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1 015~1 046 nm可调谐飞秒掺镱光纤激光器

刘梦霖 赵坤 闫炜 王丽莎 刘民哲 王勇 孙松松

刘梦霖, 赵坤, 闫炜, 王丽莎, 刘民哲, 王勇, 孙松松. 1 015~1 046 nm可调谐飞秒掺镱光纤激光器[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210444. doi: 10.3788/IRLA20210444
引用本文: 刘梦霖, 赵坤, 闫炜, 王丽莎, 刘民哲, 王勇, 孙松松. 1 015~1 046 nm可调谐飞秒掺镱光纤激光器[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210444. doi: 10.3788/IRLA20210444
Liu Menglin, Zhao Kun, Yan Wei, Wang Lisha, Liu Minzhe, Wang Yong, Sun Songsong. 1 015-1 046 nm tunable femtosecond Yb-doped fiber laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(6): 20210444. doi: 10.3788/IRLA20210444
Citation: Liu Menglin, Zhao Kun, Yan Wei, Wang Lisha, Liu Minzhe, Wang Yong, Sun Songsong. 1 015-1 046 nm tunable femtosecond Yb-doped fiber laser[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(6): 20210444. doi: 10.3788/IRLA20210444

1 015~1 046 nm可调谐飞秒掺镱光纤激光器

doi: 10.3788/IRLA20210444
基金项目: 山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2021CXGC010202);山东省自然科学基金(ZR2020QF094,ZR2020MF117,ZR2021MF112);山东省科学院国际合作项目(2019GHPY12,2020KJC-GH01);山东省科学院青年科学基金(2019QN0027,2019QN0030)
详细信息
    作者简介:

    刘梦霖,女,工程师,硕士,主要从事超快激光种子及放大技术、超快激光加工等方面的研究

    通讯作者: 刘民哲,男,助理研究员,博士,主要从事高功率固体放大、超快激光器研发及应用等方面的研究。
  • 中图分类号: TN242

1 015-1 046 nm tunable femtosecond Yb-doped fiber laser

Funds: Key R&D Program of Shandong Province (Major Scientific and Technological Innovation Project)(2021CXGC010202);Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2020QF094,ZR2020MF117,ZR2021MF112);International Cooperation Program of Shandong Academy of Sciences(2019GHPY12,2020KJC-GH01);Youth Science Foundation of Shandong Academy of Sciences(2019QN0027,2019QN0030)
  • 摘要: 近年来,超快掺镱锁模光纤激光器由于其转换效率高、操作方便、免维护、尺寸紧凑等优点,被广泛应用于工业加工、医疗外科、多光子成像等领域。在激光器中补偿群速度色散是获得皮秒甚至飞秒脉冲的有效方法。通过利用光栅对与光谱滤波器,实现了对激光波长、腔内色散和光谱宽度的灵活调节。该激光器能输出稳定的锁模脉冲,对应的基本重复频率为19.41 MHz。在+ 0.0127 ps2色散时中心波长1015~1037 nm可调;在+0.007 ps2色散时中心波长1015~1045 nm可调以及在−0.0127 ps2色散时中心波长1020~1046 nm可调。同时,当净腔色散从反常色散到近零色散变化时,光谱带宽可从1.40 nm调到19.38 nm,对应的压缩后脉冲宽度可从1.03 ps调至175.9 fs。该方案具备连续调整激光器状态的能力,有望用于高功率大能量飞秒激光前端,可以满足对激光器有多种谱宽及波长的应用需求。
  • 图  1  基于腔内光栅对和光谱滤波器的可调谐飞秒掺镱光纤激光器装置

    Figure  1.  Setup of tunable femtosecond Yb-doped fiber laser device based on grating pair in cavity and spectral filter

    图  2  狭缝带宽光路计算

    Figure  2.  Slit bandwidth optical path calculation

    图  3  (a) 激光器在近零色散工作,光谱可从1015.97 nm调谐到1045.67 nm;(b) 激光器在正色散下工作,光谱可从1015.74 nm调谐到1037.72 nm;(c) 激光器在负色散下工作,光谱可从1020 nm调谐到1046 nm

    Figure  3.  (a) Laser can be tuned from 1015.97 nm to 1045.67 nm when the net cavity dispersion near zero; (b) Laser works in positive dispersion and the spectrum can be tuned from 1015.74 nm to 1037.72 nm; (c) Laser operates under negative dispersion and has a spectrum tuned from 1020 nm to 1046 nm

    图  4  光谱宽度随腔内净色散的变化(插图:二维视图)

    Figure  4.  Variation of spectral width with different net dispersion in cavity (Insert:2D view)

    图  5  激光器在正常色散(蓝色线)、近零色散(红色线)以及反常色散(黑色线)下的(a)光谱,(b)脉冲宽度和(c)脉冲序列

    Figure  5.  Spectrum (a), pulse width (b), and pulse train (c) of the laser at normal (blue line), near-zero (red line), and abnormal (black line) dispersion

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-20
  • 修回日期:  2022-02-15
  • 刊出日期:  2022-07-05

1 015~1 046 nm可调谐飞秒掺镱光纤激光器

doi: 10.3788/IRLA20210444
    作者简介:

    刘梦霖,女,工程师,硕士,主要从事超快激光种子及放大技术、超快激光加工等方面的研究

    通讯作者: 刘民哲,男,助理研究员,博士,主要从事高功率固体放大、超快激光器研发及应用等方面的研究。
基金项目:  山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2021CXGC010202);山东省自然科学基金(ZR2020QF094,ZR2020MF117,ZR2021MF112);山东省科学院国际合作项目(2019GHPY12,2020KJC-GH01);山东省科学院青年科学基金(2019QN0027,2019QN0030)
  • 中图分类号: TN242

摘要: 近年来,超快掺镱锁模光纤激光器由于其转换效率高、操作方便、免维护、尺寸紧凑等优点,被广泛应用于工业加工、医疗外科、多光子成像等领域。在激光器中补偿群速度色散是获得皮秒甚至飞秒脉冲的有效方法。通过利用光栅对与光谱滤波器,实现了对激光波长、腔内色散和光谱宽度的灵活调节。该激光器能输出稳定的锁模脉冲,对应的基本重复频率为19.41 MHz。在+ 0.0127 ps2色散时中心波长1015~1037 nm可调;在+0.007 ps2色散时中心波长1015~1045 nm可调以及在−0.0127 ps2色散时中心波长1020~1046 nm可调。同时,当净腔色散从反常色散到近零色散变化时,光谱带宽可从1.40 nm调到19.38 nm,对应的压缩后脉冲宽度可从1.03 ps调至175.9 fs。该方案具备连续调整激光器状态的能力,有望用于高功率大能量飞秒激光前端,可以满足对激光器有多种谱宽及波长的应用需求。

English Abstract

    • 近年来,飞秒光纤激光技术迅猛发展,在超快激光技术乃至整个激光领域中最为引人注目。另一方面,随着高速大容量光纤通信系统的发展,波长可调谐光纤激光器已成为人们的研究热点。它可以在多个中心波长处产生超短脉冲,相较于仅能输出单一波长的激光器而言,成本更低,使用更加方便[1],被广泛应用于工业加工、生物医疗、多光子成像和光学传感器等领域[2-5]

      常见的波段中,1 μm波段的器件由于其材料特殊性,均呈现出正常的二阶色散(β2)。想要在该波段获得皮秒甚至飞秒脉冲的有效方法是在激光器中补偿群速度色散(GVD)[6-7]。固心/空心光子晶体光纤、高阶模光纤、拉锥光纤和空间光栅都可以提供负色散[8-9],但前三种解决方案都只能提供一个固定的、不可调的色散量,且熔接会有较高的技术难度,很容易引入高损耗,相比之下,空间光栅却不存在上述问题。为了实现超短脉冲输出且波长可调谐,各科研机构或商业公司已经提出了多种方案:包括在腔内引入滤波器件[10]、控制光纤折射率[11]、采用光纤光栅[12]等。尽管波长可调谐超快光纤激光器已有不少相关报道,然而大多数成果目前仍存在着激光器波长调谐范围较小,且提供的可调谐波长对应光谱宽度较为固定的问题[13-15],因此如何实现波长可调且谱宽可调的超快光纤激光器仍具有一定的探索意义。

      文中搭建了全保偏波长可调、色散可调以及谱宽可调的飞秒掺镱光纤激光器。通过在激光腔内插入一对空间光栅和一个可变狭缝对整个激光器的色散和带宽进行了控制。根据腔内掺镱光纤和单模光纤提供的正常色散,调整空间光栅对之间的距离,可以使激光器的腔内净色散在+0.0127~ −0.0127 ps2之间进行调节。激光器可以输出稳定的锁模脉冲,对应的基本重复频率为19.41 MHz,同时,连续调整光栅的间距和狭缝的相对位置,当净腔色散从反常色散到近零色散变化时,光谱带宽可以从1.40 nm调到19.38 nm,对应的压缩后脉冲宽度可从1.03 ps调至175.9 fs。

    • 基于光栅对和光谱滤波器的可调谐飞秒掺镱光纤激光器装置如图1所示。整个激光器为线性腔,所使用的光纤元件均为保偏器件。在此次装置中,976 nm泵浦光通过976/1030 nm波分复用器耦合进激光腔,1.0 m的掺镱光纤 (Nufern,PM-YDF-HI-HP,250 dB/m@975 nm)被用来提供增益。商用的SESAM (semiconductor saturable absorber mirror, BATOP GmbH-SAM-1030-55-500 fs)不仅可以用来实现激光器的锁模,同时作为腔镜置于激光腔的一端。起偏器用来确保激光在腔内的以固定的偏振态运行。为了顺利地使光栅对(FINISAR,T-1000-1040-3225-94,1000 lines/mm)为激光腔提供负色散,使用一个中心波长为1030 nm,最大工作距离200 mm的准直器输出激光,激光经由光栅对后穿过一个可调谐狭缝(Thorlabs,VA100/M)到达高反镜(1030 nm,99%反射率)再原路返回至准直器。为了使腔内保持足够的功率密度,使用输出比例为10%的保偏光纤耦合器作为输出端。各光纤型无源器件及掺镱光纤提供正色散,PM-YDF群速度色散(GVD)约为24 ps2/km。所有光纤无源元件均由PM 980制成,在1030 nm处的GVD约为24 ps2/km。实验装置中,光纤长度共5 m,正色散量约为+0.24 ps2,提供负色散的器件为光栅对,根据公式:

      $$ GDD=\frac{{d}^{2}\phi }{d{\omega }^{2}}=\frac{-{\lambda }^{3}G}{2\pi {c}^{2}{d}^{2}{{\rm{cos}}}^{3}(\gamma -\theta )} $$ (1)

      式中:$ GDD $为光栅对的二阶色散;$ \gamma $为入射角; $ (\gamma -\theta ) $为衍射角;$ G $为光栅间距;λ为中心波长;$ d $为光栅常数。通过改变光栅间距,从而改变腔内净色散量。

      图  1  基于腔内光栅对和光谱滤波器的可调谐飞秒掺镱光纤激光器装置

      Figure 1.  Setup of tunable femtosecond Yb-doped fiber laser device based on grating pair in cavity and spectral filter

      实验中研究并证明了输出耦合器的位置对输出情况的影响,为了获得更好的实验结果,输出耦合器被放置于图中增益光纤后端。当输出耦合器远离色散管理部分时,输出的光谱较宽,相对应的脉宽较窄[16]

      为了保证实验的顺利进行,首先对准直器的效率进行了测试,空间部分总光程为0.33 m,空间光往返一次的耦合效率为52%(光栅单次透过效率为93%,准直器耦合效率为70%)。实验中,可调谐狭缝等同于光谱滤波器,狭缝间距限制光谱调谐的范围,此次实验中,考虑到SESAM的工作带宽为30 nm,因此设计调谐带宽为40 nm,计算了应选取的狭缝宽度,狭缝带宽光路示意图如图2所示,计算公式如下:

      $$ {\rm{sin}}\gamma + {\rm{sin}}{\theta _x} = {\rm{m×}}{\lambda _x}/{{d}} $$ (2)
      $$ {\omega _{1 - 2}} = G×\left( {\tan {\theta _2} - \tan {\theta _1}} \right)×\cos \gamma $$ (3)

      式中:λx为激光波长;γ为激光入射角;θx为激光衍射角;G为光栅对间距;光栅常数d=0.001 mm;ω为所求狭缝带宽。将数值代入后可得到狭缝带宽为2.02 mm。

      图  2  狭缝带宽光路计算

      Figure 2.  Slit bandwidth optical path calculation

      输出光通过光谱分析仪(YOKOGAWA AQ6373B,测量分辨率为0.02 nm)、示波器(RIGOL DS2302A, 300 MHz)和自相关仪(FEMTOCHROME FR-103XL)来测量其光谱、脉冲序列以及脉冲宽度。

    • 通过提供足够的泵浦功率和调整光栅对之间的距离,当泵浦功率达到70 mW时,可以实现稳定的自启动模锁。激光器的重复率为19.41 MHz,与总腔长5.33 m对应。利用激光单次经过光栅后出射的平行光为空间分布的特性[17],通过在给定的色散状态下调整光谱滤波器的位置,输出脉冲的中心波长可以连续调谐,如图3(a)所示,最初将光栅对的间距设置为38.32 mm时,腔内净色散为+0.007 ps2,接近零色散,此时激光中心波长可以在1015~1045 nm之间调谐,其中,当中心波长为1039.14 nm时,对应最大谱宽为19.38 nm。随后,改变光栅对之间的距离为41.52 mm,见图3(b),光栅对提供负色散量约为−0.2273 ps2,对应腔内净色散量为+0.127 ps2,中心波长从1015~1037 nm可调;最后将光栅对的间距设置为37.35 mm,补偿负色散量大约为−0.2527 ps2,此时腔内净色散约为−0.127 ps2,光谱中心波长可从1020 nm调谐到1046 nm,光谱如图3(c)所示。

      图  3  (a) 激光器在近零色散工作,光谱可从1015.97 nm调谐到1045.67 nm;(b) 激光器在正色散下工作,光谱可从1015.74 nm调谐到1037.72 nm;(c) 激光器在负色散下工作,光谱可从1020 nm调谐到1046 nm

      Figure 3.  (a) Laser can be tuned from 1015.97 nm to 1045.67 nm when the net cavity dispersion near zero; (b) Laser works in positive dispersion and the spectrum can be tuned from 1015.74 nm to 1037.72 nm; (c) Laser operates under negative dispersion and has a spectrum tuned from 1020 nm to 1046 nm

      实验过程中,为了观察其波长调谐能力,固定光谱滤波器带宽不变,以减少其他影响参量的引入,由于其位置和平移会影响激光的光谱宽度,因此激光器的输出光谱在调谐过程中会有较大差异。

    • 随后,对净腔色散在+0.102~−0.102 ps2范围内进行连续调谐,固定狭缝与全反镜的相对位置,将光栅间距由近及远拉开,不断调整狭缝的位置,以保持整个色散范围的锁模,目标是使每个点的频谱带宽最大化。在腔内正常色散下,光谱带宽从6.46 nm(+0.102 ps2)调谐到最大为19.38 nm (近零色散)。在反常色散下也可以实现锁模操作,最大带宽从近零色散的19.38 nm到反常色散(−0.102 ps2)的1.40 nm,光谱如图4所示。

      图  4  光谱宽度随腔内净色散的变化(插图:二维视图)

      Figure 4.  Variation of spectral width with different net dispersion in cavity (Insert:2D view)

      图5分别展示了在不同色散下的光谱、脉冲宽度以及其脉冲序列情况。图5(a)所示为在不同色散区域下中心波长为1039 nm的光谱,正常色散下的光谱宽度为6.46 nm,近零色散下的光谱宽度为19.38 nm,负色散下的光谱宽度为1.40 nm。图5(b)为三个色散区域下与图5(a)对应的脉冲宽度。反常色散下对应的脉冲宽度为1.03 ps;正常色散下对应的脉冲宽度为374 fs;近零色散区可压缩至最短175.9 fs。实验过程中光栅对与可变狭缝的调节并不改变总腔长,因此该实验装置所产生的任一锁模状态所对应的基本重复频率均为19.41 MHz,与图5(c)中脉冲间隔51.5 ns所对应。所有实验结果表明该激光器基于此结构可以实现稳定锁模并具备多功能性,实现在不同色散下的光谱宽度调谐以及脉冲宽度调谐。

      图  5  激光器在正常色散(蓝色线)、近零色散(红色线)以及反常色散(黑色线)下的(a)光谱,(b)脉冲宽度和(c)脉冲序列

      Figure 5.  Spectrum (a), pulse width (b), and pulse train (c) of the laser at normal (blue line), near-zero (red line), and abnormal (black line) dispersion

    • 文中通过实验证明了基于光栅对和光谱滤波器结构的掺镱锁模光纤激光器可以实现色散从+0.102~−0.102 ps2连续可调,其光谱宽度可由1.4 nm调整到最大19.38 nm,对应的脉宽从1.03 ps调到175.9 fs。并且在+ 0.0127 ps2色散时中心波长1015~1037 nm可调;+0.007 ps2色散时中心波长1015~1045 nm可调以及−0.0127 ps2色散时中心波长1020~1046 nm可调。该激光器结构相对简单,但却具备定色散中心波长调谐以及定中心波长光谱宽度可调的能力,可以满足工业、科学研究等多领域对多种谱宽及波长的需求,同时可为简化超短脉冲激光器方案设计提供参考,也有望扩展到其他锁模机制或不同波段。

参考文献 (17)

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