1 引言

近年来,随着超短脉冲技术的蓬勃发展,飞秒激光已广泛应用在物理、化学、生物等基础研究领域^[1]以及激光加工^[2-3]、精密测量^[4]等应用研究领域。光纤飞秒激光器具有结构紧凑、散热性能良好、长期稳定性较高和抽运效率高等特点,是当今超短脉冲激光器领域的研究热点之一。但是,飞秒激光在增益较小的光纤纤芯中进行放大时,较高的峰值功率会引入非线性相移,使得输出脉冲的时域质量下降,并产生畸变。大模场面积掺镱双包层光纤^[5-6]和啁啾脉冲放大技术能很好地解决这一问题。掺镱保偏大模场面积双包层光纤具备纤芯直径较大、偏振保持特性优良、抗干扰能力强、稳定性好等优点,同时可以与其他光纤器件实现低损熔接,进一步实现了全光纤化,提高了紧凑性^[7]。

采用增大纤芯直径的方法不能无限提高激光器的输出功率,但若同时采用光纤啁啾脉冲放大(FCPA)技术,则可以使全光纤飞秒激光器的输出功率得到进一步提升^[8-10]。一般而言,光纤飞秒激光放大系统采用普通单模保偏光纤作为展宽器,透射光栅对作为压缩器,这样既保持了全光纤的特性,又能高效压缩光纤放大器输出的高功率飞秒激光脉冲。在FCPA技术中,虽然光纤展宽器提供正的二阶色散(GVD),可以由压缩器的负二阶色散补偿,但是展宽光纤和光栅对均提供正的三阶色散,三阶色散量的不断累积,会导致压缩后脉冲质量劣化^[8],以至于难以将脉冲压缩到变换极限^[11-12],在脉冲宽度<300 fs的系统中尤为明显^[13]。在全光纤系统中,这一问题通常有两种解决方案。1) 在放大过程中采用适当长度的展宽光纤,在激光放大过程中引入非线性啁啾与系统的三阶色散进行相互补偿,从而提高输出激光的脉冲质量^[13-14]。但是,此方法只能实现部分补偿,脉冲质量的提升有限^[15],而且需要优化输出脉冲的能量,进而获得最佳非线性补偿,故输出脉冲的功率和能量受到了限制^[16]。2) 利用负三阶色散光纤(NTF)补偿由展宽光纤和光栅对引入的正三阶色散^[17-18],从而获得高脉冲质量、高功率的脉冲输出。2012年,Mortag等^[19]利用负三阶色散光纤补偿线性FCPA系统中的三阶色散,通过单级放大在单模光纤激光放大系统中实现了微焦量级的激光输出,并最终获得了单脉冲能量为2.2 μJ、重复频率为4.5 MHz、中心波长为1030 nm、脉冲宽度为189 fs的高脉冲质量的激光输出。2017年,Song等^[20]详细研究了三阶色散和非线性效应对激光器输出脉冲质量的影响,并利用负三阶色散光纤对激光器系统的三阶色散进行预补偿,成功搭建了高单脉冲能量的光纤啁啾脉冲放大系统,最终得到了重复频率为500 kHz、脉冲能量为10.4 μJ、中心波长为1040 nm、脉冲宽度为280 fs的近变换极限脉宽且脉冲质量良好的激光输出。但是,该工作没有系统地优化FCPA系统中的三阶色散以达到精确补偿,只能利用放大过程中的非线性相移部分补偿系统残余的色散量,进而获得高质量飞秒激光脉冲输出。

为了解决上述问题,本文采用FCPA技术进行系统的实验研究,利用负三阶色散光纤补偿激光放大系统中光纤器件及光栅对的正三阶色散,使整体的净三阶色散量趋近于零,形成较为准确的三阶色散匹配,无需在脉冲放大过程中引入额外的非线性相移补偿系统残余高阶色散,即可获得高脉冲质量的激光脉冲输出。系统最终获得中心波长为1035 nm、重复频率为111 MHz、直接输出功率为8.5 W、去啁啾后脉冲宽度为217 fs的脉冲质量良好的激光输出。

2 实验装置

实验装置如图1所示,所构建的全光纤飞秒激光系统主要由振荡器、脉冲展宽器、放大器和脉冲压缩器等组成。

振荡器为耗散孤子锁模激光器,输出的激光脉冲经光纤型展宽器进行展宽。为了证明三阶色散补偿对去啁啾后脉冲质量影响的重要性,实验中分别采用两种展宽器进行对比:1) 65 m的保偏单模光纤(PM980-XP,Nufern公司,美国);2) 针对系统中三阶色散进行补偿的混合型光纤展宽器,其由25 m的PM980-XP光纤和9 m的NTF(OFS公司,美国)共同组成。PM980-XP光纤与NTF通过低损熔接的方式实现展宽器的全光纤化。普通展宽器和混合展宽器的色散曲线如图2(a)、 (b)所示。在中心波长1035 nm处,PM980-XP光纤的二阶色散为0.0217 ps²·m^-1,三阶色散为0.000021 ps³·m^-1;NTF的二阶色散为0.114 ps²·m^-1,三阶色散为-0.00084 ps³·m^-1。经计算,普通展宽器提供的二阶色散总量为1.4105 ps²,三阶色散总量为0.001365 ps³;混合展宽器提供的二阶色散为1.5685 ps²,三阶色散总量为-0.006945 ps³。

展宽后的信号光与抽运光通过保偏(6+1)×1光纤合束器耦合至保偏大模场面积增益光纤进行放大。放大器所使用的抽运源为尾纤式高功率半导体激光器,抽运输出的最大功率为22 W、中心波长为976 nm、光谱宽度<0.7 nm。所采用的增益光纤为保偏大模场双包层掺镱光纤(PLMA-YDF-25/250-VIII,Nufern公司,美国),纤芯直径为25 μm、内包层直径、长度分别为250 μm和2 m。光纤沿应力元方向盘绕,其直径为8 cm,以滤除高阶模,保证激光放大系统能够维持在单模运转状态。同时,为了避免由于光纤端面反馈而产生自激振荡,将增益光纤输出端面研磨成8°角形式。放大器输出的激光脉冲经高损伤阈值透射式光栅对进行压缩。

图 1. 实验装置示意图。(a)振荡器输出脉冲的光谱;(b)振荡器输出脉冲去啁啾后脉冲自相关曲线;(c)放大器输出光斑远场模式

Fig. 1. Schematic of experimental setup. (a) Output spectrum of laser oscillator; (b)output pulse auto-correlation curves of oscillator after dechirp; (c) far-field beam profile of the pulse output from amplifier

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图 2. 色散曲线。(a)普通展宽器;(b)混合展宽器

Fig. 2. Dispersion curves. (a) Normal stretcher; (b) hybrid stretcher

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3 实验结果及分析

振荡器利用全正色散锁模机理,获得了平均功率为93 mW、重复频率为111 MHz的稳定锁模脉冲序列输出。振荡器输出激光的光谱及去啁啾的自相关曲线分别如图1(a)、 (b)所示。输出光谱为典型的耗散孤子锁模光谱,其中心波长为1035 nm、光谱半峰全宽(FWHM)为16 nm,若假设脉冲为高斯型,去啁啾后脉冲宽度为240 fs。

首先,利用普通光纤展宽器进行实验,将振荡器输出光脉冲耦合进65 m的PM980-XP光纤中进行时域展宽,其后的光脉冲再经放大器进行放大。放大器输出的激光脉冲光谱如图3(a)所示。脉冲变窄导致放大过程中峰值功率较低,未引入非线性相移,故随着激光器抽运功率增加,放大器输出光谱基本保持不变。输出激光光谱中心波长为1035 nm、FWHM为13 nm,所对应变换极限脉宽为179 fs。放大后输出的脉冲光经双色镜剥除抽运光,并使用光栅对进行时域压缩。为了对比不同三阶色散条件下去啁啾后的脉冲时域质量,分别采用1000,1200,1600 line·mm^-1光栅对进行压缩。图3(b)给出了抽运功率为22 W、激光器工作在最大输出功率8.5 W时,采用不同刻线数的光栅对压缩后激光脉冲自相关曲线。假设为高斯型脉冲,采用1000,1200,1600 line·mm^-1光栅对时,去啁啾后脉冲宽度分别为357,378,485 fs。可以看出,压缩后所得脉冲宽度远大于变换极限脉宽,这是由于采用三种光栅对补偿系统二阶色散的同时,附加了正的三阶色散。激光系统的正三阶色散总量分别为0.00637,0.00747,0.0225 ps³,系统正三阶色散过大,脉冲能量由主脉冲移至脉冲后沿,导致脉冲后沿出现较大振荡,脉冲宽度无法进一步压缩。此外,系统累积的正三阶色散越大,主脉冲中就会有更多的能量转移到脉冲后沿,使脉冲宽度变得越宽。

图 3. (a)放大器输出脉冲光谱; (b)压缩后脉冲自相关曲线

Fig. 3. (a) Spectra of output pulse after amplification; (b) pulse auto-correlation curves after compression

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图 4. (a)不同展宽器和光栅对压缩后系统的净三阶色散量; (b)采用混合展宽器和不同光栅去啁啾后脉冲自相关曲线

Fig. 4. (a) Net third-order dispersion of different stretchers and grating-pair compressors; (b) pulse auto-correlation curves of different grating-pair compressor and hybrid stretcher

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从以上实验可以看出,使用65 m的PM980-XP光纤作为展宽器时,3种光栅对都使系统积累较多的正三阶色散,而过量的正三阶色散将导致去啁啾后放大器输出激光的脉冲宽度出现不同程度的展宽,同时引起脉冲质量劣化。为了解决由三阶色散过量造成的脉冲质量下降、脉宽难以进一步压缩的问题,采用NTF对激光系统的正三阶色散进行预补偿,使得系统净二阶色散和净三阶色散同时趋近于零。当系统采用1200 line·mm^-1透射光栅对作为压缩器时,经计算分析,采用25 m的PM980-XP光纤和9 m的NTF构成的混合展宽器替换65 m的PM980-XP光纤构成的普通展宽器,可以在保持展宽器提供的二阶色散量不变的基础上对系统的三阶色散进行预补偿。实验将PM980-XP光纤作为入射端,脉冲先在PM980-XP光纤中展宽,降低了峰值功率,然后再进入NTF中,从而避免由于NTF纤芯直径较小在脉冲展宽过程中引入过强的非线性效应导致脉冲质量劣化。

采用混合展宽器将振荡器输出激光脉冲进行时域展宽,并使用相同放大方案对光脉冲进行放大。激光系统输出功率最大时,不同展宽器、光栅对压缩后系统的净三阶色散量如图4(a)所示。显然,将普通展宽器更换为混合展宽器,采用不同刻线数光栅对进行压缩时,系统的净三阶色散量得到不同程度的减小。其中,使用1200 line·mm^-1光栅对时,系统的净三阶色散量最小,其值为-0.00084 ps³·m^-1,去啁啾后脉冲宽度为217 fs。这是由于NTF提供的负三阶色散基本补偿了系统的正三阶色散,故去啁啾后脉冲自相关曲线基底较小、脉宽较窄。采用混合展宽器展宽,不同光栅对压缩后的自相关曲线如图4(b)所示。采用1000 line·mm^-1光栅对进行压缩时,NTF引入的负三阶色散量过补偿,导致系统净三阶色散为-0.00194 ps³·m^-1,从而使部分脉冲能量转移至脉冲前沿,形成较为明显的脉冲基底^[20];相对而言,采用1600 line·mm^-1光栅对进行压缩时,因其提供了较大的三阶色散,而NTF提供的负三阶色散不足以完全补偿,使得系统净三阶色散偏正,其值为0.014192 ps³·m^-1。由于此时系统净三阶色散量较大,在脉冲后沿产生了振荡^[20],从而导致脉冲自相关曲线变宽,脉冲宽度变大,脉冲无法压缩得更窄。

从以上对比实验不难发现,与使用普通展宽器相比,混合展宽器中NTF可以很好地补偿系统中的正三阶色散,使压缩后脉冲宽度明显变窄,脉冲质量得到提高。如图4(a)中插图所示,采用1200 line·mm^-1光栅对进行去啁啾时,使用混合展宽器对应的脉冲质量更高,其得到脉冲宽度也明显小于使用普通展宽器时对应的脉冲宽度。这意味着通过改变混合展宽器的长度,并对系统中的三阶色散进行优化,可以进一步提升压缩后脉冲的时域质量,获得更窄的脉冲宽度。

最后,实验测量了采用混合型光纤展宽器进行展宽,使用1200 line·mm^-1光栅对进行压缩时的输出功率。最终放大器的输出功率随抽运光功率的增大而线性增大,在抽运功率为22 W时,放大后直接输出最高功率为8.5 W、对应单脉冲能量为77 nJ、压缩后输出的功率为5.76 W。激光器输出功率并未出现饱和趋势,而采用的光纤合束器为保偏 (6+1)×1型,因此可以通过提高抽运二极管功率或者增加抽运二极管个数来提高抽运功率,从而提高激光器的输出功率。实验中使用9 m的NTF对系统内光纤及1200 line·mm^-1光栅对的正三阶色散进行预补偿,提高了输出脉冲的质量。今后,可通过改变混合展宽器中两种光纤的比例来匹配其他压缩器件,以在使用不同压缩器去啁啾情况下均可实现高质量脉冲输出。

4 结论

实验研究了基于NTF进行三阶色散预补偿的高功率全保偏光纤飞秒激光放大系统。以全正色散锁模的光纤飞秒激光振荡器作为种子源,利用光纤啁啾脉冲放大技术和负三阶色散补偿光纤预补偿的方式将系统内的三阶色散进行精确匹配,在不引入额外非线性相移的前提下,获得了高脉冲质量、高功率的激光输出。对比实验发现,利用NTF光纤进行三阶色散补偿比单纯利用普通光纤作为展宽器能明显地提高脉冲质量,获得更窄的脉冲宽度。使用25 m的保偏单模光纤和9 m的NTF所构成混合型光纤展宽器,补偿了系统光纤部分及1200 line·mm^-1光栅对的三阶色散量,使系统净三阶色散量趋近于零。最终在抽运光功率为22 W时,获得了直接输出激光平均功率为8.5 W、对应单脉冲能量为77 nJ、斜率效率为37.5%、中心波长为1035 nm、去啁啾后平均功率为5.76 W、脉冲宽度为217 fs的高脉冲质量飞秒激光脉冲输出。本文系统为高功率、高脉冲质量、紧凑型全光纤激光放大器提供了简单有效的方案,其将会在飞秒激光加工、生物成像、非线性光学等领域有着重要的应用价值。