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罗切斯特大学研发出功能更强、成本更低的激光脉冲

发布:RuiChaoDong    |    2020-08-01 21:11    阅读:203
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罗切斯特大学光学系助理教授威廉·雷宁格(William Renninger)和他的实验室成员开发了一种新的装置,称为“拉伸脉冲孤子克尔谐振器”,创建了比过去激光源更宽波长范围内的超短、超快而超强的激光脉冲技术。

       克尔谐振器是指基于克尔效应的谐振器,是支持复杂非线性光学现象的最简单系统之一。克尔效应,也称“二次电光效应”,是物质因响应外电场的作用而改变其折射率的一种效应。该效应最先由苏格兰科学家约翰·克尔(John Kerr)在1878年发现,因此得名。由于它们在产生超短光脉冲和频率梳方面的实用价值,最近引起了相当大的关注。频率梳适用于多种应用,包括光谱学、频率合成、距离测距、阿秒脉冲生成以及天文摄谱仪校准。

       克尔谐振器可以做得非常紧凑,包括在芯片上对于具有小形状因子、简单处理、低驱动功率以及千兆赫到太赫线间距的频率梳生成。宏观上,在大量克尔增强腔中,减少的非线性材料为更高能量水平下的脉冲压缩提供了新的性能。最早的克尔谐振器脉冲生成演示是在基于光纤的空腔中进行的,尺寸在微观和整体态之间。光纤的最初演示是由全光缓冲激发的。与其他克尔谐振器平台相比,光纤提供了出色的热管理、严格的单模操作、极低的波导损耗和市场上可买到的高质量光学元件。

       克尔谐振器由连续波激光器驱动,并通过参数频率转换产生宽带腔模。为了在腔模之间建立时间相干和规则的相位关系,必须将克尔谐振器锁模。锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术,脉冲的长度通常在皮秒(10负十二次方秒)甚至飞秒(10负十五次方秒)。与具有有源增益介质的激光系统一样,克尔谐振器通过在腔中形成光学孤子而被锁模。克尔谐振器中最常见的孤子模式锁定与激光系统中的孤子模式锁定有关:脉冲是通过反常群速度色散(GVD)效应和克尔非线性相位之间的平衡而形成的,脉冲之间存在细微差别参数。

       但是,尽管相关,但宽带激光增益与克尔谐振器中的单频驱动之间的差异是非常重要的,这个重要问题尚未解决。例如,用于锁模激光器的先进孤子技术是否也适用于克尔谐振器?尽管克尔谐振器可以支持波长和重复率通用脉冲,但是这些脉冲的持续时间比锁模激光器的持续时间长得多。如果可以将激光器的新型锁模技术应用于克尔谐振器,则可以避免这种限制。

       与全反常色散激光器中的孤子锁模相比,拉伸脉冲锁模能够使色散激光产生更短的飞秒脉。与已建立的克尔共振孤子相反,拉伸脉冲孤子的特征是每次往返都有拉伸和压缩的高斯时间分布。拉伸脉冲锁模现在是锁模激光系统的一种常用技术,因为它使这些系统的脉冲最短,持续时间现在达到几个光学周期。



在William Renninger实验室开发的拉伸脉冲孤子Kerr谐振器中,单频激光器进入光纤环形腔,在输出处产生宽带宽的频率梳,支持超短飞秒脉冲。在光纤腔内,脉冲随时间伸展和压缩,在两个光纤段中每个光纤段的中心附近的腔中达到最小持续时间两次。飞秒拉伸脉冲孤子克尔谐振器的显着特征是拉伸和压缩的时间演化。图片来源:Michael Osadciw /罗切斯特大学

研究人员研究了在克尔谐振器中拉伸脉冲孤子的观察和分析。在总色散小且异常的强驱动色散光纤谐振器中,会生成稳定的拉伸脉冲孤子。这些脉冲具有宽光谱带宽和210飞秒的压缩脉冲持续时间,这是迄今为止从光纤克尔谐振器观察到的最短脉冲持续时间。

       现有的飞秒激光器非常昂贵而且难于使用,实际上,大部分飞秒激光器的成本是在于其专业研究开发费用,而不是在于其组件的成本。


如上图所示实验装置示意图。:强度调制器(IM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤布拉格光栅(FBG)、光谱分析仪(OSA)、色散补偿光纤(DCF)、偏振控制器(PC)、隔离器(ISO)、循环器(CIR)和分束器(BS)。

研究人员从理论和实验上分析了拉伸脉冲孤子对关键系统参数的依赖关系。拉伸脉冲孤子的带宽强烈依赖于腔的净色散。实验上,当腔具有大的净反常色散时,它支持不伸展的传统孤子。当腔色散在总长度保持不变的情况下向零增加时,带宽和拉伸比增加。


(a)最宽测得的光谱与腔的净基团延迟色散的关系。驱动激光频率以黑色绘制。(b)在有(红线)和没有(蓝线)TOD的实验(点)和模拟中,最宽的光谱带宽与净色散的关系。黑色虚线表示对应于拉伸脉冲孤子的近似最小拉伸比(2)。在灰色阴影区域中发现了更复杂的行为。(c)测得的最宽频谱是驱动功率的函数。驱动激光频率以黑色绘制。(d)来自实验(点)和相应模拟(蓝线)的最宽频谱带宽与驱动器功率。

研究人员开发的这样可产生飞秒脉冲的高级激光源,其成本更低、更容易使用。该研究团队为此创立了一个专门网站,为所有人发布设计指南,特别为一般大学的研究小组提供有关如何设计和制造用于基础研究的飞秒激光器的咨询。
 

消息来源:江苏激光产业技术创新战略联盟官微

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