天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室&光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
针对高功率光纤飞秒激光放大器,介绍了啁啾脉冲放大(CPA)技术的基本原理,讨论了该结构中关键的展宽器和压缩器的发展现状与瓶颈;介绍了典型的大模场面积光纤的结构和工作原理,简介了基于大模场面积光纤的CPA系统的发展现状;介绍了非线性放大技术,讨论了实现更窄脉冲宽度、更高脉冲质量的光纤飞秒激光放大方案;最后分析了全光纤结构、相干合束、单晶光纤增益介质以及皮秒种子源等新型技术,并总结了高功率光纤飞秒激光放大器的发展趋势。
飞秒激光 光纤放大器 啁啾脉冲放大(CPA) 非线性放大 脉冲相干合束
Author Affiliations
Abstract
Ultrafast Laser Laboratory, Key Laboratory of Opto-electronic Information Science and Technology of Ministry of Education, School of Precision Instruments and Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
We report a hybrid femtosecond laser system based on a femtosecond Yb-doped fiber laser and a Yb-doped potassium gadolinium tungstate (Yb:KGW) regenerative amplifier. To match the central wavelength of the seed source, a Yb:KGW crystal is used in the regenerative amplifier for Np polarization. We study and optimize the dynamics of nonlinear amplification to alleviate the gain narrowing effect. With optimization, the system can output 270 fs pulses with 21 μJ pulse energy at a 60 kHz repetition rate.
140.3280 Laser amplifiers 140.3615 Lasers, ytterbium Chinese Optics Letters
2019, 17(4): 041404
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
采用光纤啁啾脉冲放大技术,搭建了基于负三阶色散补偿的高功率、高脉冲质量全光纤飞秒激光放大系统。利用保偏大模场双包层掺镱光纤作为增益介质,负三阶色散光纤和普通保偏单模光纤作为混合型光纤展宽器,在实现时域展宽的同时,对放大系统中的正三阶色散进行预补偿,从而获得高质量、高功率的激光脉冲输出。在实验中使用混合展宽器和1200 line·mm
-1光栅对作为压缩器,使系统的净三阶色散量趋近于零,最终获得了重复频率为111 MHz,放大后输出平均功率为8.5 W,中心波长为1035 nm,去啁啾后脉冲宽度为217 fs的高脉冲质量飞秒激光输出。
激光技术 三阶色散补偿 保偏光纤 光纤啁啾脉冲放大 光纤飞秒激光放大系统 激光与光电子学进展
2018, 55(5): 051404
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
最近十几年来,随着飞秒激光技术及非线性晶体制备技术的逐渐成熟,非线性光学频率变换技术得到了飞速发展。非线性光学频率变换技术的研究旨在突破激光增益介质发射谱线的限制,使激光器输出波长拓展至传统激光器所无法直接输出的波段范围,以满足更加广泛的科研及应用需求。到目前为止,非线性频率变换技术是获得多波长和可调谐飞秒激光的最简捷有效的途径。近些年来,本研究室在研究光纤飞秒激光器的基础上,开展了基于掺Yb
3+光子晶体光纤飞秒激光系统抽运不同介质的非线性频率变换研究,主要包括:基于块状晶体的光学参量振荡(OPO)技术、基于砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换、基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生。简要介绍国内外相关研究成果,重点综述了本研究室近五年来在上述研究领域的科研成果,分别介绍了OPO技术、砷化镓(GaAs)纳米线的频率上转换和基于高非线性光子晶体光纤的超连续谱及三次谐波的产生技术的基本原理、研究进展以及前沿应用。
非线性光学 非线性光学频率变换 光子晶体光纤飞秒激光 光学参量振荡器 砷化镓纳米线 高非线性光子晶体光纤 激光与光电子学进展
2018, 55(4): 040001
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室,天津 300072
2 中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室,北京 100094
利用飞秒激光在充氩气的Kagome结构空芯光子晶体光纤中产生了高亮度宽带的超连续光谱. 通过改变填充气体的气压以及输入激光的单脉冲能量可以对产生的超连续光谱进行控制. 利用中心波长980 nm的飞秒脉冲作为抽运获得了光谱范围覆盖340~1 550 nm的宽带超连续光谱. 通过基于载波的单向脉冲传输方程研究了超短脉冲在充氩气的Kagome光纤中产生超连续光谱的动力学过程.
超连续光谱 高阶孤子 充气光纤 光子晶体光纤 supercontinuum high order soliton gas-filled fiber photonic crystal fiber
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
在基于钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)技术获得拍瓦级输出的激光装置中, 光谱发射截面的不同和饱和放大的影响会使放大光谱产生增益窄化和光谱红移。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中, 尤其在高能量饱和放大时更加严重。基于中国科学院上海光学精密机械研究所5.0 PW激光装置的实验结果, 针对Apollon-10 PW激光装置的光谱控制, 在理论上提出一种基于光-光同步放大的光谱整形技术, 用以抑制高能量放大过程中的光谱红移。该技术基于传统的放大模型, 通过在功放级引入短脉冲抽运, 利用抽运光和啁啾种子光同步放大的方式抑制了光谱的红移。该技术无需引入任何其他光学器件, 也不会引入附加损耗, 操作简单。数值模拟结果表明, 利用该技术可以有效地对放大的光谱进行整形, 抑制了光谱红移效应。
激光光学 超强超快激光 啁啾脉冲放大 钛宝石晶体 光谱整形 中国激光
2017, 44(12): 1201001
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室, 光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
双飞秒激光绝对距离测量系统具有测量精度高、更新速率快的优点, 然而测量过程中的高斯白噪声会造成测距精度的降低。提出了一种基于卡尔曼滤波技术的提高双飞秒激光绝对距离测量精度的方法, 即通过建立卡尔曼滤波状态空间模型得到测量结果的最优状态估计, 大幅度降低随机过程引入的测量精度损失, 同时可以得到速度信息估计值。实验结果表明, 目标静止时卡尔曼滤波技术可将测量标准差降低近一个数量级; 目标匀速运动时, 稳定状态下三维状态空间模型估计的速度标准差约4 μm/s。
遥感 飞秒激光 激光测距仪 卡尔曼滤波 测速
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
在高能量抽运激光脉冲的传输与放大过程中, 激光放大器的增益饱和效应会导致激光脉冲产生时域畸变, 使输出激光脉冲无法保持其时域的平顶型分布。因此, 需要对抽运激光脉冲进行时域预整形, 以补偿放大器中的增益饱和。提出了一种基于光-光同步放大的时域整形技术来补偿增益饱和引入的时域畸变。该技术基于传统的放大模型, 不受激光脉冲宽度的限制, 操作简单, 成本低廉。数值模拟结果表明, 利用所提技术可以对激光系统的输入脉冲进行有效的时域整形, 并且可以补偿增益饱和, 从而获得时域平顶分布的输出脉冲。
激光器 超强超快激光 光参量啁啾脉冲放大 时域脉冲整形
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室， 光电信息技术教育部重点实验室， 天津 300072
2 西安中科汇纤光电科技有限公司， 陕西 西安 710119
利用普通大模场面积掺镱保偏双包层光纤作为增益介质，采用啁啾脉冲放大技术搭建了全保偏光纤飞秒激光放大系统。由于全保偏光纤结构，系统具有较高的集成度和长期稳定性。将系统中积累的三阶色散与放大过程中引入的非线性啁啾相互补偿，通过控制展宽光纤的长度，优化了压缩后脉冲质量和宽度。同时分析了周期性光谱调制对放大输出的影响，通过优化保偏（2+1）×1光纤合束器的制作工艺，解决了其引起的周期性光谱调制问题，最终获得重复频率为111 MHz，压缩后输出平均功率为9 W，对应脉宽为260 fs，单脉冲能量为81 nJ，保偏比为13 dB的高质量飞秒激光脉冲输出。
激光光学 保偏光纤合束器 周期性光谱调制 啁啾脉冲放大 光纤飞秒激光放大系统
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300072
使用掺镱光子晶体光纤飞秒激光放大系统作为加工光源, 利用激光诱导前向转移(LIFT)技术对铜膜进行加工, 产生纳米结构。通过控制飞秒激光光源参数, 得到不同纳米结构的金属薄膜。在功率较低时, 能够得到纳米团簇; 随着功率升高, 团簇尺寸变大; 到达一定功率时, 出现纳米线结构。通过实验分析了飞秒激光与材料相互作用时发生的物理过程。利用该机理, 对20, 40, 200 nm三种厚度的铜膜在相同实验条件下的实验结果进行比较, 获得了产生纳米团簇和纳米线结构薄膜的最佳条件。
激光制造 激光加工 飞秒激光 纳米结构
