设计了一款重复频率精确锁定的飞秒脉冲和皮秒脉冲双路输出光纤激光器。该激光器采用输出为近傅里叶变换极限的皮秒脉冲作为种子源,其脉冲宽度为21 ps,重复频率为40 MHz。该种子脉冲经1∶1分束后,分别注入飞秒和皮秒脉冲放大链路中。通过有效管理脉冲放大过程中的非线性和色散,实现了宽带光谱飞秒脉冲和窄带光谱皮秒脉冲的同步输出。其中,飞秒脉冲放大链路是将皮秒种子脉冲先经过单模光纤功率放大器,而后在50 m保偏单模光纤中利用自相位调制效应进行光谱展宽,光谱展宽至6.12 nm;进一步采用光栅对去啁啾后,得到了脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。皮秒脉冲放大链路的皮秒种子脉冲经过功率预放大、脉冲选单至10 MHz后,由200/40光子晶体光纤主放大器进行功率提升,得到了脉冲宽度为25 ps、单脉冲能量为1.4 μJ、光谱宽度为0.86 nm的皮秒脉冲输出。此外,通过采用压电陶瓷精确控制和步进电机范围控制相结合的方式,实现了对皮秒种子源谐振腔重复频率的长时间精确锁定。激光器开启并达到热平衡后,8 h测量时间内重复频率峰峰值抖动小于3 mHz,标准偏差为0.31 mHz。

基于自相似光纤激光放大技术,通过非线性光谱展宽突破光纤增益带宽的限制,结合高效色散补偿以获得高功率超短脉冲放大输出,最终得到中心波长1030 nm、重复频率40 MHz、平均功率34 W、脉冲宽度50 fs的高质量脉冲输出,对应峰值功率17 MW。该系统采用可饱和吸收体锁模,采用啁啾光纤布拉格光栅补偿腔内色散,相对于啁啾脉冲放大技术具有结构简单、集成度高等优点。实验结合光纤热管理技术和数字测控技术(FPGA),显著提升了系统的稳定性和鲁棒性,极大推动了高功率飞秒光纤激光在下游诸多科学与技术领域的应用。

搭建了基于非线性放大环形镜的全保偏掺铒光纤激光器,它可为光梳系统在室外环境中的应用提供稳定运行的光学振荡源。在实验上,通过两级光学预放大及高非线性光纤获得了1000~2300 nm的超连续谱,采用共线型f-2f干涉仪检测到的载波包络偏移频率f0的信噪比高达35 dB。研究了腔内净色散和f0线宽的关系,并将自由运转状态下的f0线宽窄化至5 kHz。将光梳系统的主要参数(重复频率fr和载波包络偏移频率f0)溯源至同一台铷原子钟,锁定后所测标准偏差分别为780 μHz和308 mHz。该光纤光梳系统具有集成度高、体积小的特点。

介绍一种新的高功率、便携式光纤飞秒激光系统。该系统以半导体可饱和吸收锁模光纤激光器作为种子源, 通过光纤布拉格光栅对波长进行选择。振荡器输出的种子光经过两级单模掺镱光纤、一级双包层掺镱光纤预放大后, 进入主放大系统。主放大系统采用大模场掺镱光子晶体光纤放大, 并通过控制放大过程中产生的非线性积累, 有效降低非线性效应对脉冲的影响。加入声光调制器, 使输出重复频率可调, 并通过透射式光栅对, 对输出的脉冲进行压缩, 最终获得平均功率为1.34 W、重复频率为300 kHz、工作波长为1030 nm、脉冲宽度为202 fs的激光输出, 对应单脉冲能量为4.5 μJ, 峰值功率为22 MW。整套激光系统便携、稳定、成本较低, 可以进行广泛的生产应用。

优化设计了光纤-固体皮秒激光光源中的窄光谱皮秒脉冲光纤激光振荡器及多级光纤放大器。光纤链路充分抑制了光纤中的放大自发辐射和非线性效应，以使系统工作在低至1 kHz重复频率时，仍能保持大于20 dB的光谱信噪比及小于0.5 nm的光谱带宽。采用三级双通Nd∶YVO4固体放大器对该光纤链路输出的皮秒脉冲进行了放大。当系统重复频率为1,10,100 kHz时,分别得到了2.34,4.30,10.30 W的平均功率输出，相应的单脉冲能量分别为2.34,0.43,0.10 mJ。在Nd∶YVO4晶体仅为被动散热的条件下，当系统的输出功率不超过7 W时，输出光束的质量因子M2<1.3、光斑圆度大于90%。

搭建了中心波长为1064 nm的光纤激光器装置。全保偏光纤结构的锁模脉冲种子源结合选频单元和全光纤放大器, 实现了重复频率连续可调、脉冲串中脉冲数可选、微焦量级单脉冲能量的皮秒激光输出。通过优化选取激光器的输出参数, 对厚度为110 μm的蓝宝石晶圆进行了切片。观察多种激光参数下切片后的微观形貌, 发现单脉冲能量、脉冲串的脉冲数以及光束的光斑圆度会显著影响切割效果。在重复频率100 kHz、脉冲串内7脉冲、光斑圆度大于97%、平均功率0.37 W、划切速度600 mm/s时, 芯片外观最佳, 良品率高达99.58%。