高功率皮秒光纤激光器的研制

高功率皮秒光纤激光器的研制

随着紫微光晶光纤的出现，近年来对超连续光谱区域的研究取得了突破和创新。由于紫微光晶光纤可以提供高的非线性系数和振动器，因此将现有成熟的高功能光纤模拟器作为泵浦源，可以实现高、高、宽、平坦的超连续光谱。这在高精度光学相关分析、生物成像、化学表达等领域具有重要的应用价值。目前，用连续波束宽度的塑料装置（yb）作为泵浦源，可以实现高、高光谱功率密度的超连续光谱输出。当使用400w工业光纤模拟器作为泵浦时，光谱宽度超过1000nm的50w高光谱宽度的超连续光谱输出。然而，在连续波束泵的条件下，很难覆盖1000ms的光束宽度。然而，在连续波束泵的条件下，很难覆盖光束中的宽度超连续光谱。为了通过100w以上的皮秒激光，提取泵浦的功率和长度为10m的光学晶银线光纤，这具有其高、高光谱强度和更宽的适应性。2009年，chenk等人使用主扰动功能放大率的方案（mopa），可以实现数十瓦或数百瓦的皮秒激光。作为泵浦的源，它们可以实现高、高光谱的高、宽带的超连续光谱。2009年，chenk等人利用主扰动补偿器21ps基wpentax娃娃刀作为种子来源。采用mopa技术，平均功率100w的单模、单位移yb皮秒光纤输出的源。泵浦的一段长度为2m，直径和高含量的光学晶体光纤。输出的功率为39w。0.402.25m。陈胜平利用被动银器抽吸吸收，作为种子，采用mopa放大方案，也实现了96w的全光纤皮秒纤维机。据报道，30秒激光泵浦下的2.8w超连续光谱输出。此外，10w被动银器8w和尚和尚被用作泵浦源，以实现1.7w的超连续谱输出。在上述几种超连续谱光源中,激光器与光子晶体光纤仍采用透镜自由空间耦合,未实现全光纤化,不利于实际应用.本研究利用光纤非线性被动锁模掺Yb皮秒光纤激光器作为种子源,对其进行MOPA功率放大后,实现平均功率18.4W的皮秒光纤激光器.对光子晶体光纤进行全光纤耦合泵浦,成功研制了输出功率为3.6W的全光纤化超连续谱光源,光谱范围为500～2200nm.1yb-光纤耦合器脉冲放大电路实验装置见图1.实验中对光纤非线性被动锁模掺Yb光纤激光器输出的皮秒激光种子源进行3级放大,其中前两级为预放大,第3级为功率放大;经过功率放大的高功率皮秒激光,通过本课题组自行研制的模场适配器耦合到高非线性光子晶体光纤中产生超连续谱.皮秒种子源采用光纤环形腔被动锁模结构,总腔长2.2m.为缩短腔长以减小色散并增大重复频率,采用对976nm泵浦光吸收系数为250dB/m的高掺杂浓度掺Yb单模光纤作为增益介质,其纤芯直径6μm,数值孔径0.11,长度80cm.中心波长为975nm的单模半导体激光器通过976/1060波分复用器耦合到系统中.偏振无关隔离器的隔离度为30dB,保证激光单向运行;起偏器的消光比为40dB.偏振控制器用来改变激光偏振态,通过调整一对偏振控制器状态,使激光脉冲的峰值通过起偏器,两翼被阻,实现窄脉冲的输出.由于模式竞争效应,随着偏振控制器工作状态的不同,其输出脉冲中心波长也会改变,为了稳定输出脉冲波长,在环形腔中加入一个中心波长为1064nm,带宽10nm的光纤滤波器.通过调整偏振控制器,实现稳定的锁模脉冲,采用功率比为10∶90的耦合器将一部分锁模能量输出,耦合到1级放大器中.1级和2级预放大器中使用的掺Yb光纤与种子源中的有源光纤相同,都为高浓度掺Yb单模光纤,以缩短腔长,减小非线性效应;泵浦源仍采用975nm单模半导体激光器,利用波分复用器耦合到掺Yb光纤中.种子源、1级预放大、2级预放大及功率放大级之间都加入光纤隔离器,以避免激光反馈对种子源及泵浦源的损坏.预放大中的两个滤波器用以消除种子源及预放大级产生的放大自发辐射(amplifiedspontaneousemission,ASE),并稳定激光波长,为主放大级提供高质量的种子脉冲.主放大级采用大模场高吸收掺Yb双包层光纤,其纤芯直径20μm,数值孔径0.08,内包层直径125μm,数值孔径0.46,对976nm泵浦光的吸收系数为29dB/m,长度1.5m.泵浦源为两个975nm大功率多模光纤输出半导体激光器,每个激光器最大输出功率为18W,利用(6+1)×1的泵浦合束器耦合到双包层光纤中,耦合效率为95%,信号光插入损耗0.41dB.功率放大级输出端接入一个插入损耗为0.55dB的高功率光纤隔离器,并与后续的器件熔接,以避免后续耦合中产生的反向激光对激光器的损害.产生的激光脉冲利用Newport818BB-31快速光电探测器(上升时间、下降时间均小于225ps)和TekMso4032示波器(带宽为350MHz)进行监测.用以产生超连续谱的光子晶体光纤与文献的光纤相同,长度为50m,零色散波长位于1030nm处,模场直径为3.9μm,非线性系数为10W-1·km-1,在1380nm水吸收峰处的吸收系数为80dB/km.由于功率放大输出端的双包层光纤纤芯直径为20μm,与光子晶体光纤的纤芯直径相差悬殊,若采用直接熔接耦合,最大效率仅为20%.故研制了可实现不同模场匹配耦合的模场适配器,使耦合效率提高到56.3%.超连续谱光谱利用4个光谱仪(opticalspectrumanalyzer,OSA)分别测量,其中长波采用型号为Tensor27的傅里叶光谱仪(探测范围为1000～2300nm)和YokogawaAQ6370B常规光谱仪(探测范围为600～1700nm)探测;短波则采用AvaSpec-3648(探测范围为200～1100nm)的光纤光谱仪和YokogawaAQ6373(探测范围为350～1200nm)光谱仪探测.2结果和分析2.1激发泵浦功率的实验结果调整偏振控制器到某特定位置,种子源实现稳定的锁模输出,输出功率为4mW.通过快速光电探测器和示波器的探测结果如图2(a).其输出脉冲重复频率为85MHz,受探测器响应时间及示波器带宽的限制,最小只可测出1ns的脉冲宽度,而无法进行更小的皮秒级测量,所以无法得知锁模皮秒激光脉宽的具体值.图2(b)为输出脉冲的光谱图,中心波长为1063.3nm,线宽为7.9nm.从光谱图中可以看出,输出激光中除了包含1064nm处的锁模激光,在光纤荧光谱峰值1030nm附近还存在13dB的自发辐射光,虽然此部分能量在种子功率输出中所占的比例很小,但随着后续放大级的不断放大,这部分能量将会大大增加,这不仅会影响激光器的脉冲质量,还可能导致系统的损坏.因此,在种子和预放大输出端各接入一个滤波器,以消除前级自发辐射对后级放大的影响.通过2级预放大,其输出功率提高到57mW,并得到高质量锁模光谱,如图3.该线宽为5.6nm,50dB强度范围内都未出现ASE光.通过功率放大级后,其输出功率大大提高.图4(a)为在功率57mW的种子光注入下,功率放大级输出功率随入纤泵浦功率的变化曲线.当最大入纤功率为32W时,输出功率达到18.4W,功率放大级的光-光转化效率为57.5%,且功率曲线保持良好的线性增长,没有出现功率饱和.经过插入损耗为0.55dB的光纤隔离器后的输出功率为16.2W.图4(b)为最大输出功率下激光脉冲的时域波形,仍保持了稳定的85MHz高质量脉冲波形.由图4(c)可见,随泵浦功率的提高,脉冲谱宽扩展很小,说明功率放大级中高掺杂双包层光纤较短的长度能很好地克服通常功率放大级中较强的非线性效应.图4(c)还表明,当泵浦功率超过8W时,在1030nm附近又产生了ASE光,且随着泵浦功率的增大,ASE功率在输出功率中所占的比例也逐渐增大,这与功率放大级注入的皮秒种子功率过小有关.当激光器输出平均功率达到最大值18.4W时,其输出光谱中锁模部分强度与ASE强度仍然相差20dB以上,可见输出光谱中ASE比例仍然非常小,绝大部分都是锁模皮秒脉冲,实现了高质量的激光脉冲.为避免种子功率不足引起放大级中的自激振荡并损坏器件,实验中并未继续增加泵浦源数量.但如果在功率放大级前再加一级功率预放大级以提高主放大级中注入的种子功率,就可通过增加泵浦功率实现输出功率的进一步提升.2.2最大泵浦功率下的超连续谱功率放大级输出的高功率皮秒激光通过模场适配器耦合到光子晶体光纤中,最大入纤功率为9.1W,耦合效率达到56.3%.需要指出的是,功率放大级使用的双包层光纤并不是单模输出,其含有部分高阶模能量,这就降低了耦合效率.因此,下一步工作准备对放大级进行模式控制以提高其单模部分的比例,进而提高耦合效率.随着入纤泵浦功率的增大,输出光谱逐渐展宽,形成超连续谱,如图5.图5(a)是利用傅里叶光谱仪-光纤光谱仪探测的全波段超连续谱光谱随泵浦功率的演化过程.最初,耦合到光子晶体光纤中的皮秒脉冲通过调制不稳定性(modulationinstability,MI)产生一系列孤子超短脉冲,若产生的孤子脉宽足够短,可通过脉冲内拉曼散射效应实现孤子自频移(solitonself-frequencyshift,SSFS),使孤子波长向长波方向持续频移.正如图5(a),在超连续谱的演化初期,由于孤子自频移的作用,光谱主要向长波方向展宽.随着泵浦功率的增加,光谱逐渐扩展到泵浦波长的短波方向,这是由于长波处的高能孤子将能量以色散波(dispersionwave,DW)的形式转移到正常色散区;产生的色散波与长波高能孤子通过交叉相位调制(cross-phasemodulation,XPM)和四波混频(four-wavemixing,FWM)效应相互作用,使色散波波长向更短方向移动.长波孤子通过不断红移,虽群速度减小,但仍可保持与蓝移DW的群速度相匹配,继续进行非线性作用,同时DW也可实现持续蓝移.这个“孤子捕获”过程持续进行,直到长波孤子自频移截止.最终,在最大泵浦功率下实验产生了波长覆盖500～2200nm、带宽为1700nm的超连续谱.图6为超连续谱输出功率与入纤功率的关系曲线.可见在最大泵浦功率下实现了输出功率为3.6W的超连续谱,光-光转化效率为39.6%.在输出功率大于1W后转化效率明显降低,这可认为主要是由于所用的光子晶体光纤较长,导致光纤损耗增大;另外,在超连续谱演化过程中还发现,当其输出功率达到1W时,输出光谱已达到最大带宽.当继续提高泵浦功率时,输出光谱的变化很小,只是光谱强度整体缓慢增大.由于所用的光纤光谱仪用以探测短波方向的硅探测器在可见光部分响应大,红外部分响应小,因此所测光谱在红外部分光强较小,并在1000nm附近出现了下陷,致使光谱显示不平坦,但仍可反映实际的光谱范围.为了更准确地考察光谱的平坦性,实验还采用波长探测范围较小,但波长相对强度显示更为准确的常规光谱仪对光谱进行探测比较,如图5(b).可见,在整个光谱可探测范围内都具有10dB的光谱平坦度.结合两种光谱仪显示结果组合分析得到,泵浦功率最大时对应的超连续谱在整个1700nm带宽范围内都具有很好的光谱平坦性,光谱平坦度小于10dB.高功率正离基激光全光纤化耦合技术通过对光纤非线性被动锁模掺Yb光纤激光器种子源进行3级主振荡功率放大,研制了输出功率18.4W