GHz瓦級(jí)全固態(tài)克爾透鏡鎖模Yb：CYA飛秒激光器（特邀）

馬駿逸，趙國(guó)棟，邵曉東，韓海年，3，魏志義，3

（1 中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（3 松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著基于飛秒激光的光頻梳技術(shù)的出現(xiàn)，高重頻鎖模飛秒振蕩器變得越來(lái)越重要，光學(xué)頻率梳也被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如將光學(xué)頻率梳應(yīng)用于天文光譜儀的校準(zhǔn)，即天文光梳，用來(lái)尋找系外行星、宇宙學(xué)研究和確定基本常數(shù)的變化。天文光梳要求重復(fù)頻率在15～30 GHz 以上，使得頻率梳齒能夠被光譜儀所分辨［1］。高重復(fù)頻率的全固態(tài)飛秒激光器固有噪聲低、腔長(zhǎng)靈活可調(diào)，是飛秒光學(xué)頻率梳的良好光源。摻鐿激光增益介質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量子效率高、存在高功率低成本泵源，支持100 fs 以下的脈寬和高平均功率的輸出，這些優(yōu)勢(shì)與克爾透鏡鎖模激光器結(jié)合非常適合光頻梳應(yīng)用。在過(guò)去的幾年里，許多晶體已經(jīng)有了非常亮眼的表現(xiàn)，其中包括KY（WO4）2（KYW）［2］、KGd（WO4）2（KGW）［3］以及CaGdAlO4（CALGO）［4-7］。但是在大多數(shù)基于上述材料的激光源中，使用克爾透鏡鎖模（Kerr Lens Mode Locking，KLM）的飛秒激光器往往無(wú)法同時(shí)兼顧1 GHz 以上的重復(fù)頻率、100 fs 以下的脈沖寬度和超過(guò)1 W 的平均輸出功率。

在過(guò)去的二十年中，鐿摻雜材料由于其大的發(fā)射帶寬、高的量子效率和優(yōu)異的熱性能而受到越來(lái)越多的關(guān)注［8］。特別是CALGO 激光晶體的開(kāi)發(fā)［9］，因其出色的光譜性能和熱性能，使得該晶體與半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM）鎖模一起使用，表現(xiàn)出了高重頻、高功率下的最短脈沖持續(xù)時(shí)間［4-7］。

采用傳統(tǒng)Czochralski 法生長(zhǎng)的Yb：CYA 作為Yb 摻雜鋁酸鹽類(lèi)增益介質(zhì)，和Yb：CaGdAlO4同屬于四方晶系的ABCO 化合物，其中A=Sr，Ca；B=稀土元素，C=Ga、Al［10］，其特性也類(lèi)似于CALGO，包括寬吸收光譜和熒光光譜、相對(duì)較高的比熱容和導(dǎo)熱性。由于其更容易生長(zhǎng)和制造，因此成為CALGO 晶體的絕佳替代材料。基于Yb：CYA 晶體實(shí)現(xiàn)的飛秒激光脈沖于2011年被報(bào)道［11-12］，產(chǎn)生了740 mW 的平均功率和156 fs 的脈沖寬度的激光脈沖；此外，由于介質(zhì)的無(wú)序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致發(fā)射光譜寬而平坦，2018年，江蘇師范大學(xué)馬杰等報(bào)道的Yb：CYA 振蕩器的輸出脈沖的脈寬短至21 fs［13］；而采用Yb：CYA 晶體實(shí)現(xiàn)的最高輸出功率和最高峰值功率由西安電子科技大學(xué)田文龍等實(shí)現(xiàn)［8，14］。Yb：CYA 光學(xué)頻率梳在2016年首次亮相，展示了1 μm 波段第一個(gè)克爾透鏡鎖模的固態(tài)光學(xué)頻率梳［15］。2019年，本課題組首次實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)固態(tài)Yb：CYA 飛秒激光頻率梳的載波包絡(luò)相移頻率和重復(fù)頻率全鎖定［16］，脈沖寬度為54 fs，平均功率為1.5 W，在100 kHz 分辨率帶寬下，以40 dB 的信噪比觀察到自由運(yùn)行的載波包絡(luò)相位偏移頻率（Carrier-envelope Offset，fceo），鎖定后fceo的剩余相位抖動(dòng)僅為370 mrad，在鎖定時(shí)長(zhǎng)3 h 內(nèi)、計(jì)數(shù)門(mén)時(shí)間為1 s 時(shí)，fceo長(zhǎng)期頻率漂移標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.8 mHz。

本文搭建了光纖激光泵浦的基于Yb：CYA 晶體的1 GHz 飛秒激光振蕩器，采用克爾透鏡鎖模技術(shù)，能夠產(chǎn)生以1 051 nm 波長(zhǎng)為中心、最大輸出功率1.7 W 的鎖模脈沖輸出，對(duì)應(yīng)的傅立葉變換極限脈寬約為207 fs，這是Yb：CYA 振蕩器首次實(shí)現(xiàn)的GHz 飛秒脈沖輸出，為尋求高重頻、高平均功率的緊湊且堅(jiān)固的飛秒光梳提供了一種有吸引力的光源方案。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

作為Yb 離子摻雜的鋁酸鹽晶體，Yb：CYA 晶體有著生長(zhǎng)方便、熱容高等優(yōu)勢(shì)，較高的熱容意味著晶體有更高的損壞閾值，有望實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。圖1 是Yb：CYA 晶體的實(shí)物圖，Yb：CYA 晶體由99.999%純度的Yb2O3，CaCO3，Y2O3和Al2O3等前驅(qū)物在氮?dú)獾沫h(huán)境下由Czochralski 法所生長(zhǎng)。

到目前為止，已經(jīng)發(fā)展出多種方法來(lái)生成高重復(fù)頻率的脈沖，包括KLM、SESAM、電光調(diào)制（Electro-Optic Modulator，EOM）光頻梳、微型諧振腔和腔外倍頻技術(shù)等，其中克爾透鏡鎖模因?yàn)樗鼰o(wú)源鎖模的特殊機(jī)制，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、自啟動(dòng)和自維持等優(yōu)勢(shì)，因此具有低相位噪聲的寬帶發(fā)射光譜的克爾透鏡鎖模激光器在包括光頻梳生成等許多領(lǐng)域都是有吸引力的光源。一般來(lái)說(shuō)，克爾效應(yīng)很大程度上取決于克爾介質(zhì)內(nèi)的模式半徑，因此，本文中高重頻克爾透鏡鎖模飛秒Yb：CYA 振蕩器的設(shè)計(jì)主要基于小腔模束腰、緊聚焦泵浦和低透過(guò)率輸出耦合鏡（Output Coupler，OC）的原則，用于在晶體中獲得所需的高強(qiáng)度克爾透鏡效應(yīng)，以此來(lái)支持克爾透鏡鎖模，實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖2。為了實(shí)現(xiàn)泵浦光束和諧振腔內(nèi)激光模式的最佳匹配，所選擇的泵浦激光器是法國(guó)Azur Laser System（ALS）公司的多模光纖泵源，中心波長(zhǎng)為980 nm，最大輸出功率為9.2 W，與常用的激光二極管（Laser Diode，LD）泵源相比光束質(zhì)量更優(yōu)，且強(qiáng)度噪聲更低，適合發(fā)展低噪聲全固態(tài)光學(xué)頻率梳。采用的腔體是一個(gè)蝴蝶結(jié)型環(huán)形諧振腔［17］，與線(xiàn)性腔腔型相比，環(huán)形腔的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，環(huán)形腔兩個(gè)方向的激光不對(duì)稱(chēng)性更大，因此在更高的泵浦功率下，環(huán)形腔不容易產(chǎn)生額外的脈沖；其次，后續(xù)元器件的回射光是以與單向激光相反的方向注入晶體，因此環(huán)形腔中的鎖模對(duì)光束回射回激光腔相對(duì)不敏感，而線(xiàn)性腔中激光束的任何輕微回射通常都會(huì)破壞鎖模，在這種情況下，必須在輸出耦合器之后插入光隔離器；環(huán)形腔的另一個(gè)好處是減少了腔中的色散，因?yàn)槊}沖每次往返僅穿過(guò)增益介質(zhì)一次，在不影響輸出功率的情況下，在環(huán)形腔中的色散本質(zhì)上比線(xiàn)性腔減少了兩倍；最重要的是，根據(jù)重復(fù)頻率與諧振腔腔長(zhǎng)的反比關(guān)系，相同尺寸的激光器，環(huán)形腔更有助于提高重復(fù)頻率。因此，環(huán)形腔小巧的結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于高重復(fù)頻率的飛秒脈沖激光器，然而，也正是出于這種原因，腔內(nèi)色散補(bǔ)償技術(shù)的選擇性受到了一定的限制。

泵浦光通過(guò)M1透鏡準(zhǔn)直后，再通過(guò)M2 透鏡聚焦到塊狀Yb：CYA 晶體上，兩個(gè)凹面鏡M3和M4的曲率半徑（Radius of Curvature，ROC）為50 mm，其中一個(gè)安裝在一維平移臺(tái)上用于啟動(dòng)鎖模。Gires-Tournois干涉儀鏡（Gires-Tournois-Interferometer，GTI）和輸出耦合鏡是平面鏡。該Yb：CYA 晶體大小為3 mm×3 mm×3 mm，沿a 方向切割，摻雜濃度為8 at.% 。泵浦光正入射晶體，為了減少熱量累積使晶體保持恒定的溫度，增益晶體被包裹在銦鉑中，并通入循環(huán)水對(duì)晶體進(jìn)行冷卻。振蕩器兩臂的長(zhǎng)度和兩凹面鏡間的距離對(duì)鎖模狀態(tài)對(duì)影響很大，通過(guò)優(yōu)化鎖模狀態(tài)，最終確定的參數(shù)為：M3 至OC 為80.5 mm，M4 至GTI 為61 mm，GTI 至OC 為88 mm，M3 至M4 在50.5 mm 到60.5 mm 之間調(diào)節(jié)，諧振腔的總長(zhǎng)度為29 cm，在此配置中得到的對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為1 GHz。激光器產(chǎn)生大約1 W 的輸出功率（單向），經(jīng)過(guò)仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)后，調(diào)節(jié)凹面鏡M4，鎖模將自動(dòng)啟動(dòng)。

Yb：CYA 晶體發(fā)射光譜覆蓋950～1 100 nm，如果腔內(nèi)的色散補(bǔ)償不合理，大量的光譜成分無(wú)法同時(shí)起振，那么也無(wú)法輸出較寬的光譜及較窄的脈沖。迄今為止，絕大多數(shù)摻鐿晶體被動(dòng)鎖模飛秒激光腔都是在大的負(fù)群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD）范圍內(nèi)工作。早期的飛秒激光振蕩器均采用棱鏡對(duì)進(jìn)行腔內(nèi)色散進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其基本思想是在空間上將不同的光譜成分展開(kāi)，使之經(jīng)歷不同的光程后，再在空間上合束，從而補(bǔ)償不同光譜成分的群速度延時(shí)，其所提供的色散量由兩棱鏡的材料以及棱鏡間的間距所決定。近年來(lái)，將色散材料與鏡片集成化的啁啾鏡和GTI 鏡由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越多的使用。設(shè)計(jì)中，色散補(bǔ)償通過(guò)腔內(nèi)平凹GTI 鏡M4 和平面GTI 鏡（均由Layertec 提供）組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。M4 在1 040 nm 附近波段反射率大于99.9%并提供單次反射-550 fs2±50 fs2的負(fù)色散。GTI在1 000 ～1 160 nm 的波段反射率大于99.9%并提供約為-800 fs2的負(fù)色散。OC 為無(wú)色散寬帶全反鏡，在透射帶寬內(nèi)的二階色散為0。結(jié)合腔內(nèi)Yb：CYA 晶體及色散補(bǔ)償鏡考慮，所設(shè)計(jì)的諧振腔在1 045 nm 附近的單程往返群延遲色散為（Group Delay Dispersion，GDD）-1 350 fs2，根據(jù)晶體的折射率以及晶體厚度等信息，計(jì)算得到Y(jié)b：CYA 晶體在1 μm 附近提供～85 fs2/mm 的材料正群速度色散［18］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模，首先在連續(xù)波（Continuous Wave，CW）模式下優(yōu)化激光功率，振蕩器在連續(xù)激光輸出狀態(tài)下，環(huán)形腔中的激光沿兩個(gè)相反方向同時(shí)輸出，然后掃描凹面鏡M4 的位置，以尋找激光光譜分叉和激光功率不穩(wěn)定的區(qū)域，當(dāng)腔內(nèi)自相位調(diào)制與自聚焦效應(yīng)達(dá)到產(chǎn)生克爾透鏡鎖模的條件時(shí)，即可使腔內(nèi)各個(gè)縱模模式同相起振，實(shí)現(xiàn)鎖模輸出并觀察到光譜展寬。此時(shí)，一個(gè)方向的鎖模序列會(huì)自動(dòng)抑制另一個(gè)方向的模式運(yùn)轉(zhuǎn)，最終，腔內(nèi)只有一個(gè)方向的穩(wěn)定鎖模脈沖輸出。

首先使用1.6%的輸出耦合鏡實(shí)現(xiàn)鎖模，當(dāng)對(duì)直流操作進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，激光器中1 050 nm 附近提供1.4 W的最大輸出功率，激光器穩(wěn)區(qū)跨越3 mm 以上。隨著M4 向晶體進(jìn)行小而快速的平移，最終實(shí)現(xiàn)鎖模，當(dāng)振蕩器鎖模后，即使沒(méi)有注意將激光器與環(huán)境隔離，激光器的脈沖操作也是穩(wěn)定的。

采用市售的（Menlo systems）雪崩光電二極管（Avalanche Photon Diode，APD）接收鎖模后的脈沖信號(hào)。圖3（a）是穩(wěn)定鎖模時(shí)示波器（RTM3004，Rohde & Schwarz）所測(cè)得的脈沖序列，示波器帶寬為1 GHz，從圖中可以看出振蕩器處于十分穩(wěn)定的連續(xù)鎖模狀態(tài)，完全沒(méi)有調(diào)Q 包絡(luò)出現(xiàn)。采用光譜儀（AQ6370C，YOKOGAWA）測(cè)量鎖模脈沖的光譜，光譜范圍為1 037 nm 至1 066 nm，鎖模穩(wěn)定時(shí)觀測(cè)到的光譜寬度為7.1 nm，峰值為1 051.3 nm，如圖3（b）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鎖模狀態(tài)的穩(wěn)定性，采用分辨率為100 kHz 的頻譜儀（E4402B，Agilent Inc）所測(cè)得的輸出光譜頻譜信號(hào)如圖3（c），重復(fù)頻率為1.03 GHz，信噪比為50 dB，且不存在調(diào)制頻率，這表明KLM 運(yùn)行穩(wěn)定。在最佳KLM 操作下，使用一臺(tái)商用的功率計(jì)（LP-3A，北京物科光電）測(cè)量了在穩(wěn)定鎖模的條件下輸出脈沖的功率穩(wěn)定性曲線(xiàn)，如圖3（d），在40 min 內(nèi)功率抖動(dòng)在0.004%以下。圖3（e）中黑色虛線(xiàn)為得到的典型脈寬測(cè)量自相關(guān)曲線(xiàn)，由掃描強(qiáng)度自相關(guān)儀（pulseCheck，APE）測(cè)得的，結(jié)合自相關(guān)軌跡和高速實(shí)時(shí)示波軌跡，確認(rèn)諧振腔是單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)sech2擬合結(jié)果，能夠脈沖持續(xù)時(shí)間約為207 fs 的脈沖。

在腔內(nèi)峰值功率足夠的前提下，將輸出耦合鏡更換為0.8% OC，觀察到了更寬的光譜。這種情況下，CW 的最大功率下降至814 mW，鎖模輸出功率為857 mW。中心波長(zhǎng)不變，半峰全寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）為10 nm，同樣假設(shè)輸出脈沖為雙曲正割型，計(jì)算可得該光譜對(duì)應(yīng)的傅里葉變換時(shí)域脈沖波形如圖4（b），其FWHM 約為118 fs。當(dāng)使用不同透過(guò)率的輸出耦合鏡時(shí)，腔內(nèi)功率的改變會(huì)引起光譜寬度的改變，又因?yàn)镚TI 鏡的覆蓋帶寬較寬，因此，可以通過(guò)改變OC 和選用不同GTI 配合調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散，來(lái)獲得更寬的光譜。

3 結(jié)論

通過(guò)采用Yb：CYA 晶體作為增益介質(zhì)，搭建了一套蝴蝶結(jié)型腔的光纖激光泵浦、1.03 GHz 重復(fù)頻率的克爾透鏡鎖模振蕩器。光譜寬度在1 051 nm 附近為7.1 nm，1.7 W 的輸出功率允許在微結(jié)構(gòu)光子晶體光纖中直接產(chǎn)生超連續(xù)譜，而無(wú)需放大脈沖。相較于其它千兆赫克爾透鏡鎖模的全固態(tài)飛秒激光振蕩器，本文中的Yb：CYA 振蕩器將輸出功率從毫瓦量級(jí)提升至瓦特量級(jí)，為后續(xù)測(cè)量和鎖定該1 GHz 飛秒脈沖的載波包絡(luò)相移信號(hào)，建成梳齒頻率絕對(duì)穩(wěn)定的高重頻光梳系統(tǒng)，應(yīng)用于光梳測(cè)頻、光梳測(cè)距，雙光梳光譜學(xué)等研究領(lǐng)域提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。