于振華

摘要：采用啁啾脈沖放大技術(shù)搭建了全光纖飛秒激光放大器。平均功率20 mW，脈沖寬度127 fs，中心波長(zhǎng)為1574 nm的種子脈沖，放大到平均功率758 mW，輸出脈沖寬度為174 fs，重復(fù)頻率為177.6 MHz，單脈沖能量為4 nJ，峰值功率為24.5 kW。

關(guān)鍵詞：光纖激光器;超快激光;飛秒

超快激光實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)超短脈沖的單脈沖能量、峰值功率都有較高的要求，振蕩器結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)。為了解決這一難題，必須對(duì)振蕩器輸出的脈沖進(jìn)行放大【1-4】。放大過(guò)程中飛秒脈沖由于高峰值功率所帶來(lái)的非線性效應(yīng)極易產(chǎn)生拉曼頻移和脈沖分裂，不利于高脈沖能量和高峰值功率的獲得。啁啾脈沖放大技術(shù)可以解決這一難題。啁啾脈沖放大的原理為：在脈沖進(jìn)行放大之前，使脈沖展寬，其峰值功率明顯降低，再進(jìn)行放大，放大后的脈沖再經(jīng)過(guò)光柵對(duì)、光纖光柵、棱鏡對(duì)或者色散位移光纖將脈沖壓縮，獲得窄脈沖，高功率輸出。

一、全光纖啁啾脈沖放大器

受實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)中主要研究了低脈沖能量下的全光纖啁啾脈沖放大器。實(shí)驗(yàn)中利用色散位移光纖對(duì)脈沖展寬，利用普通單模光纖對(duì)脈沖進(jìn)行了壓縮。圖1為啁啾脈沖放大器裝置圖，主要包括：飛秒種子源、展寬部分、第一級(jí)放大、第二級(jí)放大、壓縮部分。

飛秒種子源為實(shí)驗(yàn)室自行研制的利用碳納米管為可飽和吸收體的飛秒摻鉺光纖激光器，脈沖寬度為127 fs，光譜寬度為34.5 nm，最大輸出功率為20 mW，輸出波長(zhǎng)為1571 nm。

二、展寬過(guò)程

展寬部分種子源經(jīng)過(guò)40米色散位移光纖（DCF）進(jìn)行展寬。色散位移光纖色散為49 ps2/km，纖芯直徑為5 m。色散位移光纖的纖芯與種子光的纖芯（8 m）差比較多，熔接損耗比較大。熔接后耦合入色散位移光纖的光功率為10 mW。經(jīng)過(guò)色散展寬以后的脈沖寬度為59 ps。

三、放大過(guò)程

將展寬后的脈沖進(jìn)行第一級(jí)放大，用的增益光纖為單模摻鉺增益光纖，長(zhǎng)度為60 cm，在976 nm處的吸收為50 dB/m。泵浦源為976 nm半導(dǎo)體激光器。在最大泵浦功率500 mW的時(shí)，放大器輸出功率為60 mW。放大后測(cè)試了脈沖自相關(guān)曲線和光譜。其中，脈沖寬度為43 ps。相比于放大前的59 ps，脈沖寬度被壓窄。這主要是由于在第一級(jí)放大過(guò)程中有負(fù)色散光纖起到了色散補(bǔ)償?shù)淖饔谩９庾V寬度為23.4 nm，相比于種子光的光譜34.5 nm減小了11.1 nm，這主要是由于在放大過(guò)程中增益光纖在長(zhǎng)波段的增益小于其短波段的增益，導(dǎo)致長(zhǎng)波段的波長(zhǎng)成份未被同比例放大。這就是放大過(guò)程中的增益窄化效應(yīng)。

將第一級(jí)放大得到的脈沖直接注入第二級(jí)放大器。第二級(jí)放大器的泵浦源為976 nm半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率為8 W，光纖耦合輸出，所用的光纖為多模光纖，直徑為100 m。泵浦光和信號(hào)光通過(guò)一個(gè)（2+1）×1的合束器耦合進(jìn)增益光纖。增益光纖為雙包層單模鉺鐿共摻增益光纖，纖芯的直徑為6 m，內(nèi)包層為125 m，光纖長(zhǎng)度為7米。泵浦方式采用的是包層泵浦，泵浦光在包層傳輸時(shí)的吸收為3 dB/m。

第二級(jí)在放大過(guò)程中，光譜的短波方向的激光放大倍數(shù)要高于中心波長(zhǎng)處。當(dāng)泵浦功率達(dá)到4 W以后，光譜的短波區(qū)的強(qiáng)度與中心波長(zhǎng)相似。當(dāng)泵浦光繼續(xù)增加時(shí)，短波段的光譜強(qiáng)度明顯高于中心波長(zhǎng)。這些后來(lái)得到放大的短波段波長(zhǎng)積累的啁啾是非線性的，將來(lái)壓縮時(shí)是難以壓縮的。從泵浦功率為4 W開(kāi)始，脈沖的兩翼開(kāi)始變高，這是因?yàn)樵诟吖β时闷值那闆r下，脈沖峰值部位的增益達(dá)到飽和，此時(shí)的泵浦光能量主要轉(zhuǎn)移到脈沖兩側(cè)低功率部分，所以導(dǎo)致脈沖的兩側(cè)的強(qiáng)度逐漸增加。

從第二級(jí)放大輸出的脈沖自相關(guān)曲線可以看出，放大后的脈沖寬度大約為700 fs。如此窄的脈沖寬度是造成峰值部位增益飽和的主要原因。脈沖在第二級(jí)放大前的脈沖寬度為43 ps，但是經(jīng)過(guò)放大后脈沖寬度為700 fs。這是因?yàn)榉糯筮^(guò)程中所用的光纖的色散均為負(fù)色散，這與初期展寬色散位移光纖的色散是相反的，所以在放大的過(guò)程中導(dǎo)致了脈沖的壓縮。

四、壓縮過(guò)程

最后采用SMF-28單模光纖對(duì)放大后的脈沖進(jìn)行了壓縮。壓縮后脈沖存在一個(gè)比較大的底座。這個(gè)底座是由于放大過(guò)程中光譜邊緣成分帶有非線性啁啾，而非線性啁啾在壓縮過(guò)程中是不能被壓縮回去的。通過(guò)圖2可以看出，當(dāng)單模光纖為7米時(shí)底座最小，壓縮效果最好。

最佳壓縮狀態(tài)下，脈沖寬度為174 fs，比種子光的脈沖寬度127 fs略大。這主要是由于光譜中含有非線性啁啾成分造成的。壓縮光譜和種子光譜的光譜寬度分別為30 nm和34.5 nm。在最大泵浦功率8 W時(shí)，最大輸出功率為758 mW，單脈沖能量為4 nJ，峰值功率為24.5 kW。

五、小結(jié)

采用啁啾脈沖放大技術(shù)搭建了全光纖飛秒激光放大器。平均功率20 mW，脈沖寬度127 fs，中心波長(zhǎng)為1574 nm的種子脈沖，放大到平均功率758 mW，輸出脈沖寬度為174 fs，重復(fù)頻率為177.6 MHz，單脈沖能量為4 nJ，峰值功率為24.5 kW。

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