基于光纖的啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)介紹

摘要：

本文報道了一種基于光纖的啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用塊狀投射光柵壓縮脈寬到357fs，平均功率為175W，脈沖能量為233μJ，被壓縮脈沖序列光束質(zhì)量1.21。該功率放大器基于最先進的單模光子晶體棒型摻鐿光纖，實現(xiàn)平均功率248W，重復(fù)頻率750kHz。對激光系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性進行了超過4000小時的連續(xù)測試，沒有顯示出橫向模不穩(wěn)定(TMI)的跡象。

光纖放大器已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，光纖的大表面體積比及其在熱管理方面的優(yōu)勢，平均功率不斷提升，同時保持了接近衍射極限的光束質(zhì)量。然而，由于傳統(tǒng)增益光纖具有較長的相干長度和相對較小的有效面積，光學(xué)非線性成為阻礙功率提升的一個嚴(yán)重問題。非線性效應(yīng)的閾值可以通過增加有源光纖有效模場面積和增加泵浦吸收來提高，減小放大器的有效長度[1,2]。降低非線性效應(yīng)的另一種方法是通過使用啁啾脈沖放大(CPA)方案來降低光纖中的強度，該方案基于在放大階段之前展寬脈沖，再壓縮[3]。通過多通道放大系統(tǒng)的相干光束組合[4]或多芯光纖[5]，可以實現(xiàn)接近衍射極限輸出的進一步功率放大。光纖放大器的另一個限制是橫向模式不穩(wěn)定(TMI)，限制了在保持穩(wěn)定運行的同時可以提取的平均功率。如果放大器中的TMI顯著，則會影響光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，輸出模式將包含大量的高階模式，從而降低激光輸出的質(zhì)量。除其他因素外，TMI的發(fā)生與光纖長度的熱負(fù)荷和高階模式(HOMs)的有限抑制有關(guān)[6-10]。因此，降TMI的方法包括減少熱負(fù)荷以及確保強抑制HOMs的波導(dǎo)設(shè)計。

本文中

我們關(guān)注單通道放大器的功率放大，并利用CPA方案以及TMI閾值遠(yuǎn)高于平均功率250 W的摻鐿棒-光纖放大器的大有效面積，先前發(fā)表的基于單通道光纖的CPA系統(tǒng)的個別報告顯示，平均功率超過100W[11]，脈寬400fs[12,13]，脈沖能量超過150μJ[14]。最好是將高脈沖能級與接近兆赫的重復(fù)率結(jié)合起來。在文中我們展示了一個單通道CPA系統(tǒng)，其脈沖能量為233μJ，工作在750kHz的重復(fù)率，這是前所未有的數(shù)據(jù)。平均功率為175W，脈寬357fs，再壓縮后的光束質(zhì)量1.21。

圖1▲利用Rod功率放大的CPA系統(tǒng)

完整的CPA系統(tǒng)如圖1所示，包括前端、基于PCF棒的功率放大器和壓縮器，在壓縮器之后，根據(jù)功率分析輸出。前端包括一個鎖模種子激光器，提供170fs脈沖序列，中心波長為1029nm，重復(fù)頻率為40MHz。種子激光器的脈沖經(jīng)過雙光纖Bragg光柵展寬，再經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)，將脈沖重復(fù)率降低到750kHz，以及兩個附加的光纖放大器。降低重復(fù)頻率以增加脈沖能量。Amp1和Amp2都是標(biāo)準(zhǔn)的6μm纖芯泵浦階躍折射率單模光纖放大器，而Amp3基于雙包層摻鐿光纖(NKT Photonics的DC-135/14-PM-Yb)。光纖前端部分提供500mw的輸出功率，脈寬1.5ns。前端的輸出自由空間耦合到第一個棒-光纖放大器(Amp4)，該放大器提供25W的輸出功率，耦合到第二個棒-光纖放大器Amp5)，其中信號被進一步放大到248w，對應(yīng)于脈沖能量333μJ和峰值功率216kW。Amp4基于標(biāo)準(zhǔn)的商用aeroGAIN-ROD(來自NKT Photonics的aeroGAINROD-PM85)，而Amp5中使用的棒狀光纖是aeroGAIN-ROD的改進版本，用于抑制TMI并放大功率。Amp4和Amp5上使用的兩種光纖纖芯均為85um，260um的光子晶體包層泵浦結(jié)構(gòu)。無熱負(fù)荷情況下，兩種棒狀光纖的無源模場直徑(MFD)在1030nm處為60μm - 65μm。前端和功率放大器部分的所有放大器都是后向泵浦的，除了Amp1之外，在所有放大級之后都有一個光隔離器。用于兩個棒-光纖放大器級的泵浦源，為基于體積布拉格光柵、工作波長為976 nm的泵源。在對激光輸出進行表征之前，功率放大器的輸出通過兩個雙層臺式壓縮光柵。塊狀研所光柵的效率約為80%。

圖2▲經(jīng)過rod功率放大的壓縮前后的信號光功率及模場直徑，隨泵浦功率的變化

圖2顯示了經(jīng)過壓縮后測量的平均信號功率，以及Amp5輸出的信號光的模場直徑MFD，隨泵浦功率變化的函數(shù)，壓縮前后斜效率為0.68和0.52。由于aeroGAIN-ROD是一種大芯單模光纖，數(shù)值孔徑相應(yīng)較小，這反過來又使NA容易受到熱致折射率變化的影響，對于二氧化硅來說，變化約為≈1 × 10?5 K?1[15]。隨著信號功率從0增加到248W，由于熱透鏡效應(yīng)導(dǎo)致的纖芯發(fā)熱，使得光纖的模場直徑MFD，從60μm變化到50μm。

包括前端、功率放大器和壓縮器在內(nèi)的整個CPA系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性已連續(xù)測試超過4000小時，TMI是隨時間累積的光子暗化的函數(shù)，導(dǎo)致纖維中沉積的熱量增加，從而降低了TMI閾值[16,17]。在[16]中，PD過程的熱負(fù)荷貢獻占總熱負(fù)荷的50%以上，這不能僅從短期試驗中觀察到。

圖3▲經(jīng)過壓縮后的信號光功率，以及經(jīng)過rod功率放大后的模場直徑，隨時間的變化

在長期測試的整個持續(xù)時間內(nèi)，測量經(jīng)壓縮器輸出功率的衰減約為10W，其中包括在測試的最初30小時內(nèi)觀察到的4W衰減，隨后在接下來的4000小時內(nèi)逐漸衰減6W，相當(dāng)于每1000小時≈0.8%。

在長時間測試過程中，觀察到MFD減少了2μm，對應(yīng)于4%的相對變化。變化率似乎隨著時間的推移而降低，并且在測試的最后1000多個小時中，MFD的變化甚至小于MFD值的測量不確定度。MFD的變化在于光纖芯折射率的逐漸變化，而折射率的變化又直接由PD誘導(dǎo)的折射率變化以及與PD誘導(dǎo)熱負(fù)荷相關(guān)的熱透鏡的輕微增加引起。

0時、2075小時、4150小時的壓縮后的自相關(guān)正割曲線、輸出光譜以及Amp5放大后的強度輪廓如圖4所示。再放大過程中積累的非線性相移導(dǎo)致了自相關(guān)曲線少量的強度邊帶，與再壓縮的雙曲正割曲線吻合。測試中大約每小時測試一次脈寬，CPA系統(tǒng)為實驗臺上的自由空間，脈寬值對周圍環(huán)境敏感，盡管如此，大部分時間脈寬都在400fs以下，中位數(shù)約357fs。由于水冷控制在定溫25度，放大級沒有波動。

輸出光譜每小時測一次，3dB和10dB帶寬分別為5.5nm和9.6nm，各放大級的3dB譜寬分別為，種子光6.8nm、前端6.7nm、amp4-6.4nm、amp5-5.8nm，測試過程中譜寬穩(wěn)定。可以看到由于壓縮光柵，輸出光譜的長波段陡然截止。非線性相移引起的光譜波動影響了再壓縮。實驗顯示750kHz重頻下，脈沖能量的增加，導(dǎo)致了更大的光譜強度波動以及脈沖時域邊帶，假設(shè)相移為零，脈寬值為330fs。

圖4▲經(jīng)過rod放大后的光譜，自相關(guān)曲線以及光斑輪廓

壓縮后的M2通過逐點測量獲得，M2x=1.21，M2y=1.17，像散0.07，非對稱值1.15。圖4顯示了amp5后的M2x=1.04，M2y=1.04，像散0.02，非對稱值1.03。rod放大級保證了良好的光束質(zhì)量。

圖5▲放大后的TMI光譜及功率隨時間變化

圖5顯示了整個測試過程中amp5后輸出光TMI的動態(tài)特征，利用ST-method[18]通過高速相機獲得TMI動態(tài)細(xì)節(jié)。光譜圖中多數(shù)峰值頻率發(fā)生變化，這與強度調(diào)制相關(guān)，如圖6所示，激光輸出重頻遠(yuǎn)高于相機的采樣率，未被采樣的不計。圖5中離散線描述整體動態(tài)變化，與相機積分時間變化引起的系統(tǒng)開關(guān)有關(guān)。整體的長時間測試中，TMI值保持在可忽略的程度，包括強度調(diào)制峰值在內(nèi)的最大值為-29dBc。事實上即使有一些圖3所示的寄生的PD光子暗化產(chǎn)生，其附加的熱負(fù)荷并未引起TMI信號，也佐證了aeroGAIN-ROD增加了TMI的產(chǎn)生閾值。上一代aeroGAIN-ROD相同條件下的TMI信號約為-15dBc，這與其他報道中TMI值相一致，本文中的新一代aeroGAIN-ROD展示了未受TMI限制的長時間穩(wěn)定的功率。

圖6▲TMI功率譜密度

總結(jié)：

報道了一個基于單芯棒狀光纖的CPA系統(tǒng)，中心波長1030nm，脈寬357fs，重頻750kHz，175W平均功率，233uJ，光束質(zhì)量M2=1.21。也是目前最好的單模棒狀光子晶體摻Y(jié)b光纖表現(xiàn)，并未由于光子暗化PD引起任何TMI信號的增加，使之超過4000小時放大到248W平均功率而未伴有TMI。這說明大芯徑光子晶體光纖對于實現(xiàn)近衍射極限的MHz重頻，百uJ超快激光放大器，是比較合適的技術(shù)。隨著熱管理技術(shù)和大芯徑光纖工藝的發(fā)展，將會實現(xiàn)更高的功率。

審核編輯：彭菁