光源^[10],但是这种方案空间光路复杂、稳定性有待提升。光纤激光器具有稳定性好、结构紧凑、性价比高等特点,已经成为全固态光源的强力竞争者^[11-12]。对于超短脉冲光纤激光器而言,非线性和色散管理是光谱控制、脉冲信噪比提升的关键难点。1991年,Fermann等^[13]采用掺Nd³⁺单模光纤首次搭建了被动锁模光纤激光器,通过进行腔内色散补偿,得到了中心波长为1064 nm、脉冲宽度为125 fs的脉冲输出。当功率提升后,由于光纤的纤芯面积较小,较高的光能量密度极易产生多种非线性效应,影响脉冲信噪比。近年来,大模场增益光纤制作工艺不断改进,其与啁啾脉冲放大(CPA)和分离脉冲放大(DPA)等技术进一步结合,超短脉冲在光纤放大过程中的非线性效应得到了有效抑制,极大地提高了光纤超短脉冲激光器的输出功率。2010年Eidam等^[14]使用CPA技术,通过光栅对将脉冲宽度为200 fs的脉冲展宽至800 ps,功率放大后进行脉宽压缩,得到了重复频率为78 MHz、输出功率为830 W、脉冲宽度为630 fs的超短脉冲输出。然而,CPA技术对窄线宽的皮秒种子脉冲并不适用。2016年Lesparre等^[15]对1.1 ps的窄线宽种子脉冲引入负色散,利用DPA技术有效抑制了脉冲放大过程中的非线性效应,通过Yb∶YAG单晶光纤放大器进行激光放大,获得了重复频率为12.5 kHz、脉冲宽度为6 ps、单脉冲能量高达2 mJ的超短脉冲输出,相应峰值功率为320 MW。为了获得高质量、高平均功率的超短脉冲,光纤激光器中使用大模场光子晶体光纤放大器已成为趋势。2004年 Limpert等^[16]通过使用纤芯直径为40 μm的光子晶体光纤,有效抑制了自相位调制(SPM)引起的光谱展宽,实现了平均功率为48 W、光谱宽度小于1 nm的超短脉冲输出,但是此方案种子光采用空间耦合的方式进入光子晶体光纤,不仅结构复杂,而且易受环境因素影响。2012年Stutzki等^[17]搭建了主振荡功率放大(MOPA)结构的光纤激光器,选用纤芯直径为135 μm的棒状光子晶体光纤作为主放大器增益介质,最终获得了重复频率为5 kHz、平均功率为130 W、单脉冲能量为26 mJ的脉冲输出,然而该方案脉冲宽度为纳秒量级(60 ns)。在国内,2018年北京航天控制仪器研究所搭建了MOPA结构光纤激光器^[18],主功率放大器的增益光纤采用纤芯为30 μm的大模场掺镱光纤,最终实现了重复频率为100 kHz、单脉冲能量为3 mJ、脉冲宽度为203 ns的激光输出。2019年,华中科技大学基于国产100/400双包层掺镱光纤,搭建了MOPA纳秒调Q光纤激光器,实现重复频率为30 kHz、单脉冲能量为17.5 mJ的激光输出^[19],但是此方案容易产生寄生振荡,需要对光纤输出端进行优化处理。为了进一步实现高功率光纤激光器的实际应用,2020年贺明洋等^[20]基于自相似光纤激光放大技术,使用纤芯直径为40 μm的光子晶体光纤作为主放大器,实现了重复频率为40 MHz、脉冲宽度为50 fs、峰值功率为17 MW的超短脉冲输出。该系统通过光纤热管理和数字监控系统的配合,大幅度地提升了稳定性和鲁棒性,推动了高功率飞秒光纤激光器的实际应用。

本文采用同一个皮秒光纤种子源,通过有效管理脉冲在光纤放大链路上的非线性和色散效应,最终得到了宽带光谱飞秒脉冲和高功率窄带光谱皮秒脉冲同步输出,为后续飞秒-皮秒高能量固体放大以及光学倍频^[21-22]提供了优质的同步种子脉冲。实验上,通过进一步锁定光纤振荡器的重复频率,有效降低了输出脉冲的时间抖动。

2 实验材料及装置

皮秒种子源采用驻波腔结构,以可饱和吸收镜和光纤光栅(FBG)分别作为谐振腔两端的反射镜。其中,FBG的工作波长为1030 nm,反射带宽和反射率分别为0.2 nm和99%。使用980/1064 nm的波分复用器(WDM)将中心波长为976 nm的抽运光耦合入单模掺镱增益光纤。该增益光纤的纤芯直径为6 μm、数值孔径为0.11,在波长975 nm处的吸收率为250 dB/m。种子源输出的皮秒脉冲经过第一级单模光纤放大器(YDFA1)进行初步能量提升,随后由1∶1分光比的分束器将其分成两束(TAP2和TAP3),分别注入飞秒放大链路和皮秒放大链路。

在飞秒放大链路中,皮秒种子脉冲依次经过第二个单模光纤放大器(YDFA2)和50 m的单模保偏光纤,分别进行功率提升和光谱展宽。最后,经过准直输出后的皮秒脉冲由光栅对进行去啁啾。在皮秒放大链路中,为了抑制单脉冲能量提升过程中引入过多的光谱畸变,皮秒脉冲经YDFA3进行光放大后,再利用光纤耦合声光调制器(AOM)进行脉冲选单,实现皮秒脉冲重复频率可调。主放大器选用纤芯直径为40 μm、长度为1.2 m的双包层掺镱保偏光子晶体光纤(DC-200/40-PZ-Yb, NKT, Pump absorption @976 nm: 10 dB/m)作为增益介质^[16],可以有效地抑制皮秒脉冲放大过程中的光谱展宽和畸变,获得窄线宽、高峰值功率的线偏振激光输出。光子晶体光纤与合束器尾纤(纤芯直径为10 μm)的熔接损耗为0.7 dB。通过对光子晶体光纤输出端进行了塌缩和切斜角处理,有效提升了光纤端面的抗光致损伤能力,并抑制了端面回返光造成的自激振荡。最后,由二向色镜滤除残余泵浦光,由隔离器进行逆向光隔离。

实验中通过压电陶瓷精密调节结合一维步进电机大范围补偿的方式,对种子源的光学腔长进行控制。其中,压电陶瓷的最大伸缩量为110 μm、步进精度为2.5 nm,步进电机的量程为12.7 mm、步进精度小于30 nm。

3 实验结果及分析

如图1(b)所示,皮秒种子源的重复频率为40.37 MHz,光谱宽度为0.098 nm(实线),谐振腔脉冲宽度为21 ps(插图),对应的时间带宽积为0.582。YDFA1将脉冲平均功率提升至65.2 mW,如图1(b)中的虚线所示,光谱宽度为0.109 nm,该放大器引入的光谱展宽并不明显。光纤分束器将皮秒脉冲分成27.8 mW(TAP2)和30.1 mW(TAP3)两束,分别注入飞秒放大链路和皮秒放大链路。

图 1. 实验装置图。(a)谐振腔;(b)第一级掺镱光纤放大器YDFA1;(c)飞秒放大链路;(d)皮秒放大链路;(e)谐振腔和YDFA1的输出光谱

Fig. 1. Experimental setup. (a) Laser oscillator; (b) first stage of Yb-doped fiber amplifier; (c) femtosecond laser amplification loop; (d) picosecond laser amplification loop; (e) spectrum for the oscillator and the YDFA1

下载图片 查看所有图片

图2(a)显示了皮秒种子脉冲经过YDFA2和长度为50 m的PM980光纤后,光谱展宽与YDFA2中半导体激光器抽运功率的关系。当抽运功率分别为141.1、307.5、432.8 mW时,相应的光谱宽度依次为2.23、4.46、6.12 nm。当抽运功率为432.8 mW时,对皮秒脉冲去啁啾,如图2(b)所示,得到了高斯拟合后的脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。

图 2. 飞秒放大链路输出参数。(a)在不同抽运功率下的光谱宽度;(b)去啁啾后的脉冲自相关曲线

Fig. 2. Output characters of femtosecond laser amplifier. (a) Spectral width at different pump powers; (b) autocorrelation trace of dechirped pulse

下载图片 查看所有图片

在皮秒放大链路中,皮秒脉冲经YDFA3进行功率放大后由AOM选频至10 MHz,选频后脉冲的平均功率为50.9 mW。其中,皮秒脉冲的光谱宽度展宽较为明显。通过进一步优化有源光纤和无源光纤长度,选频后脉冲的光谱宽度为0.41 nm,如图3(a)虚线所示。采用双包层光子晶体光纤放大器对该皮秒脉冲进行功率的进一步放大。当抽运光功率为38.5 W时,放大器的输出功率为13.6 W、斜率效率为35.3%,相应的光谱宽度为0.86 nm。由于脉冲光谱在频域上的变化,引起其时域上的展宽,如图3(a)插图所示,脉冲宽度为25 ps。图3(b)显示了光谱宽度与输出功率的关系,随着抽运功率的增加,光谱宽度与输出功率均呈线性增加。

图 3. 皮秒放大链路输出参数。(a)输出功率13.6 W时,脉宽与光谱以及声光调制器选频后的光谱;(b)输出功率、光谱宽度与抽运功率的关系

Fig. 3. Output characters of picosecond laser amplifier. (a) Pulse duration and spectrum at 13.6 W output power and the spectrum after AOM; (b) relationship between output power, spectral width and pump power

下载图片 查看所有图片

为了降低种子脉冲的时间抖动,实验通过压电陶瓷的伸缩变化精密调节谐振腔几何腔长,锁定了锁模激光器的重复频率。其中,压电陶瓷在50 V工作电压变化下可以实现约为342 Hz的重复频率调节。当重复频率漂移大于342 Hz时,步进电机对重复频率提供171 Hz的粗补偿,以减少压电陶瓷的伸缩量。其中,步进电机的量程可以实现最大为135 kHz的重复频率调节范围,有利于实现谐振腔重复频率的长期锁定。图4显示了激光器从开机后,10 h范围内重复频率的锁定情况。在前2 h内,由于激光器内部未达到热平衡,且与周围环境的温度存在对流,重复频率在±30 mHz范围内抖动,相应的标准偏差为1.60 mHz;激光器预热2 h后,其重复频率峰峰值抖动基本小于3 mHz,仅偶尔出现10 mHz的抖动。第2~10 h内重复频率抖动的标准偏差为0.31 mHz。

图 4. 谐振腔重复频率锁定抖动曲线

Fig. 4. Resonant cavity repetition frequency locked jitter curve

下载图片 查看所有图片

4 结论

本文设计了一种重复频率锁定、飞秒-皮秒双脉冲同步输出的光纤激光器。其中,飞秒脉冲重复频率为40 MHz、单脉冲能量为5.2 nJ、脉冲宽度为483 fs;皮秒脉冲重复频率在1 kHz~40 MHz连续可调,当重复频率为10 MHz时,平均功率可达13.6 W,光谱宽度为0.86 nm。系统的光纤链路均采用保偏光纤,有效提高了激光器的抗环境干扰能力。通过采用压电陶瓷精确控制和步进电机范围控制相结合的方式,实现了对皮秒种子源谐振腔重复频率的长时间精确锁定。当激光器自身达到热平衡后,重复频率抖动峰峰值小于3 mHz,标准偏差为0.31 mHz。该飞秒-皮秒双路同步输出脉冲后续可分别进行CPA与DPA结合的大模场光子晶体光纤放大^[23]以及2~3级的高能量固体放大^[24],将脉冲能量提升至mJ量级,实现高精度同步脉冲LIBS检测。