百皮秒激光脈沖的全光纖放大及應(yīng)用

孫若愚，劉 江，譚方舟，王 璞

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京00124）

百皮秒激光脈沖的全光纖放大及應(yīng)用

孫若愚，劉 江，譚方舟，王 璞*

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京00124）

為了得到高單脈沖能量的百皮秒激光脈沖，采用自制的被動(dòng)鎖模摻鐿光纖激光器獲得了100ps的激光脈沖輸出，在此基礎(chǔ)上采用兩級(jí)全光纖結(jié)構(gòu)主振蕩功率放大器進(jìn)行功率放大，其中預(yù)放大級(jí)采用7μm纖芯的雙包層摻鐿光纖做增益介質(zhì)，得到平均功率160mW的穩(wěn)定脈沖輸出；主放大級(jí)采用20μm纖芯的雙包層摻鐿光纖做增益介質(zhì)，在抽運(yùn)功率逐步增加到35.37W時(shí)，輸出功率達(dá)到了16.60W，相應(yīng)的單脈沖能量為1.63μJ，峰值功率為16.61kW。此外，主放大級(jí)輸出的激光通過(guò)自制的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器與光子晶體光纖（纖芯4.6μm）成功熔接，得到了2.85W的白光超連續(xù)光譜，光譜波長(zhǎng)覆蓋了600nm～1700nm的檢測(cè)范圍。結(jié)果表明，此激光可用于超連續(xù)譜光源的產(chǎn)生。

光纖光學(xué)；主振蕩功率放大器；高脈沖能量；白光超連續(xù)譜

引 言

與納秒脈沖相比，皮秒脈沖激光因?yàn)橛懈〉臒犴憫?yīng)區(qū)、更快的加工速度和更高的加工質(zhì)量，在激光微加工領(lǐng)域中顯示出更大的優(yōu)勢(shì)［1］，因此引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣。如今，擁有高脈沖能量的皮秒激光器已成功應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的制造、硅電路板的刻畫(huà)及薄膜移除等特種加工［2］，但所用的多是晶體或準(zhǔn)分子激光器。相對(duì)于晶體和準(zhǔn)分子激光器，光纖皮秒激光器有著體積小、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好以及靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于皮秒光纖激光器的研究多注重于平均輸出功率的提高，雖然在這個(gè)過(guò)程中單脈沖能量也會(huì)伴隨提高，但其功率提高的幅度畢竟有限，一般不足以滿足激光微加工的需求。另外，由于激光在光纖中有很強(qiáng)的非線性效應(yīng)，這在一定程度上限制了激光的峰值功率，也限制了單脈沖能量的進(jìn)一步的提高。鑒于此，作者試圖通過(guò)協(xié)調(diào)重復(fù)頻率、脈沖寬度與峰值功率之間的關(guān)系，研制一種單脈沖能量相對(duì)較高的被動(dòng)鎖模皮秒脈沖光纖激光器，為進(jìn)一步探索和比較不同脈寬及單脈沖能量激光的特性及應(yīng)用效果創(chuàng)造條件。

要獲得高單脈沖能量、高峰值功率的激光，當(dāng)然還需要與之相適應(yīng)的光纖放大器，前人的研究工作已經(jīng)為此奠定了基礎(chǔ)［3-4］。另外，要獲得皮秒級(jí)的脈沖輸出也離不開(kāi)成熟的鎖模技術(shù)，其中與主動(dòng)鎖模相比，被動(dòng)鎖模更加方便實(shí)用，整個(gè)系統(tǒng)中沒(méi)有外加信號(hào)的控制，且鎖模過(guò)程可自發(fā)完成。在現(xiàn)今所報(bào)道的被動(dòng)鎖模技術(shù)中，與非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模、單壁碳納米管和石墨烯鎖模相比，利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的鎖模技術(shù)已相對(duì)成熟，也便于進(jìn)一步的工業(yè)化應(yīng)用。

此外，皮秒激光的另一個(gè)重要應(yīng)用方面是制備超連續(xù)譜光源［5-6］。該光源在超精密時(shí)間及頻率測(cè)量、寬帶光纖通信、光譜分析、光學(xué)相干層析等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景，在過(guò)去幾年里一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［7-8］。限于實(shí)驗(yàn)條件，在將此高單脈沖能量、百皮秒脈寬激光用于打標(biāo)、打孔實(shí)驗(yàn)之前，作者先嘗試用其抽運(yùn)光子晶體光纖，初步探測(cè)其在超連續(xù)光譜產(chǎn)生上的效果和特點(diǎn)。

1 高能量百皮秒脈寬光纖激光器

1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

在光纖激光器中，理論上通過(guò)提高平均輸出功率或降低脈沖的重復(fù)頻率都可以提高單脈沖能量。但要提高平均輸出功率便需要更多的放大級(jí)和抽運(yùn)源，從而使激光器體積更加龐大、價(jià)格更加昂貴，因此降低重復(fù)頻率可能是更經(jīng)濟(jì)、可行的手段。在鎖模光纖激光器中，只需增加諧振腔長(zhǎng)度，就可以達(dá)到降低脈沖重復(fù)頻率目的。實(shí)驗(yàn)中利用本單位前期研制的種子源激光器［9］，通過(guò)必要的改進(jìn)，重新設(shè)定重復(fù)頻率、選定脈沖寬度，得到了100ps脈寬的脈沖輸出。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，選用主振蕩放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率放大，在提高平均輸出功率的同時(shí)重點(diǎn)提高單脈沖能量。

Fig.1 Amplifying process of 100psmode-locked Yb-doped fiber laser

百皮秒脈寬、高單脈沖能量光纖激光器的搭建方式如圖1所示。種子光由實(shí)驗(yàn)室自制的被動(dòng)鎖模皮秒脈沖摻鐿光纖激光器提供，為了提高功率和單脈沖能量，在種子源之后先接入預(yù)放大級(jí)光纖放大器，采用正向包層抽運(yùn)方式，抽運(yùn)源采用凱普林公司中心波長(zhǎng)976nm、功率10W的半導(dǎo)體激光器（K97S02F-10.00W-R），用5m長(zhǎng)、纖芯直徑7μm的雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)（CorActive，100023-DCF-YB-7/125-FA），其在974nm處的吸收系數(shù)約5dB/m。預(yù)放大級(jí)后接入隔離器，以防止光纖端面的反射影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在預(yù)放大得到的皮秒脈沖進(jìn)入主放大級(jí)之前安裝95∶5的分束器，在該分束器5％的輸出端用帶寬1GHz的示波器（Agilent DSO7104B）和1.8GHz的光電探測(cè)器（Thorlabs DET01CFC）對(duì)脈沖串進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保激光器的穩(wěn)定運(yùn)行。

在預(yù)放大的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用高功率摻鐿光纖放大器作為主放大級(jí)。使用6個(gè)與預(yù)放大級(jí)型號(hào)相同的包層抽運(yùn)激光二極管作為抽運(yùn)源，通過(guò)（6+ 1）×1合束器耦合到增益光纖內(nèi)。增益光纖為長(zhǎng)5m、纖芯直徑20μm的雙包層摻鐿光纖（Nufern，LMA-YDF-20/130-08FA），此光纖在976 nm處的吸收系數(shù)約5dB/m。為防止光纖的端面反射，將放大后的激光通過(guò)一個(gè)20W的偏振無(wú)關(guān)隔離器進(jìn)行輸出，使用帶寬25GHz的高速示波器及分辨率0.02nm的光譜分析儀對(duì)輸出激光的光譜及脈沖進(jìn)行測(cè)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在種子源輸出端，使用分辨率0.02nm的光譜分析儀（Ykogawa AQ6370）測(cè)得中心波長(zhǎng)和光譜寬度分別為1064.1nm和0.09nm，如圖2所示。使用25GHz帶寬的高速示波器和25GHz光電探測(cè)器測(cè)得脈沖半峰全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）為100.25ps、重復(fù)頻率為10.19MHz，重復(fù)頻率與激光器共振腔長(zhǎng)度吻合，脈沖序列及單脈沖形狀如圖3所示。

Fig.2 Optical spectra of seed source

高功率光纖激光器通常由低功率種子源和多級(jí)功率放大器組成。低功率種子源決定了激光輸出的波長(zhǎng)、脈寬和重復(fù)頻率等關(guān)鍵參量，功率放大器決定了種子源信號(hào)的單程增益、平均功率和單脈沖能量。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)增加種子源激光器諧振腔的腔長(zhǎng)，可有效降低種子光輸出脈沖的重復(fù)頻率，為增加脈寬、提高單脈沖能量奠定了基礎(chǔ)。

Fig.3 a—mode-lockedpulsetrainsat10.19MHzoftheseedsource b—pulsewidthat10.19MHzoftheseedsource

本實(shí)驗(yàn)中種子光的平均輸出功率為1.25mW，研究結(jié)果顯示，若進(jìn)一步增加抽運(yùn)功率，會(huì)使種子光產(chǎn)生脈沖分裂并降低輸出脈沖的穩(wěn)定性。種子光通過(guò)預(yù)放大后得到了160mW的平均輸出功率，其中95％供給主放大級(jí)進(jìn)行功率再放大。主放大級(jí)中激光平均輸出功率隨抽運(yùn)功率的變化曲線如圖4所示。顯然，至少在本實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)，抽運(yùn)功率與輸出脈沖的功率基本上呈正比關(guān)系，經(jīng)計(jì)算其斜效率約為49.5％。

Fig.4 Relationshipbetweenaverageoutputpower，peakoutputpower andpumppowerinmasteramplifier

如圖5所示，當(dāng)平均輸出功率15W時(shí)，對(duì)輸出光譜及脈沖進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得中心波長(zhǎng)1064.40nm、光譜寬度0.32nm、FWHM為98.10ps，此時(shí)激光的單脈沖能量1.47μJ。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著抽運(yùn)功率的增加單脈沖能量也相應(yīng)增加，在抽運(yùn)功率增至35.37W時(shí)得到了16.60W的平均輸出功率，相應(yīng)的單脈沖能量高達(dá) 1.63μJ，脈沖峰值功率為16.61kW。與作者工作單位YU等人之前的工作相比［10］，該激光器的輸出功率雖說(shuō)不高，但激光的單脈沖能量得到了較大幅度的提升，這是種子源激光低重頻、大脈寬的特點(diǎn)決定的。

Fig.5 Singlepulsewidthat15Waverageoutputpower

當(dāng)主放大級(jí)平均輸出功率16.60W時(shí)，抽運(yùn)功率與輸出功率的線性關(guān)系沒(méi)并沒(méi)有明顯變化，此時(shí)偏振無(wú)關(guān)隔離器的傳輸效率大約為80％，如果此輸出端不采用隔離器而使用光纖角度切割或其它防反方法，預(yù)計(jì)平均輸出功率可以接近20W、單脈沖能量接近2μJ。只是為了確保偏振無(wú)關(guān)隔離器的安全，本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有繼續(xù)增加抽運(yùn)功率?？梢?jiàn)，通過(guò)繼續(xù)增加抽運(yùn)功率進(jìn)一步提高激光器平均輸出功率、單脈沖能量和峰值功率還是有潛力的。

2 超連續(xù)光譜產(chǎn)生

鑒于超連續(xù)譜光源重要的應(yīng)用前景，所以，在上述高能量百皮秒脈寬光纖激光器的基礎(chǔ)上，作者嘗試將其輸出光接入光子晶體光纖制作全光纖的超連續(xù)譜光源，旨在檢驗(yàn)其產(chǎn)生超連續(xù)光譜的效果，推進(jìn)其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

由于主放大級(jí)光纖和非線性光子晶體光纖的纖芯直徑分別為20μm和4.6μm，模場(chǎng)嚴(yán)重失配，無(wú)法直接熔接。經(jīng)過(guò)摸索，作者通過(guò)自制的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器先將20μm的纖芯轉(zhuǎn)換為6μm纖芯的光纖，而后再將其與17m長(zhǎng)的光子晶體光纖熔接，實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜光源制作。另外，在6μm與4.6μm纖芯的熔接過(guò)程中，通過(guò)對(duì)光纖熔接機(jī)參量的優(yōu)化設(shè)置，使熔接過(guò)程全自動(dòng)化，且熔接耦合效率接近90％。整個(gè)轉(zhuǎn)接過(guò)程主要的難點(diǎn)和限制因素還是自制模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。

隨著模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的初步提高，本實(shí)驗(yàn)成功地在光子晶體光纖中得到了2.85W的白光輸出。顯而易見(jiàn)，如果模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率能進(jìn)一步提高，這種激光產(chǎn)生超連續(xù)光譜的效率還會(huì)大幅度提高，這也為今后進(jìn)一步的研究指明了方向。不過(guò)，盡管模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率還不足20％，這種激光仍然可以產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的超連續(xù)光譜，其超連續(xù)光譜的波長(zhǎng)覆蓋范圍大于1100nm（超過(guò)了本檢測(cè)儀器的量程600nm～1700nm），光子晶體光纖也發(fā)出明亮的白光，并觀察到了六角發(fā)散型遠(yuǎn)場(chǎng)光斑（見(jiàn)圖6）。

Fig.6 Far field profiles of output beam of phonic crystal fiber

3 小 結(jié)

利用自制的種子源激光器獲得了脈寬100ps的種子光，再配合兩級(jí)主振蕩放大結(jié)構(gòu)，研制出了單脈沖能量相對(duì)較高、百皮秒脈寬、全光纖結(jié)構(gòu)的激光器，得到了16.60W的平均輸出功率，相應(yīng)的單脈沖能量為1.63μJ，峰值功率為16.61kW，抽運(yùn)功率的光光轉(zhuǎn)換效率約為49.5％。通過(guò)自制模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器，一定程度上克服了主放大器光纖（20μm纖芯）與光子晶體光纖（4.5μm纖芯）嚴(yán)重的模場(chǎng)失配問(wèn)題。用該激光器成功地抽運(yùn)了一段17m長(zhǎng)的光子晶體光纖，得到了2.85W的白光超連續(xù)光譜，該超連續(xù)譜光源的波長(zhǎng)覆蓋了600nm～1700nm的檢測(cè)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果肯定了該激光在超連續(xù)譜光源研制中的應(yīng)用價(jià)值。

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All-fiber am plification and application of 100ps laser pulse

SUN Ruo-yu，LIU Jiang，TAN Fang-zhou，WANG Pu
（Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to get high single pulse energy with 100ps pulse width，amode-locked Yb-doped picosecond fiber laser was designed and 100ps laser pulse was output.Master oscillator power amplifier（MOPA）with two-stage all fiber structure was adopted.In the preamplifier，gain medium was double-clad Yb-doped fiber with 7μm core diameter and average power of stable pulse output was 160mW.In themaster amplifier，gain medium was double-clad Yb-doped fiber with 20μm core diameter and its output power was 16.60W while pump power increased to 35.37W.The corresponding single pulse energy was1.63μJand peak powerwas16.61kW.And then，output laser ofmaster amplifierwas injected into photonic crystal fiber of 4.6μm core via a home-made mode field adapter.2.85W output power of white light supercontinuum was obtained and the supercontinuum spectrum wavelength covered the measured range from 600nm to 1700nm.The results show that this laser can be used for the generation of supercontinuum spectrum sources.

fiber optics；master oscillator power amplifier；high pulse energy；white light supercontinuum

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.001

1001-3806（2013）04-0417-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61177048）

孫若愚（1990-），男，博士研究生，主要從事高功率光纖激光器、高功率光纖放大器等方面的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：wangpuemail＠bjut.edu.cn

2012-12-03；

2012-12-07