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飞秒光纤激光器研究进展
时间:2018-07-16 17:01:38  来源:  作者:

 

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1960年7月7日,《纽约时报》披露美国物理学家Maiman将多圈环形闪光灯入射到一块手指头大小的红宝石中,获得了相干脉冲激光光束,这标志着世界第一台激光器一一红宝石激光器的诞生。激光器在光全息、相干光学计量等技术领域中具有重要的应用前景。

与传统的固体、液体和气体激光器相比,光纤激光器由于具有光束质量好、光光转换效率高、工作波长可调、制造成本低、结构紧凑简单、易于实现集成化和环境稳定性好等优点而引起人们广泛地关注。

相对于连续光纤激光器,飞秒脉冲光纤激光器输出的激光脉冲具有超高的峰值功率(可到兆瓦量级)和超短的脉冲宽度,这使得飞秒脉冲光纤激光器在信息传输、科学研究、机械加工等领域中具有突出的应用价值。近年来,飞秒脉冲光纤激光器因为在工业控制、大气监测、有毒气体探测、生物医疗、国防、光学传感和光学成像等领域中都具有潜在的应用而成为人们研究的热点。

目前,光纤激光器获取飞秒量级超短脉冲的有效方法是利用被动锁模技术。被动锁模技术,简单地说,是将谐振腔内随机的相邻的纵模模式产生固定的相位关系,以一定的频率稳定输出超短脉冲的一种技术。


 

在光纤激光器内进行被动锁模,最常用的方法有以下三种: 可饱和吸收体(saturahle absorbers);非线性偏振旋转(nonlinear polarisation rotation);非线性光纤环形镜(nonlinear fiber loop mirors)。下面将会介绍最近几年的国内外实现飞秒脉冲的研究现状。


 

2016年,Wolfgang Hänsel等人设计了一种融合了NOLM的透射型和反射型的全保偏结构实现了输出飞秒脉冲。并用掺铥,掺铒,掺钬铥光纤进行对比。实现了脉宽分别为:84, 72, 240 fs的脉冲,其输出功率分别为10 mW, 3 mW, 4.6 mW,中心波长分别为1030, 1565, and2050 nm。但由于不是全光纤,导致了稳定性不是很好。

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                                                                  图1 激光器结构图
如图1所示左边的环形结构为NOLM结构,其全部光纤都为保偏型光纤,这样,有利于光在光纤中传输的稳定,但其线性部分使用了体元件,破坏了结构的稳定性。

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                                                  图2 掺铥,掺铒,掺钬铥光纤光谱图

图2为掺铥,掺铒,掺钬铥光纤的3dB带宽,分别为23nm,43nm,24nm,可以看出掺铥和铥钬共掺的光纤的带宽较窄。因此,用来产生窄脉宽是最好的选择。
 

2017年,PARVIZ ELAHI等人利用了非线性偏振旋转效应并同时采用了色散管理的方法实现了高重频的飞秒脉冲,这是首次具有无外部可饱和吸收元件的全光纤结构的千兆赫兹腔。其重复频率达到970MHz。脉宽为340 fs, 中心波长为1950nm。但恰恰由于没有可饱和吸收体,导致了系统结构庞大。

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如图5,该结构中并没有使用全光纤化结构,但使用了光栅对进行压缩后脉宽为514fs。

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                                                      图6(A)以300hz分辨率带宽测量的基模拍频射频频谱;

                                                           (B)75MHz跨度10 kHz分辨率带宽测量的谐波射频频谱。
图6中示出了基本模式拍的射频频谱。图6(A).基频的信噪比高达80 db,分辨率为300 hz,在1 mhz的频率范围内没有观察到边带。图3(B)给出了频率高达75 Mhz的10 khz分辨率的射频频谱。

 

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                                           图7 脉冲自相关迹图
如图7,压缩脉冲的自相关迹(黑实线)。蓝色破折号曲线是谱的傅立叶变换。插图是基于模式锁定的NPE的光谱。可以看出使用光栅对压缩脉冲后脉宽为514fs。
2018年,M J Hekmat, A Gholami等人虽然使用了线性腔结构,但采用了SESAM作为可饱和吸收体压缩脉宽。

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                                                 图8 激光器结构图

 

 

如图8为其结构图,LD为泵浦源,泵浦掺铒光纤,SESAM以及FRM构成线性谐振腔。通过法拉第旋转镜(FRM)改变偏振态。

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                                                                    图9 激光器输出结果图

左图是通过示波器看到的图,其脉宽为135fs,右图为光谱图,其中心波长1582nm.从中可以看出使用FRM有较好的效果,在线性腔中通过调节FRM就能够实现脉宽为135fs的脉冲光。
 

通过查找最近几年的文献,可以发现未来飞秒脉冲的产生将主要依靠可饱和吸收体,非线性偏振旋转,非线性光纤环形镜这三种方法,并且飞秒的产生将会向长波段发展,未来出现中红外的飞秒光纤激光器也并不是没有可能。

 


 

图3为PARVIZ ELAHI等等人所设计的激光器结构图

从图3中可以看出该激光器结构体积庞大,不利于激光器的小型化。

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                                        图4 使用仿真软件模拟激光器内部的脉冲运行图

该作者还通过仿真来模拟激光器内脉冲的运行状况,图4(A)模拟振荡器腔内的脉冲宽度和光谱演化。4(B)模拟脉冲宽度和沿振荡器输出的放大器系统的光谱演化。其模拟结果与实际结果拟合较好。
 

同一年,在国内,Xing Li, Miaomiao Wu等人采用了非线性偏振旋转效应以及色散管理的方法,最后再通过光栅对的压缩实现了飞秒脉冲的输出。

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                       图5 激光器结构图

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