from: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=39812do=blogid=209592 超短脉冲激光器从上世纪80年代开始，经历了从染料到固体飞秒激光器的发展，开辟了科学和工业应用的新时代。但其昂贵的价格，庞大的体积，对环境的稳定性差等缺陷阻碍了飞秒激光的应用。探索新机理，突破现有飞秒激光局限，研制新一代飞秒激光成为世界范围内热门研究课题。自90年代初，光纤激光器利用半导体激光器泵浦，具有小巧、结构简单、无需水冷和可集成化的特点，逐步发展起来并成为钛宝石激光器强有力的竞争者和替代者 。早期的飞秒光纤激光器，采用掺铒的通信光纤，工作波长1550nm，普通单模光纤色散为负，能提供与自相位调制对应的啁啾补偿，于是孤子锁模(Soliton mode locking) 和展宽脉冲(Stretched pulse) 锁模就成为主流机制。由于其倍频光的波长在775nm，经过拉曼移频可移到800nm附近，在商用激光器上，已经用作钛宝石放大器的种子脉冲 。但是，由于铒光纤的掺杂浓度不能很高，以及锁模机制的限制，输出脉冲能量仍然很低（10pJ-10nJ量级），限制了此种光纤激光器的应用。进入新世纪后，随着高掺杂掺镱光纤激光器的发展，自相似(Self-similar) 和全正色散(All-normal-dispersion) 锁模理论被提出并在实验上获得证实，使光纤振荡器的单脉冲能量突破10nJ 。 与其平行的是，90年代中期光子晶体光纤的问世，使得飞秒光纤激光器多了一个选择支 。光子晶体光纤的主要特点是大模场面积光纤比普通的双包层光纤能更好地保持单模特性，在放大器上有重要应用。但是，光子晶体增益光纤特别是双包层大模场面积光子晶体光纤价格非常昂贵，远远高于晶体的价格；而且泵浦光的耦合需要在空间进行，对机械件稳定性能要求很高，不像普通单模光纤以及普通的双包层光纤有直接的光纤合成。进一步来说，大模场面积光子晶体光纤的可弯曲程度很差，甚至变成了光纤“棒”(Rod-type)，丧失了光纤原有的柔韧特性，反而使其体积大于同类固体激光放大器。 对于工作在1微米波段的光子晶体光纤，不同于普通的单模光纤，可以提供负色散，但也仅仅限于光纤芯径在1~2微米的光纤。在这样细的光纤中，孤子能量非常小，否则就会导致脉冲分裂，也不可能作为放大后的压缩器。由于以上缺点，除了放大器，光子晶体光纤做飞秒激光器振荡器并无明显优势。目前国内外报道的光子晶体光纤激光器，都是空间耦合的，并含有光栅对等需要空间的元件，不是低成本、抗击外部环境影响的封闭式结构。飞秒光纤激光器的低成本不是光纤本身成本低，而是半导体泵浦激光器的成本低。光纤激光器本身，无论是普通单模光纤，还是光子晶体光纤，都远比固体激光器贵。掺杂的光子晶体光纤价格更是比普通单模光纤高，比如一根大模场面积光纤“棒”的价格为数千欧元。 光纤激光器的最大优点是小型化、封闭式及无水冷。如果反过来做成空间式的，那就只有效率高这样的优点，稳定性甚至不如固体激光器。因此，作为放大器的种子光源以及对小能量应用（脉冲能量小于1mJ，例如光波导的刻划、THz波的产生、精密时频传输、纠缠光子对的产生、泵浦探针测量等），普通单模光纤飞秒激光器以及普通大模场面积光纤飞秒放大器依然发挥着不可取代的作用。著名的康奈尔大学和麻省理工学院研究小组，在光纤激光器的研究中，仍然把普通单模光纤激光器作为主要研究方向。其主要的光纤激光器创新理论和实验，都是在普通单模光纤激光器中完成的。 北京大学近两年来在863、支撑项目等课题的支持下，开展了飞秒光纤激光器的研究，取得一系列重要成果。主要成果包括：①半导体可饱和吸收镜的研制成功；②碳纳米管锁模成功；③新激光器腔型的创新；④超长腔锁模获得高能量脉冲输出成功等。 1、半导体可饱和吸收镜（SESAM）不仅是飞秒脉冲固体激光器的核心器件，也是飞秒脉冲光纤激光器的核心器件。不同的是，在固体激光器应用中，要求SESAM的调制深度比较低（1~2％）。而光纤激光器的锁模则需要20~30％甚至50％的调制深度。根据光纤激光器的需要，我们设计和制作了适合掺铒和掺镱光纤飞秒激光器锁模的SESAM。我们设计了若干调制深度的SESAM，包括镀保护膜的SESAM。对于应用于掺铒光纤激光器的SESAM，会有严重的晶格失配问题。我们用在晶格匹配的基片生长吸收层和间隔层，在其上镀介质膜和金属膜作为反射镜，然后将基片衬底腐蚀掉的技术，首次研制成功高调制深度的掺铒光纤用SESAM （图1(a)）。对于掺镱光纤飞秒激光器，由于砷化镓基片与吸收材料铟镓砷的晶格有失配，若吸收层超过临界厚度，会发生位错等缺陷，导致损伤阈值的降低。我们采用了缓冲层的方法，有效地抑制了由于晶格失配导致的生长缺陷以及由此导致的损伤阈值的降低（图1(b)）。为了测量其饱和恢复时间，我们设计了专用的Pump-probe装置。测量表明，我们研制的SESAM饱和恢复时间短只有不到2ps。所有SESAM都在光纤激光器上锁模成功。这标志着我国已经完全能够生产这两种激光器所需要的SESAM。 2、除了SESAM，新世纪以来，一种新型的锁模器件：单壁碳纳米管可饱和吸收器(CNT-SAM) 诞生并成为固体和光纤激光器的新宠。我们首先利用光学梯度力将CNT生长的光纤接头上，成功获得锁模；由于这种生长方式生长的CNT极易损坏，我们利用清华大学提供的新的单壁CNT薄膜结合在反射镜上，制成掺铒光纤激光器用的CNT-SAM，其特点是饱和恢复时间短(2ps)，易于集成化。在掺铒光纤激光器中实验表明，用CNT-SAM的光纤激光器锁模阈值低，非常适合高重复频率和低泵浦时的应用，在光纤频率标准和时频传输方面将发挥核心作用。 3、新型光纤激光器。利用我们研制的SESAM和CNT-SAM，我们试验了各种腔型。无论是线性腔，还是环形腔，无论光纤多长，都可以用SESAM或CNT-SAM实现锁模。但是在环形腔内如何装着SESAM或CNT-SAM是个问题。不少激光器把可饱和吸收器放在光栅对后面，并用透镜聚焦在SESAM上。这样做的最大问题是，由于波长分量顺序的反转，返回光的光束变大，不能完全耦合入光纤，导致损耗和光谱滤波效应。为了把我们研制的SESAM用在环形腔光纤激光器上，并同时装有光栅对，我们发明了一种新的腔型，同时装有SESAM和光栅 。此谐振腔克服了在光栅对后加SESAM的光谱限制作用，既能够实现锁模自启动，又能保证锁模带宽。 4、超长腔光纤激光器。飞秒激光器的很多应用并不需要几十MHz的重复频率，最适合微细加工领域应用的是100kHz－500kHz重复频率，mJ量级的脉冲能量。为了在飞秒光纤激光器直接中获得超高能量的脉冲，我们提出了超长腔的光纤激光器的想法，这个想法与康奈尔大学研究者的想法不谋而合。我们试验了从400m到2km长的光纤谐振腔。这样的长腔全正色散激光器，即使采用全正色散光纤中必要的光谱滤波器，用非线性偏振旋转机制锁模已经非常困难。因此SESAM起了决定性作用。如此长腔的激光器，输出脉冲能量大大提高。以400m腔长的掺镱光纤激光器为例，在300mW泵浦下，输出脉冲能量高达320nJ，一次放大后脉冲能量超过4mJ 。而对铒光纤激光器的几十nJ的输出，一次放大就达到790nJ 。由于重复频率从几十MHz降低到380kHz ，已经可以直接应用于微细加工等。这种超低重复频率的激光振荡器在固体激光器中是很难实现的，而在光纤激光器中相对容易。这种激光器作为放大器的种子光源，节省了脉冲选单器（普克尔盒、声光调制器）、光纤展宽器和前级放大器等，具有非常大的应用价值。此技术已经申请了专利。 飞秒光纤激光器已经发展了近20年，仍然不断有新的概念和新的器件创出。如果没有先进的理念，没有自己的创新器件，我国在这个领域将永远处于劣势地位。某些光纤激光器国外对我国禁运就是例证。研制自己的核心元器件，并在此基础上研制自己的飞秒光纤激光器整机，不但是创新的基础，也是产业化的基础。幸运的是，北京大学研究小组已经在某些核心元器件和整机方面赶上了国际先进水平，并有所创新。我们将继续研制新型元器件和新型光纤激光器，使我国在光纤激光器领域内的竞争中占有一席之地。 参考文献： K. Tamura, E. P. Ippen, H. A. Haus, and L. E. Nelson, “77-fs pulse generation from a stretched-pulse mode-locked all-fiber ring laser,” Opt. Lett. 18, 1080-1082 (1993). M. E. Fermann, L.-M. Yang, M. L. Stock, and M. J. Andrejco, "Environmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber laser producing 360-fs pulses," Opt. Lett. 19, 43-45 (1994). K. Tamura, E. P. Ippen, H. A. Haus, and L.E. Nelson, “77-fs pulse generation from a stretched-pulse modelocked all-fiber ring laser,” Opt. Lett. 18, 1080 (1993). http://www.cyber-laser.com F. Ö. Ilday, J. R. Buckley, W. G. Clark, and F. W. Wise, “Self-similar evolution of parabolic pulses in a laser,” Phys. Rev. Lett. 92, 213902 (2004). A. Chong, J. Buckley, W. Renninger, and F. Wise, “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser,” Opt. Express 14, 10095-10100 (2006). A. Chong, W. H. Renninger, and F. W. Wise, “All-normal-dispersion femtosecond fiber laser with pulse energy above 20 nJ,” Opt. Lett. 32, 24081 (2007). T. Schreiber, H. Schultz, O. Schmidt, F. Röser, J. Limpert, and A. Tünnermann, “Stress-induced birefringence in large-mode-area micro-structured optical fibers, ” Opt. Express 13, 3637-3646 (2005). S. Yamashita, Y. Inoue, S. Maruyama, Y. Murakami, H. Yaguchi, M. Jablonski, and S. Y. Set, "Saturable absorbers incorporating carbon nanotubes directly synthesized onto substrates and fibers and their application to mode-locked fiber lasers," Opt. Lett. 29, 1581-1583 (2004). C. Zhou, W. Yang, G. Zhang, Y. Cai, J. Li, P. Li, and Z. Zhang, “Novel ring-cavity for ytterbium- doped mode-locked fiber laser incorporated with both SESAM and grating pair,” IEEE Photon. Techno. Lett. 21, 3-5 (2009). C. Zhou, L. Chen, Y. Cai, M. Zhang, L. Ren, P. Li, and Z. Zhang, “Ytterbium-doped mode-locked fiber laser at hundreds of kHz repetition rate,” unpublished. Y. Cai, C. Zhou, L. Chen, L. Ren, M. Zhang, P. Li, and Z. Zhang, “Sub-100 kHz Erbium-doped Mode-locked Fiber Lasers,” unpublished.
标签: 飞秒
