掺镱光纤-固体高功率超短脉冲放大研究进展 下载: 1869次特邀综述
Significance High-power ultrashort pulse lasers have significant applications in the fields of industrial high-end precision machining, high-order harmonic generation, and spectroscopy. Since the 21st century, countries around the world have successively launched their own manufacturing upgrade plans to focus on the development of high-end precision machining. This puts forward higher requirements for ultrashort pulse lasers and makes them toward the direction of high power, compact structure, high stability, low cost, simple operation, and maintenance.
The average power of an ultrashort laser oscillator does not meet the requirements of high-end precision machining. Therefore, it is necessary for further amplification by using the master oscillator power amplifier (MOPA), regenerative amplifier (RA), chirped pulse amplification (CPA), divided-pulse amplification (DPA), coherent beam combining (CBC), etc. An RA provides 60 dB pulse energy amplification, but however, the Pockels cell inside the RA cavity requires high-voltage driving which reduces stability. CBC can be realized by using multiple amplifiers and multiple time delay line, and it is sensitive to the environmental disturbance. As a result, MOPA, CPA, and DPA are often used to obtain low-cost, high-stability, and high-power ultrashort pulse lasers. The gain materials used in the amplification technologies mentioned above can be categorized as fiber, rod or bulk crystal, slab crystal, thin-disk crystal, and single-crystal fiber (SCF).
Ytterbium-doped fiber is widely used in the ultrashort pulse oscillator and amplifier due to its large gain spectrum bandwidth, high optical-to-optical efficiency, and high beam quality. However, the limited core diameter of fiber causes strong nonlinear effects, pulse distortion, and even damage when high-peak power pulses pass through. In order to reduce the nonlinear effect of fiber while maintaining the fundamental transverse mode, two solutions have been investigated. One is to stretch pulse duration and compress pulse duration after amplification, which is a well-known CPA technology; the other is to expand fiber mode field area, which uses a large mode field photonic crystal fiber (PCF). The restriction for single-channel ultrashort pulse amplification is a self-focus nonlinear effect; the threshold is usually lower than 4 MW. CBC technology can avoid self-focus effect and can further increase average power to 10 kW. Nonetheless, the CBC system increases complexity and cost.
The most commonly used crystals for ultrashort pulse amplification are neodymium-doped crystals and ytterbium-doped crystals, for instance, Nd∶YVO4, Nd∶YAG, and Yb∶YAG. Compared with Nd3+ doped crystals, Yb3+ doped ones exhibit small quantum defect, wide spectrum bandwidth, and weak concentration quenching effect. Yb∶YAG crystal shaped in slab or thin-disk configuration, pumped by high-power laser diodes, can realize ultrashort pulses with kilowatt average power. However, a slab crystal amplifier contains a signal shaping system with a complex pump light path; a thin-disk crystal amplifier needs multi-pass pump light path and signal light path. Therefore, the high complexity and high cost of these two structures are inevitable.
The SCF amplifier developed in recent years has promising application prospects. Side-polished thin Yb∶YAG crystal is soldered in heat-sink with minimalized void rate, enabling pump light to travel in a waveguide. Large mode area, excellent heat-dissipation, and high-brightness pump improve its optical-to-optical efficiency, average power, and peak power simultaneously. With the continuous improvement of the brightness of fiber-coupled laser diodes, the amplification ability of SCF and rod (bulk) crystals will be further improved. Therefore, it is possible to obtain simple, cost-effective, reliable high-power, and high-energy ultrashort pulse laser by combining the fiber front-end and SCF or rod (bulk) crystal amplifier. This kind of amplification technology can not only be directly used in industrial applications, but also can be used as the front amplification stage for the slab and thin-disk amplifier, which greatly reduces the complexity and the cost.
This article summarizes the domestic and abroad research progress of ytterbium-doped fiber lasers, PCF amplifiers, SCF amplifiers, and rod (bulk) solid-state amplifiers in recent years, highlights our work in the fields of ultrashort pulse fiber lasers, PCF amplifiers, and solid-state amplifiers, and discusses and prospects the future development direction of hybrid amplification technology.
Progress The beginning of ultrashort pulse amplification is a mode-locked oscillator. The stability of the mode-locked pulse train has a significant impact on amplified pulse train. Therefore, a polarization-maintained (PM) mode-locked all-fiber laser with strong resistance to environmental disturbance is preferred. In recent years, a PM all-fiber oscillator has been widely investigated (
Conclusions and Prospects Ytterbium-doped fiber lasers are widely used because of their compact structure, high stability, and simple maintenance. However, the limited core diameter restricts the peak power of ultrashort pulses. The threshold of self-focus nonlinear effect of quartz materials limits the amplified peak power. This limitation can be effectively overcome by using ytterbium-doped crystals. Fiber-crystal hybrid ultrashort pulse amplification effectively combines the high gain of fiber amplifier and the high peak power and high pulse energy of the crystal amplifier. By employing the CBC technology and a high brightness pump source, the amplification efficiency, amplified average power, and amplified pulse energy will be further improved. The development of efficient room temperature heat-dissipation technology is a direction for future investigation.
1 引言
高功率超短脉冲激光在工业高端精密加工、高次谐波产生以及光谱学等领域具有重要应用。超短脉冲激光通常是指脉冲宽度在皮秒和飞秒量级的脉冲激光,具有窄脉冲宽度、高峰值功率等特点。21世纪以来,传统制造业面临转型和升级,世界各国相继推出本国的制造业升级计划,着力发展高附加值的高端精密加工,这对超短脉冲激光器提出了更高的要求,使其向着功率更高、结构更紧凑、稳定性更好、成本更低、操作和维护更简单的方向发展。
在通常情况下,皮秒、飞秒激光振荡器输出的功率难以满足高端精密加工需要,因此需要通过主振荡级功率放大(MOPA)、啁啾脉冲放大(CPA)[1]、脉冲分割放大(DPA)[2]、再生放大或脉冲相干合束等技术对脉冲能量进行进一步放大。再生放大系统虽然容易获得很大的增益,但其多通过程中需要高压控制的普克尔盒,技术要求和成本都较高,稳定性也大打折扣;脉冲相干合束是将多路放大器的脉冲输出进行相干合成,需要复杂的时域和空间匹配,对装置稳定性和环境要求高;因此研究人员常采用MOPA、CPA和DPA技术,以获得低成本、高稳定性的高功率超短脉冲输出。根据增益介质的不同形状,可以将放大器分为光纤放大器、棒状(块状)晶体放大器、板条晶体放大器、碟片晶体放大器和单晶光纤放大器等。
掺镱光纤由于具有宽增益谱、高光-光转换效率、高光束质量等特点,被广泛用于超短脉冲激光的产生和放大。基于掺镱光纤的全光纤振荡器由于低成本和免维护的优点,常作为超短脉冲放大系统振荡器的首选,并且结合全光纤放大器可以实现较好的环境稳定性。但普通光纤的纤芯直径小,较低功率的激光在光纤中传播时很容易达到很高的功率密度,引起强烈的非线性效应、脉冲畸变甚至损伤,这限制了峰值功率的提升。为了能够在降低功率密度的同时保证光束质量,研究人员采取了两种不同的解决方法:一种是CPA 技术,该技术可展宽脉冲宽度,降低放大时的脉冲峰值功率密度,并对放大后的脉冲进行压缩,以获得高峰值功率输出;另一种是通过增加光纤的模场面积来降低峰值功率密度。为了同时保证输出光束质量,研究人员发展了小数值孔径、大模场光子晶体光纤(PCF)。受限于石英材质自身的特性,PCF可承受的线偏振光峰值功率不超过4 MW[3-5],因此在单路放大的情况下依然难以获得很高的峰值功率。采用相干脉冲合束技术可以克服这种限制,该技术已经获得万瓦量级的超短脉冲输出[6],但其装置十分庞大复杂,而且成本高昂。
传统的棒状(块状)晶体结构简单、容易制备,因此被广泛用于激光放大器。除了用于太瓦甚至拍瓦量级峰值功率输出的Ti∶Sapphire放大器,最常用于放大器的棒状(块状)晶体是掺钕晶体,例如Nd∶YVO4、Nd∶YAG等,这些晶体受到研究人员的广泛研究[7-11]。与Nd3+离子相比,Yb3+离子具有更简单的能级结构、更小的量子缺陷[12-14],并且可以通过提高掺杂浓度弥补发射截面相对较小的缺陷。Yb3+离子更宽的光谱带宽使其能够支持飞秒激光运转。棒状(块状)掺镱晶体由于表面积和体积之比较小,其很高的热负荷限制了平均功率的提升。为了解决该问题,研究人员早期需要采用低温冷却技术改善Yb∶YAG的散热,但这种方式的装置的复杂程度高,只适合有特殊需求的科研应用。因此一段时间内,常温条件下的掺镱晶体超短脉冲放大器是以板条和碟片结构为主。板条晶体放大器和碟片晶体放大器由于都具有很大的表面积和体积之比,可以极大缓解掺镱晶体的热负荷,目前已经可以实现平均功率为千瓦级的超短脉冲输出[15-18]。然而板条晶体放大器的几何形状决定其需要结构复杂的泵浦光和信号光整形系统;碟片晶体放大器虽然是目前可达到最高超短脉冲输出功率的放大方案,但很薄的增益介质使其必须采用复杂的多通结构,并且其单通增益较小,需要足够的入射功率以有效提取能量,这使得对振荡器的预放大必不可少。因此这两种结构的高复杂性和高成本不可避免。
单晶光纤放大器(SCF)是近年来发展起来的一种新型放大器[19-20]。这种放大器的结构与棒状(块状)放大器类似,但其波导结构可以将多模泵浦光和自由空间传播的信号光很好地匹配,从而可获得更高的放大效率;优良的热管理性能也使该结构能获得中高功率的超短脉冲输出,并且其结构简单,具有很好的应用前景。随着近些年光纤耦合激光二极管亮度的不断提升,常温下掺镱棒状(块状)晶体在中低功率的放大效率也已经与单晶光纤不相上下,这两种形式的放大器因其结构简单和成本低的特点而独具吸引力。因此,可以通过将光纤前端与单晶光纤/棒状(块状)晶体放大器的优势相结合,获得简单经济、稳定可靠的高功率、大能量超短脉冲激光输出。这种放大技术不仅可以直接用于工业应用,还可以作为板条或碟片放大器的前级,大幅降低系统的复杂程度和成本。
本文总结了近年来高功率掺镱光纤激光器和单晶光纤/棒状(块状)晶体放大器的国内外研究进展,从峰值功率角度指出了全光纤放大器和光子晶体光纤放大器的瓶颈,以及基于单晶光纤/棒状(块状)晶体的光纤-固体混合超短脉冲放大技术在这方面的优势,重点介绍了本课题组在高功率超短脉冲掺镱光纤振荡器与放大器、光子晶体光纤放大器与光纤-固体混合放大器等领域的工作,同时探讨了单晶光纤放大器和棒状(块状)晶体放大器的技术特点和未来超短脉冲光纤-固体混合放大的发展方向。
2 高功率超短脉冲光纤激光的产生和放大技术研究进展
2.1 超短脉冲掺镱全光纤结构振荡器
激光振荡器是超短脉冲激光放大系统的起始点,它的输出参数对放大后的激光输出有关键影响。相比于采用Yb∶KYW等掺镱晶体的空间锁模振荡器,掺镱全光纤振荡器在环境稳定性、搭建便捷性和灵活性等方面有很大的优势,是放大系统中振荡器的首选类型。经过研究人员多年的不断探索,锁模光纤振荡器得到了快速发展。2012年,本课题组利用窄带的布拉格光栅和半导体可饱和吸收镜(SESAM)在1064 nm处实现了846 MHz高重复频率的皮秒脉冲输出。进一步调节腔长,当重复频率为490 MHz时,输出平均功率为17 mW,光谱带宽为0.13 nm,脉冲宽度为21 ps,对应的时间带宽积为0.72[21]。2013年,本课题组基于多模干涉原理制备了单模-多模-单模结构的光纤滤波器,其中心波长为1067 nm,光谱带宽为7.5 nm。利用该滤波器搭建了全光纤结构耗散孤子锁模光纤振荡器,获得了平均功率为8 mW、重复频率为18.5 MHz、脉冲宽度为21 ps的稳定皮秒脉冲输出,光谱带宽为4.32 nm[22]。同年又通过数值模拟研究了1 μm波段掺镱光纤振荡器中色散管理耗散孤子的产生,并分析了色散管理耗散孤子在腔内不同位置及腔外的输出特性[23]。近年来,为实现宽光谱、平滑光谱的输出,本课题组利用啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)作为色散管理器件,将SESAM作为可饱和吸收体,通过搭建全保偏掺镱色散管理锁模光纤振荡器,在1033.43 nm处获得平均功率为12 mW、重复频率为52.9 MHz、脉冲宽度为4.36 ps的输出,光谱带宽为18.61 nm,这有利于在后续啁啾放大时对脉冲进行进一步展宽。
除了利用SESAM作为可饱和吸收体外,本课题组还开展了基于新型二维材料可饱和吸收体的掺镱锁模光纤振荡器的研究。2011年,本课题组利用在6H-SiC衬底外延生长的石墨烯作为可饱和吸收体,搭建了环形腔结构的全正色散被动锁模掺镱光纤振荡器,在泵浦功率为250 mW时得到重复频率为1.05 MHz的稳定锁模脉冲,输出功率为6 mW,在泵浦功率增加到480 mW时输出功率为20 mW,对应的单脉冲能量为19 nJ,脉冲宽度为520 ps[24]。2015年,本课题组利用垂直蒸发法制备的氧化石墨烯聚乙烯醇(PVA)薄膜作为可饱和吸收体,搭建了基于透射式氧化石墨烯可饱和吸收体的环形腔锁模光纤振荡器,通过调节偏振控制器,在170 mW的泵浦功率下获得了中心波长为1059.7 nm、重复频率为9.17 MHz、10 dB光谱宽度为1.32 nm、脉冲宽度为220 ps的耗散孤子输出,光谱呈陡沿结构,当泵浦功率增大到183 mW时获得了平均功率为1.59 mW、10 dB光谱宽度为1.44 nm、脉冲宽度为286 ps的类噪声输出。同年,本课题组又利用跳线头间法布里-珀罗干涉引发的反饱和吸收效应,在基于氧化石墨烯可饱和吸收体的掺镱光纤振荡器中观察到耗散孤子共振现象,并获得了中心波长为1064.9 nm、重复频率为0.927 MHz的脉冲输出,输出脉冲宽度随泵浦功率的增大而展宽,最大单脉冲能量达到159.4 nJ[25]。
由于实体可饱和吸收体存在损伤阈值低、寿命相对较短的缺点,基于实体可饱和吸收体的锁模光纤振荡器长期工作时存在稳定性低的问题。近年来锁模光纤振荡器逐步向着全光纤化、全保偏化方向发展。为了进一步提高锁模光纤振荡器的抗环境干扰能力,本课题组开展了基于虚拟可饱和吸收体的全保偏锁模光纤振荡器的研究。相比于SESAM锁模等实体可饱和吸收体,非线性放大环形镜(NALM)锁模具有全光纤结构,通过结合全保偏光纤可使振荡器具有更好的工作稳定性,使其在重复频率为几十兆赫兹到105 Hz的范围内实现稳定锁模,输出光谱较宽的可压缩脉冲。2019年,本课题组实现了重复频率范围为21 MHz~100 kHz的全保偏非线性放大环形镜锁模,输出能量从纳焦量级到百纳焦量级,脉冲宽度可被压缩至亚皮秒量级,其装置结构如
图 1. 全保偏(all-PM)NALM锁模掺镱光纤振荡器的结构示意图[26]
Fig. 1. Structural diagram of all-PM Yb-doped NALM mode-locked fiber oscillator[26]
2020年,本课题组利用保偏光纤慢轴角度熔接和偏振敏感损耗器件组成光纤式虚拟可饱和吸收体,并进一步搭建了基于非线性偏振旋转锁模机制的色散管理锁模光纤振荡器,其结构如
2.2 超短脉冲掺镱全光纤结构放大器
激光振荡器输出的脉冲能量低,无法直接应用在工业等领域,因此需要对其进行进一步放大。在搭建超短脉冲放大器时,采用全光纤结构可以避免引入空间元器件,可充分发挥光纤激光器的环境稳定性的优势。2012年,土耳其比尔肯特大学的Elahi等[28]采用掺杂管理的全光纤结构激光器,减弱了光纤中的非线性效应。他们以不同掺杂浓度的25/250 μm (纤芯直径为25 μm,包层直径为250 μm,用25/250 μm表示,下同)光纤作为主放大级,结合预啁啾管理技术,在100 MHz重复频率下获得了平均功率为100 W、脉冲能量为1 μJ、脉冲宽度为4.5 ps的脉冲激光输出,对应峰值功率约为200 kW,脉冲性能受限于非线性效应;2013年,英国南安普顿的Teh等[29]以增益开关二极管作为种子源搭建了全光纤化的保偏MOPA激光,信号脉冲宽度为28 ps。通过电光调制器将重复频率调节为858 MHz时,输出功率为200 W,重复频率调节为53 MHz时的平均功率为171 W,此时脉冲能量为3.23 μJ,该工作的脉冲能量提取主要受限于非线性效应。2016年,天津大学的Yu等[30]采用如
啁啾脉冲放大技术可以在保持高平均功率输出的同时进一步提高输出脉冲的峰值功率,实现飞秒脉冲输出。2013年,美国PolarOny公司的Wan等[32]采用30/400 μm掺镱光纤作为CPA系统的主放大级,在泵浦功率为1.6 kW时,将平均功率为50 W、脉冲宽度为1 ns、重复频率为69 MHz的信号光放大到平均功率为1.05 kW、单脉冲能量为15.2 μJ、峰值功率为15.2 kW、脉冲宽度可压缩到800 fs的信号光。2016年,国防科技大学Yu等[33-34]采用30/250 μm掺镱光纤作为保偏全光纤CPA系统的主放大级,实现了非线性啁啾脉冲放大,实验装置如
本课题组也开展了基于全光纤结构的掺镱光纤激光器的研究工作。2014年,本课题组通过使用SESAM锁模光纤皮秒振荡器,结合全光纤MOPA技术,实现了中心波长为1030 nm、平均功率为101 W、光谱带宽为1.46 nm、重复频率为29 MHz、脉冲宽度为36.6 ps的输出,主放大斜效率为76.7%[36]。为进一步提高输出脉冲的单脉冲能量,在此结构基础之上,本课题组采用脉冲选择器将脉冲重复频率降低至1.83 MHz,并用无源光纤对信号光脉冲进行展宽,在1064.1 nm中心波长处获得了平均功率为131 W、光谱带宽为9.27 nm、脉冲宽度为800 ps、单脉冲能量为72 μJ的皮秒脉冲输出,斜效率达到80.1%。2018年,本课题组又报道了一个全光纤线偏振皮秒MOPA系统[37],同样采用无源光纤展宽器的MOPA结构,在1064.5 nm中心波长处获得平均功率为225 W、重复频率为58.2 MHz、脉冲宽度为80 ps的输出,水平和垂直方向上的光束质量M2分别为1.41和1.49,消光比为14.5 dB。
为了进一步提高输出的平均功率和峰值功率,本课题组开展了基于掺镱光纤CPA技术的研究。在之前工作的基础上使用光纤作为展宽器,同时利用声光调制器(AOM)作为脉冲选择器、50/400 μm大模场掺镱作为主放大级、透射式光栅对作为压缩器,获得了中心波长为1064 nm、平均功率为106 W、重复频率为4.93 MHz、脉冲宽度为13.6 ps 的高功率皮秒激光输出,对应的单脉冲能量为21.5 μJ、峰值功率为1.6 MW。2016年,本课题组进一步利用非线性频率转换技术研制了宽光谱色散波光源,建立飞秒CPA系统[38],装置如
2.3 超短脉冲光子晶体光纤放大器
为了减小非线性效应对光纤放大器的影响、提升可承受的脉冲能量和峰值功率,研究人员发展了光子晶体光纤。这种光纤可以在大模场的情况下保持激光的单模运转。当模场较小时,PCF可以在一定程度上保持柔性传输的特性,但随着模场面积的进一步增加,光纤模场分布对弯曲变得十分敏感,甚至不能弯曲,因此高峰值功率光子晶体光纤放大器往往为棒状PCF。2017年,中国科学院上海光学精密机械研究所的白洋等[40]采用MOPA结构进行放大,主放大级采用纤芯直径为85 μm的大模场掺镱PCF棒,这极大地减小了非线性带来的影响,最终获得了脉冲宽度为11.1 ps、峰值功率为3.4 MW、M2为1.01的近衍射极限输出。
通过结合CPA技术,可以使大模场PCF放大器的性能进一步提高。2007年,德国耶拿大学的Tünnermann课题组采用纤芯直径分别为40 μm和80 μm的两级PCF作为增益介质,利用光栅将脉冲展宽至2 ns,在100 kHz重复频率时获得了超过100 W的输出功率,在重复频率为50 kHz时获得71 W的平均功率,50 kHz时的脉冲能量为1.45 mJ,利用光栅对压缩后的脉冲能量为1 mJ,脉冲宽度为800 fs,峰值功率约为1 GW,该工作中放大器直接输出的脉冲峰值功率为725 kW[41];2011年,Eidam等[42]采用纤芯直径为108 μm的掺镱PCF作为主放大级增益光纤,利用空间光调制器对脉冲进行预补偿,以抑制放大器中非线性相移、高阶色散等负面影响,最终在1030 nm波段获得了平均功率为11 W、脉冲宽度为480 fs、脉冲能量为2.2 mJ、峰值功率为3.8 GW的近衍射极限脉冲输出,放大器直接输出脉冲的峰值功率约为1 MW,其实验装置如
图 6. 大间距PCF啁啾脉冲放大系统的示意图[42]
Fig. 6. Diagram of large-pitch PCF chirped-pulse amplification system [42]
2017年,巴黎-萨克莱大学的Lavenu等[43]利用自相似放大技术、CPA技术、空间光脉冲整形技术,将种子振荡器的光谱展宽至30 nm、脉冲宽度展宽至1 ns,并用AOM将重复频率降低至200 kHz。通过将该信号光注入长度为1 m、模场直径为60 μm的棒状光纤放大器中,获得了脉冲宽度为130 fs、脉冲能量为250 μJ的超短脉冲输出。在此基础上,输出脉冲被一个由氙气填充的空芯毛细管支撑的非线性压缩级和一组啁啾镜压缩,获得脉冲宽度为14 fs、脉冲能量为250 μJ 的少周期脉冲输出。2018年,西安电子科技大学Yang等[44]利用CFBG作为展宽器,将非线性偏振旋转锁模振荡器的脉冲展宽至约1 ns,经过多级全光纤预放大器和纤芯直径为85 μm的大模场掺镱 PCF主放大器的放大并通过透射式光栅对的压缩,获得了单脉冲能量为32 μJ、脉冲宽度为153 fs、峰值功率为209 MW的超短脉冲,光束质量因子约为1.3,其装置如
本课题组为实现高功率、大能量超短脉冲输出,也开展了基于大模场掺镱PCF的啁啾脉冲放大工作。2019年,本课题组在对非线性放大过程中光谱演化的理论模拟的基础上,搭建了一套基于频域-时域映射整形的全光纤飞秒CPA系统[47]。如
同年,本课题组又采用更大模场面积的棒状PCF进行啁啾脉冲放大。种子源为基于NALM的全保偏锁模掺镱光纤振荡器,其重复频率为21 MHz,脉冲宽度为5.3 ps,之后脉冲重复频率被声光调制器降低到4.2 MHz,使用长度为800 m的无源光纤展宽器将脉冲宽度展宽至360 ps,经过三级全光纤放大器获得了8 W的平均功率,此时3 dB带宽为8 nm,主放大级增益介质采用模场直径为65 μm的大模场棒状掺镱 PCF,实验设置如
图 9. 全保偏NALM锁模光纤振荡器示意图及1.03 μm皮秒CPA系统示意图[48]。(a)全保偏NALM锁模光纤振荡器示意图;(b)1.03 μm皮秒CPA系统示意图
Fig. 9. Diagram of all-polarization-maintaining NALM mode-locked fiber oscillator, and diagram of 1.03 μm picosecond CPA system[48]. (a) Diagram of all-polarization-maintaining NALM mode-locked fiber oscillator; (b) diagram of 1.03 μm picosecond CPA system
2020年,本课题组在前述实验的基础上,采用中国科学院上海光学精密机械研究所自制的大模场棒状掺镱PCF作为主放大器,将种子源更换为利用CFBG和SESAM搭建的全保偏色散管理锁模光纤振荡器,其结构如
图 10. 国产PCF放大实验装置示意图。(a)全光纤振荡器和脉冲展宽器示意图;(b)双包层光纤放大器示意图;(c)国产PCF主放大器示意图
Fig. 10. Diagrams of experimental setups of domestic PCF amplification. (a) Diagram of all-fiber oscillator and pulse stretcher; (b) diagram of double-cladding fiber amplifier; (c) diagram of domestic PCF main amplifier
图 11. 锁模振荡器的光谱图和自相关曲线。(a)光谱图;(b)自相关曲线
Fig. 11. Spectrum and autocorrelation curve of mode-locked oscillator. (a) Spectrum; (b) autocorrelation curve
利用AOM将脉冲重复频率降低至1 MHz,经过单模纤芯放大后,平均功率为5.4 mW,对应的单脉冲能量为5.4 nJ。输出的光谱如
图 12. 初级预放大后的输出光谱和无源光纤展宽后的脉冲形状。(a)初级预放大后的输出光谱;(b)无源光纤展宽后的脉冲形状
Fig. 12. Output spectrum after primary pre-amplification, and pulse shape broadened by passive fiber. (a) Output spectrum after primary pre-amplification; (b) pulse shape broadened by passive fiber
展宽后的脉冲被两级双包层光纤放大器进行功率放大。两级放大器的增益光纤分别为20/130 μm的保偏双包层掺镱光纤和30/250 μm的保偏双包层掺镱光纤。脉冲经过两级放大后,平均功率分别被放大到700 mW和11 W,由于增益窄化效应,放大后的光谱带宽窄化到4.2 nm,啁啾信号脉冲的宽度窄化为167 ps,如
图 13. 30/250 μm掺镱光纤放大器的输出光谱和脉冲形状。(a)输出光谱;(b)脉冲形状
Fig. 13. Output spectrum and pulse shape of 30/250 μm ytterbium doped fiber amplifier. (a) Output spectrum; (b) pulse shape
主放大器中采用了模场直径约为70 μm、纤芯直径为85 μm、内包层直径为260 μm、长度约为1 m的PCF。通过采用焦距为25.4 mm和75 mm的透镜组,将30/250 μm双包层掺镱光纤输出的脉冲光耦合进入PCF纤芯中,在184 W泵浦功率下获得了平均功率为140 W的输出,相应的斜效率为69.8%。输出平均功率随泵浦功率的变化如
图 14. 主放大级输出功率与泵浦功率的关系,以及主放大后输出脉冲经过压缩后的自相关曲线。(a)主放大级输出功率与泵浦功率的关系;(b)主放大后输出脉冲经过压缩后的自相关曲线
Fig. 14. Output power as a function of pump power in main amplification stage, and autocorrelation trace of compressed output pulse after main amplification. (a) Output power as a function of pump power in main amplification stage; (b) autocorrelation trace of compressed output pulse after main amplification
3 高功率超短脉冲光纤-固体混合放大器研究进展
PCF通过增大模场面积,减小了非线性效应的影响,降低了损伤风险,使脉冲峰值功率达到兆瓦量级,同时可保证良好的光束质量;但PCF受限于石英材料的自聚焦效应,其极限峰值功率不超过4 MW,这限制了PCF直接输出的峰值功率的进一步提升,因此PCF更适用于高重复频率下几十瓦到百瓦级的功率输出。与普通光纤和PCF相比,晶体可以承受的峰值功率可达百兆瓦量级以上。由此可以想到,将光纤振荡器输出的信号光经过光纤放大器的放大后,进一步采用固体放大器对其进行放大,这不仅可以提升超短脉冲的能量和峰值功率,还可以凭借光纤放大器较好的紧凑性和稳定性以及高光-光转换效率的优势成为一种非常有吸引力的放大技术。晶体放大器不仅可用于平均功率为几十瓦的低重复频率、高能量、高峰值功率超短脉冲输出,还可以通过多级放大的方式获得百瓦级的平均功率。在超短脉冲放大中,最常采用的固体增益介质是掺镱晶体,其中Yb∶YAG由于其出色的热机械性能,在高功率放大中被广泛使用。
常温下Yb3+离子的能级结构为准三能级,温度升高会导致其终端能级的粒子数增加,因此放大效率容易受到晶体温度变化的影响。为了获得有效的激光运转,所需的泵浦功率是其阈值的5~6倍。早期的光纤耦合输出激光二极管受限于耦合技术,需要采用纤芯直径为数百微米的多模光纤,输出的激光模式多,光束质量差,导致泵浦光亮度低且发散角度大,无法以较低功率达到有效泵浦强度。为了达到足够的泵浦强度,只能使用长度较短的掺镱晶体,为了保证增益,晶体需要具有较高的掺杂浓度。增益介质较小的表面积和体积之比使其在高功率泵浦下会产生剧烈的热效应,严重时会导致晶体损坏。为了克服这一缺点,研究人员采取了两种不同的技术路线。一种是通过采用特殊的泵浦系统和晶体结构,例如板条和碟片放大器等,使晶体在常温下承受很高的泵浦功率。其复杂的结构和工艺目前只被少数公司和机构掌握。另一种是采用液氮对掺镱晶体进行低温冷却,这种方式可以直接采用棒状(块状)晶体,晶体加工难度低,但低温冷却系统的复杂性和成本使其只能用作特殊用途的科研应用[49-52]。
3.1 超短脉冲单晶光纤放大器
在面向工业等实际应用时,需要采用更便捷且成本更低的常温水冷方式;为了克服激光二极管的低光束质量和小体积高掺杂晶体所带来的热负荷问题,2002年,日本福井大学的Kawato等[53]提出了可以使泵浦光波导传输的晶体细棒放大器结构。如
近年来,为了克服传统石英介质光纤存在的热导率低和非线性效应等问题,人们希望将晶体与传统光纤结合,获得可以兼具晶体良好的物理、化学性质和光纤散热优势的晶体光纤。在高功率放大中,最广泛使用的是由巴黎第十一大学研究人员提出的与福井大学结构类似的无包层形式单晶光纤,其直径通常为400 μm~1 mm,长度为40~60 mm。信号光在单晶光纤内以自由空间形式传播,泵浦光则是以波导形式传播,因此单晶光纤可以采用较低的掺杂浓度和较长的长度,使泵浦光沿晶体长度方向的衰减更少,产生的热量更均匀,如
图 16. 单晶光纤中心泵浦功率吸收比率示意图,以及普通装配技术和Taranis模块中单晶光纤泵浦端面的温度分布[56].(a)单晶光纤中心泵浦功率吸收比率示意图;(b)普通装配技术和Taranis模块中单晶光纤泵浦端面的温度分布
Fig. 16. Evolution of fraction of pump power absorbed in central part of SCF, and temperature distribution of SCF pumped facet in Taranis module and conventional mounting technique[56]. (a) Evolution of fraction of pump power absorbed in central part of SCF; (b) temperature distribution of SCF pumped facet in Taranis module and conventional mounting technique
俄罗斯科学院的Kuznetsov等[59]也在这一领域做了许多工作。2016年,他们提出了锥形Yb∶YAG细棒放大器的概念,数值模拟和实验表明在相同泵浦条件下,锥形细棒的细端区域的粒子数反转得到明显改善,相比单晶光纤具有更大的小信号增益;2018年,他们通过对多种规格的侧面抛光Yb∶YAG圆柱细棒放大器进行理论和实验研究[60],指出更高掺杂、更短长度的晶体细棒的小信号增益要优于低掺杂、较长长度的晶体细棒,他们在实验中采用基于CVBG的CPA结构和两级侧抛细棒放大配置,将重复频率为11.5 kHz、平均功率为10 mW、脉冲宽度为300 fs的信号光放大至28 W,脉冲能量为2 mJ,压缩后的脉冲宽度为2.8 ps,对应的峰值功率为714 MW;在这两级放大的基础上,他们又采用一级多通碟片放大器,将脉冲能量提高到10 mJ,对应的平均功率为120 W, 实验装置如
图 17. Yb∶YAG细棒和多通碟片放大系统示意图[61]
Fig. 17. Diagram of Yb∶YAG thin rod and multi-pass disk amplification system[61]
中国科学院西安光学精密机械研究所在Yb∶YAG单晶光纤放大方面做了许多工作[62-65]。他们在2020年的最新工作中采用了光纤、键合棒状晶体、两级SCF的实验设置,分别将信号光的平均功率放大到7.2,26.7,96 W。由于增益窄化效应,放大后的脉冲光谱带宽为2.8 nm,通过CVBG对脉冲进行压缩,脉冲宽度被压缩至2.5 ps,其相应的平均功率为67.8 W,光-光转换效率为72.4% [66]。
2020年,本课题组在再生放大实验中对比Yb∶YAG 棒状晶体和Yb∶YAG单晶光纤的光-光转换效率,发现单晶光纤的转换效率要远高于Φ2×(5+40+5) mm、掺杂浓度为1%的棒状晶体,并进一步采用晶体尺寸为Φ1×30 mm、掺杂浓度为1%的Taranis模块结合NALM光纤振荡器进行了单晶光纤再生放大实验研究[67]。实验结构如
同年,德国斯图加特大学的Beirow等[68]探索了单级单晶光纤放大器在波长为969 nm的高功率激光二极管泵浦下的放大性能。实验中使用晶体尺寸为Φ1×40 mm、掺杂浓度为1%的Taranis模块,在泵浦功率为1 kW时,将平均功率为53 W、重复频率为48.5 MHz、脉冲宽度为784 fs的信号光直接放大至290 W,脉冲宽度为829 fs,对应的峰值功功率为7.2 MW。他们指出单晶光纤在光束质量和放大效率方面虽然不如碟片放大器,但是其在结构简单、占地面积小和总成本低等方面具有很大优势。
3.2 超短脉冲棒状(块状)晶体放大器
伴随着单晶光纤放大器的发展和光纤耦合激光二极管输出亮度的提升,研究人员也对在常温下直接采用棒状(块状)Yb∶YAG晶体作为放大器增益介质的方式产生了极大的兴趣。2015年,巴黎第十一大学的Pouysegur等[69]采用一段0.8 m长、85/265 μm的棒状掺镱光纤和一个10 mm长的Yb∶YAG晶体,结合DPA技术在50 kHz重复频率下获得了脉冲宽度为3 ps、脉冲能量为350 μJ、峰值功率为116 MW的输出。2016年,他们采用一个长度为15 mm、宽度为1 mm、掺杂浓度为3%的Yb∶YAG晶体,得到的输出激光的脉冲宽度为350fs、脉冲能量为200 μJ、重复频率为100 kHz,振荡器的脉冲宽度被展宽至500 ps。在重复频率为5 kHz时,通过采用DPA技术的放大器获得3 mJ的脉冲能量。经过压缩后,输出的脉冲能量为2.3 mJ,脉冲宽度为520 fs,峰值功率达到4.4 GW[70]。
立陶宛物理科学与技术中心的Rodin等[71-72]在2017年通过相同的实验配置对比了Φ1×40 mm、掺杂浓度为1%的单晶光纤和尺寸为2 mm×2 mm×20 mm、掺杂浓度为2%的Yb∶YAG晶体对中心波长为1030 nm、平均功率为550 mW、重复频率为500 kHz、脉冲宽度为210 ps的信号光进行双通放大的结果,实验装置如
2018年,立陶宛Ekspla公司的Veselis等[73-74]的工作也证实了这一结果。他们采用基于如
图 20. 具有光纤前端和自由空间Yb∶YAG放大器的CPA系统的示意图[74]
Fig. 20. Diagram of CPA system with fiber frontend and free-space Yb∶YAG amplifier[74]
2020年,本课题组采用全光纤前端和三级Yb∶YAG细棒放大的方式,获得了平均功率为100.4 W、重复频率为20 MHz、脉冲宽度为7 ps的输出[76],光纤前端采用非保偏光纤。种子源为一个SESAM锁模的掺镱全光纤环形振荡器,其中:滤波器带宽为8 nm,中心波长为1030 nm;掺镱增益光纤在976 nm的吸收系数为250 dB/m,长度为1 m,耦合输出比为30%。实验中采用的SESAM的中心波长位于1064 nm,导致锁模后中心波长相对1030 nm向长波方向偏移。随后采用两级光纤放大器对信号光进行放大。第一级纤芯放大增益光纤为长度为1 m的6/125 μm掺镱单模光纤,其在976 nm的吸收系数为250 dB/m。第二级放大的增益光纤为长度为2 m的掺镱20/130 μm双包层光纤,其在976 nm处的吸收系数为10.8 dB/m,经过薄膜偏振片后并在晶体放大之前输出功率维持在1.5 W,重复频率为20 MHz,脉冲宽度为17.4 ps,中心波长为1032.99 nm,3 dB光谱宽度为0.87 nm。固体放大结构如
图 21. 掺镱光纤和Yb∶YAG细棒混合MOPA系统的示意图[76]
Fig. 21. Diagram of hybrid MOPA system with Yb-fiber and Yb∶YAG thin-rod[76]
为了进一步降低晶体内的热效应,将第三级放大更换为尺寸为Φ2×(5+60+5) mm、掺杂浓度为0.5%的非侧抛Yb∶YAG键合细棒,冷却方式为直接水冷;注意到,泵浦光在经直接水冷的圆柱状晶体内传播时,如果存在全内反射,则其在靠近晶体侧壁附近会形成螺旋传播的放大自发辐射(ASE),这造成晶体内储能的损耗。如
图 22. 侧面及端面角度的直接水冷时侧抛晶体棒捕获ASE的路径示意图,ASE会减小在晶体棒中的环形区域存储的激光增益[77]
Fig. 22. Diagrams of optical path of sidecast crystal rod trapping ASE for direct water cooling at side and end angles. ASE decreases laser gain stored in annular region of crystal rod[77]
后续改进工作中在光纤前端后直接采用了两级双端泵浦的Φ2×(5+40+5) mm的Yb∶YAG键合细棒放大器,装置如
图 23. 两级双端泵浦的Φ2×(5+40+5) mm的Yb∶YAG键合细棒放大器示意图,以及第一级和第二级放大器的输出功率。(a)两级双端泵浦的Φ2×(5+40+5) mm的Yb∶YAG键合细棒放大器示意图;(b)第一级放大器的输出功率;(c)第二级放大器的输出功率
Fig. 23. Diagram of two-stage double-end pumped Φ2×(5+40+5) mm Yb∶YAG bonding thin rod amplifier, and output powers of first stage amplifier and second stage amplifier. (a) Diagram of two-stage double-end pumped Φ2×(5+40+5) mm Yb∶YAG bonding thin rod amplifier; (b) output power of first stage amplifier; (c) output power of second stage amplifier
在之前MOPA工作的基础上,为了进一步对比晶体细棒和单晶光纤的放大效率,采用一级Taranis模块对光纤前端输出的信号光进行了直接放大;在反向泵浦功率为100 W时,采用Taranis模块得到的单通放大功率为5.2 W,相同泵浦条件下Φ2×(5+40+5) mm键合细棒的单通放大功率为3.4 W;采用双通放大[
图 24. 反向泵浦双通放大、双端泵浦四通放大示意图,反向泵浦、双端泵浦时不同规格Yb∶YAG晶体的输出功率,以及单晶光纤双端泵浦四通放大的光束质量因子。(a)反向泵浦双通放大示意图;(b)双端泵浦四通放大示意图;(c)反向泵浦时不同规格Yb∶YAG晶体的输出功率;(d)双端泵浦时不同规格Yb∶YAG晶体的输出功率;(e)单晶光纤双端泵浦四通放大的光束质量因子
Fig. 24. Diagrams of reverse-pumped double-pass amplification and dual-end-pumped four-pass amplification, output powers of Yb∶YAG crystals of different specifications during reverse pumping and dual-end-pumped, and beam quality factor of SCF dual-end-pumped four-pass amplification. (a) Diagram of reverse-pumped double-pass amplification; (b) diagram of double-ended pumped four-pass amplification; (c) output power of Yb∶YAG crystals of different specifications during reverse pumping; (d) output power of
4 结束语
掺镱光纤激光器以其结构紧凑、稳定性高、维护简单而广受青睐,但较小的纤芯直径使其无法承受超短脉冲过高的峰值功率,大模场PCF由于受到石英材料极限峰值功率的限制,无法直接获得更高峰值功率的脉冲输出,这一限制可以通过以Yb∶YAG晶体为主的掺镱晶体得到有效克服。这种光纤-固体混合超短脉冲放大技术有效地结合光纤放大器的高增益和晶体放大器的高峰值功率、高脉冲能量的优势,使激光器具有更低的成本和更紧凑的结构,输出功率小于200 W时可以有效替代板条与碟片放大器,同时也能为碟片等高功率激光放大器提供参数优良、稳定可靠且成本更低的放大前级。通过合束等技术,光纤-固体放大也有望获得更高平均功率的超短脉冲激光输出。随着未来可用作泵浦源的合适波长的光纤激光器的开发或光纤耦合激光二极管亮度的进一步提升,掺镱棒状(块状)晶体和单晶光纤的放大效率会得到进一步提升。发展高效的常温散热技术也有利于进一步提升掺镱棒状(块状)晶体和单晶光纤放大器的性能。采用包层结构的晶体光纤可实现长距离基模波导、增大单晶光纤表面积和体积之比、降低热管理难度,这也是未来发展的重要方向。
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