光纖激光技術：皮秒中紅外全光纖摻鉺光纖激光器

基于可飽和吸收體的中紅外(Mid-IR)脈沖全光纖激光器具有很多應用。比如,水在2．94 ?m處有很強的吸收峰,因此該波段激光很適用于激光手術和材料處理;同時,這類激光器也可用于遙感,因為所發(fā)射光譜可以激發(fā)許多大氣污染物(例如甲烷)的基本旋轉振動共振。

但是現有的3?m附近的超快光纖激光器大多不是全光纖結構,激光光束從自由空間傳播部分注入到光纖處產生反射會導致激光器不穩(wěn)定;另外自由空間的光路可能需要經常重新準直;而且對于常規(guī)的可飽和吸收體(例如2D材料,半導體可飽和吸收體和其他異質材料),由于其損傷閾值非常低,比較容易受到熱和光學損傷。全光纖激光器能夠解決上述問題。

在大多數高功率光纖激光器中,增益光纖的主體材料由硅酸鹽玻璃組成。但是,實現超過2．2μm的激光意味著要使用其他材料的玻璃。在可以拉成光纖的中紅外玻璃中,氟化物玻璃在稀土摻雜方面表現出優(yōu)異的性能。其中,摻鈥(Ho3+)和摻鉺(Er3+)的氟化物光纖都能實現波長為2．7至3．1μm的激光發(fā)射,摻鉺的氟化物光纖可獲得的能量要比摻鈥的光纖高。

2014年,Haboucha等人提出了一種基于Er3+氟化物玻璃光纖的線性鎖模光纖激光器 [1]。如圖1所示,該激光器基于線性腔結構,包括一個半導體可飽和吸收鏡(SESAM)和一個光纖布拉格光柵(FBG)。該結果為首次在3μm摻鉺氟化物玻璃光纖線性腔激光中實現穩(wěn)定鎖模,脈沖序列的重復頻率為51．75 MHz,脈沖寬度約為60 ps,平均功率為440 mW,鎖?？勺詥忧铱梢跃S持數小時,但是脈沖寬度和發(fā)射光譜均受限于窄帶寬的FBG。

圖1 基于Er3+氟化物玻璃光纖的線性鎖模光纖激光器

今年該課題組在ASSL會議上介紹了與2014年的工作相似的基于FBG和SESAM的鎖模摻鉺氟化物光纖激光器 [2]。如圖2所示,增益介質為2 m長的摻鉺氟化物光纖,FBG為使用飛秒脈沖通過光纖的保護涂層直接寫入,增益光纖由976 nm的泵浦二極管反向泵浦以簡化腔內對準并實現比正向泵浦更高的輸出功率。

FBG在2790．9 nm處的最大反射率為65%,FWHM為3．2 nm,比2014年裝置中FBG的帶寬有所增加。非球面ZnSe透鏡在輸出端的焦距為25 mm,在腔內的焦距為12．5 mm,并且每個透鏡在2．8 ?m的波長下傳輸約95%的信號。光纖尖端斜切8°以消除回光,從而實現穩(wěn)定的鎖模;二向色鏡(DM)用來去除殘留的泵浦功率,以避免損壞SESAM。

圖2 實驗裝置

圖3中的實驗結果表明該鎖模激光器能夠產生15 ps的脈沖,脈沖寬度接近傅立葉變換極限。如果腔內組件的準直最佳,則鎖模態(tài)可自啟動,并且在較低的泵浦功率下沒有任何調Q,鎖模狀態(tài)穩(wěn)定,平均輸出功率在87．5 mW和157．5 mW之間。此外,發(fā)射光譜集中在FBG的最小透射率(即最大反射率)上,這表明,如果腔內負色散足夠低,脈沖持續(xù)時間和光譜均可以由FBG的特性控制。

圖3 實驗結果 a)實驗得到的發(fā)射光譜和FBG的透射光譜,b)自相關曲線

總之,這項工作提出了一種基于SESAM和FBG的中紅外鎖模光纖激光器,能夠產生接近傅立葉變換極限的15 ps脈沖,中心波長在2．8 ?m。

審核編輯：符乾江