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背景介绍

  一般来说,直接飞秒光纤振荡器的输出的脉冲串重复频率在十兆赫兹到百兆赫兹量级,其平均功率也就在几十毫瓦到百毫瓦左右,因此其单脉冲能量也就在几百皮瓦到纳瓦量级,即便有脉冲压缩装置,其峰值功率也就在千瓦量级,对于很多应用,特别是生物医学和工业加工等应用来说,该功率水平太低。

  而瓦级的飞秒光纤激光器通常包含一级或两级光纤放大器对种子源的激光器进行放大,因此其可以提供更大的平均功率和峰值功率,从而有着更为广泛的应用范围。如:利用瓦级飞秒光纤激光器和高非线性光纤相连可以实现白光光源;瓦级的飞秒光纤激光器可以用作生物多光子荧光显微成像技术的光源;光学频率梳中倍频程光谱的产生也需要瓦级的飞秒光纤激光器进行泵浦。以50MHz,100fs,5W的飞秒光纤激光器为例,其单脉冲能量为100nJ,峰值功率为1MW。

 

结构和原理

   典型的瓦级飞秒光纤激光器主要由三部分组成:种子源、光纤放大器和色散补偿装置。种子源一般为锁模光纤振荡器,用于实现飞秒激光的振荡输出;光纤放大器可以为利用正向、返乡或者双向的泵浦形式,掺杂光纤可以是双包层也可以是单包层;色散补偿装置可以是色散补偿光纤、闪耀光栅、棱镜或者是光纤布拉格光栅。

  下面以一个基于双包层光纤放大器的掺镱光纤激光器来具体介绍瓦级飞秒光纤激光器的基本结构。


图表 1 瓦级飞秒光纤激光器结构图

  Yb fs oscillator:掺镱锁模光纤激光器,详情参阅掺镱光纤锁模激光器解决方案,如需利用1550nm的锁模激光则请参阅掺铒光纤锁模激光器解决方案;

  Isolator:光纤隔离器,用于光纤振荡器和放大器之间以及光纤放大器和压缩器之间的隔离,保证激光器的长期稳定性和耐用性。

  980nm pump:作为放大器的泵浦源提供能量,一般为多模尾纤的980nm半导体二极管

  Combiner:多模泵浦光合束器,将1030nm的信号光和980nm的泵浦光耦合进入同一跟光纤中。

  Yb double clad fiber:掺镱双包层增益光纤,吸收980nm的泵浦光并实现1030nm信号光的放大,双包层光纤中泵浦光在内包层中传输,信号光在纤芯中传输并经历放大。需要注意的是当泵浦能量较大时需要在增益光纤的后面增加一个泵浦光剥离器,用于剥离未能被吸收的泵浦光,防止能量堆积从而导致光纤烧损。

  Collimator:准直器,实现光纤中激光的空间准直输出。

  TGP:色散补偿光栅对,从而对腔外的二阶色散进行补偿从而压缩脉冲宽度。

  M:介质膜反射镜,实现光束的反射和压缩器中的高低光路。

 

注意事项:

  1. 关于光纤选择:系统中光纤选择需注意各个光纤之间的匹配,主要是光纤类型(保偏与否、包层类型)和模场直径的匹配。
  2. 放大器放到前后光谱:放大器放大前后的光谱会有略微的变化,在器件工作波长范围选择时需特别注意。
  3. 脉冲压缩:两片透射光栅需确保平行放置,否则会造成光束质量的下降。

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