如何搭建“三高”飞秒激光器？

作者：赵智刚 赵其锴

封面文章 | 赵其锴, 丛振华, 刘兆军, 张行愚, 赵智刚. 百微焦飞秒光纤啁啾脉冲放大激光系统[J]. 中国激光, 2021, 48(7): 0701001

【封面解读】：本封面体现了啁啾脉冲放大技术的基本原理。种子源输出的飞秒量级脉冲通过光栅基脉冲展宽器进行时域展宽获得纳秒量级的脉冲输出。通过光纤预放大器及大模场面积的光子晶体光纤（亮黄色）主放大器逐步提升激光器的平均功率。采用光栅基脉冲压缩器将激光器的脉宽重新压缩至飞秒量级。图中以“彩虹”包络的宽度和强度近似表示啁啾脉冲的时域宽度和峰值功率。渐变“彩虹带”表示脉冲展宽器和压缩器内的光谱展宽和压缩过程。基频激光（红线）通过倍频晶体（紫色）进行频率变换获得二倍频激光（绿线）输出。

“三高”（高重频、高功率、高脉冲质量）飞秒激光光源在科学研究和工业加工方面具有重要的应用价值。但是在其发展过程中，由于光纤中的脉冲在被直接放大时受到受激拉曼散射、受激布里渊散射等多种非线性效应的影响，峰值功率提升受限。

目前，采用啁啾脉冲放大技术结合大模场面积的光子晶体光纤或者双包层光纤，可以有效降低非线性效应，进一步提高脉冲峰值功率，已经逐渐成为该类型激光光源所采用的标准方案。

在啁啾脉冲放大技术中，脉冲展宽压缩是其中极为重要的部分，可采用的主要有“CFBG展宽+CVBG压缩”和“CFBG展宽+光栅压缩”、“光栅展宽+光栅压缩”等方案。与其他方案相比，基于块状光栅的脉冲展宽和压缩方案，由于具有较高的损伤阈值，系统的色散补偿充分、自由度多、操作灵活，输出脉冲的时域质量高等优点而备受青睐。

为了获得更窄脉宽、高脉冲质量、百微焦量级的飞秒啁啾脉冲放大激光系统，山东大学信息科学与工程学院刘兆军、赵智刚课题组开展了1 μm波段“三高”飞秒光纤激光系统的搭建。该系统由光纤锁模振荡器、脉冲展宽器、脉冲选单单元、多级光纤预放大器、主放大器和脉冲压缩器组成，如图1所示。

图1 实验装置示意图

振荡器采用自主搭建的光纤锁模振荡器，重复频率为62.8 MHz，中心波长为1031 nm，高斯型光谱半高全宽为15.8 nm，如图2所示。采用基于大口径透射光栅的双通Martinez型脉冲展宽器对种子源输出的脉冲进行时域展宽获得纳秒量级的脉冲输出。

为了在提升激光器平均功率的同时，保持较低的增益窄化效应，使用了多级光纤放大结构，避免极高增益放大。系统中各部分所对应的光谱，如图2所示。经过各级光纤预放大之后的光谱较为平滑；主放大级前后光谱的半高宽始终在10 nm左右，增益脉冲窄化现象较弱。

图2 系统中信号光在不同阶段的光谱

在主放大和压缩部分，采用了大模场面积的光子晶体光纤和基于透射光栅的Treacy型脉冲压缩器。系统的重复频率为500 kHz时，获得平均功率为51.5 W、压缩效率为82.3%、单脉冲能量为103 μJ的高脉冲质量飞秒激光输出。在1 MHz的重复频率下，获得压缩后平均功率为61.5 W的激光输出。

为了满足某些实验的长时间测试需求，对两种重复频率下的激光器稳定性进行测试，如图3所示。在系统工作在1 MHz重频，输出平均功率为50 W时，采用M2分析仪测试脉冲的光束质量，计算得到激光器的平均光斑质量M2=1.22。

图3 CPA系统的功率稳定性，其中插图为光束质量

脉冲质量是衡量激光器性能的重要指标。色散调控技术是光纤啁啾脉冲放大激光系统实现高质量脉冲输出的有效途径。在重复频率为1 MHz，平均功率为50 W时，通过精细调节展宽器和压缩器中的光栅位置和入射角度，优化系统的色散，使用SHG-FROG测得系统输出的脉冲宽度为273.6 fs。

图4 SHG-FROG测量脉冲宽度和相位

如图4所示，主脉冲附近还有一些未被完全补偿的残余高阶色散。为了解决此问题，可以将普通的Martinez型脉冲展宽器更换成更加复杂的Offner型无相差脉冲展宽器。使用该方案，可以有效减少系统中的高阶色散和相差引入，进一步降低输出脉冲宽度，提高脉冲质量。

图5为封装完成后的激光器样机和文章部分作者，左起分别为：赵其锴、赵智刚、张行愚、刘兆军（团队负责人）。

课题组未来会进一步开展更加深入的研究工作，结合相关技术措施，攻克现有问题，优化脉冲质量，进一步提高激光系统的各项性能指标，如平均功率、单脉冲能量等。

随着超快飞秒激光器的进一步发展，研制的激光器将广泛应用于精密加工、基于高次谐波技术的二次光源开发及应用、超快生物医学光子学、超快光谱学等研究领域。

课题组简介：

刘兆军教授领衔的先进激光技术及应用团队隶属于山东大学信息科学与工程学院。团队长期致力于激光物理与技术、非线性光学、光纤传感和光学系统设计等方面的研究工作。近年来，团队承担了多项国家级重点项目、国家自然科学基金项目、山东省重大科技创新工程项目及企事业单位委托项目等。当前主要工作集中于晶态光纤激光技术研究、高能多波长脉冲激光技术、高功率超快激光技术、分布式光纤传感技术、光学系统及精密光学仪器技术和海洋光学技术等方向，在主流学术期刊发表论文200余篇，获授权发明专利10余项。