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马鞍形反射谱啁啾光纤光栅为飞秒激光器行业赋能
材料来源:奥创光子          

在飞秒脉冲激光技术中,如何获得更短的脉宽是一个在业内持续热门的研究方向,也是飞秒激光器用户关心的关键技术指标之一,更短的脉宽是拔高脉冲峰值功率的关键因素,也是探究物质深层次物理奥秘的重要手段。

飞秒激光的时域脉宽与光谱宽度密切相关,而受增益介质能级决定的发射谱宽度往往有限,尤其是掺稀土离子的固体激光增益介质,发射谱宽不过几十纳米,这种有限的谱宽以及发射谱分布的不均匀性就会引起激发放大过程的光谱增益窄化效应;脉冲在放大过程的增益饱和效应会导致啁啾脉冲前后沿增益差异,进一步引起脉冲频谱的窄化。这些导致脉冲频谱宽度窄化的因素就制约了激光放大后能得到的最短脉宽。

虽然技术上早已提出了利用偏振光对信号脉冲光谱预整形的技术,使用法布里-珀罗标准具滤波光谱的技术,以及通过特殊镀膜的滤光片对不同光谱成分产生不同透过率的方法;除了这些固化的基于器件光谱整形技术,自相位调制效应、克尔效应等非线性光学效应也被用于超短脉冲光谱预整形,但受制于脉冲峰值功率;灵活可调的光谱主动整形手段如液晶调制器、声光可编程色散滤波器等器件构成复杂、集成度不高;衍射光栅、棱镜等色散器件也是实现对宽光谱整形的有效工具,且可以通过引入局部损耗或调制来实现选择性滤波。啁啾光纤光栅兼具了窄带滤光片和衍射光学器件的特点,其全光纤特性也易于实现和光纤激光器高集成度连接。奥创光子在成熟的大啁啾光纤光栅器件制作平台上通过对光栅刻写工艺的调整,实现了反射谱强度分布可控的啁啾光纤光栅制备,从而能够满足对宽光谱啁啾脉冲的频谱整形,可用于啁啾脉冲放大系统的信号脉冲光谱预整形,一定程度克服后续放大过程的光谱增益窄化效应,支持更短的压缩脉宽。

奥创光子啁啾光纤光栅为飞秒系列激光器产品的脉冲展宽器件,其支持数十纳米的反射谱宽,可为种子脉冲实现有效的全光谱范围时域展宽。啁啾脉冲在功率放大过程中亦无法避免光谱增益窄化现象,为了适度缓解这种效应对最终放大脉冲光谱宽度的制约,一个简单而有效的策略是直接在脉冲展宽器上设置光谱的特殊强度分布,以此在一定程度上抵消后续放大器中脉冲的光谱增益窄化。得益于奥创光子啁啾光纤光栅制作平台的功能可扩展性,在不改变紫外光刻光路布局的前提下,仅通过调整局部曝光参数,即可实现对特定波长位置反射栅区的调制,这种调制引起该波长处反射率的急剧下降。在基于掺镱离子的光纤和固体激光放大系统中,中心波长1030nm附近的种子源输出脉冲会在其中心波长前后出现较明显的高增益,而前后沿增益较低,导致放大后的不同光谱成分增益不一致,表现出光谱宽度随着增益的提升而渐窄。

因此奥创光子的光纤光栅设计团队在啁啾光纤光栅制作工艺中设计其反射率曲线中部呈凹陷状,最大调制深度超过50%,基本位于反射谱中央位置,凹陷谱宽度占据反射谱全宽度的3/4以上。这样大幅度的局部光谱成分“高损耗”的引入,在随后的激光放大系统中将会发挥增益分布重组的功效,且损耗会被增益所弥补。

这种中部呈凹陷型的反射式啁啾光纤光栅,我们称之为saddle-shaped CFBG,即马鞍形反射谱啁啾光纤光栅。制作出的该特种光纤光栅反射谱如图1,图中可见设计反射率曲线及实际测得的反射率曲线,整体轮廓满足弥补光谱增益窄化的要求。采用偏振相关干涉法测量推算得出的该啁啾光纤光栅色散曲线如图2,其色散特性基本匹配后续CPA系统色散管理设计。

图1. saddle-shaped CFBG型光纤光栅反射谱

(黑线:理论设计曲线;红线:实验测试曲线)

图2. saddle-shaped CFBG型光纤光栅色散曲线

为了验证该saddle-shaped CFBG的光谱特性在弥补激光放大器光谱增益窄化方面的有效性,将其安装在一套标准的光纤+固体CPA系统中,包括两级光纤放大器和一级固体放大器。光纤放大器为掺镱石英光纤增益介质,提供80倍增益;固体放大器为Yb:YAG增益介质,提供8倍增益。由于saddle-shaped CFBG自身的色散特性,脉冲被有效展宽,因而在放大过程中并无明显的自相位调制等非线性效应。图3是CPA系统输出的放大脉冲光谱,作为对比,同时附上了采用常规的平顶光谱形状CFBG作为脉冲展宽器的CPA输出光谱,可见该saddle-shaped CFBG型脉冲展宽/光谱整形器件达到了一定程度上补偿光谱增益窄化的效果。

图3. 配备了saddle-shaped CFBG型光纤光栅

(和常规平顶光纤光栅)

实现光谱整形的CPA系统输出放大光光谱

图4是这两种放大光谱对应的脉冲压缩结果,可见补偿光谱增益窄化的CPA系统能够输出更窄的去啁啾脉冲,实现了saddle-shaped CFBG辅助实现高峰值功率、窄脉宽输出的目的。

图4. a.基于光谱整形光纤光栅展宽器的CPA输出飞秒脉冲自相关曲线; 图4. b.常规平顶光纤光栅展宽器的CPA输出飞秒脉冲自相关曲线

奥创光子技术有限公司是一家专业从事工业级飞秒激光器及其核心器件研发、生产与应用的国家高新技术企业。总部坐落于浙江省杭州市,目前拥有约10000平方米光学洁净室和办公区。公司创始核心团队由中科院西安光学精密机械研究所国家重点实验室核心队伍及海归超快激光器工程化专家共同组成,其中包括国家万人计划专家、国际知名超快激光器企业首席设计师等,是目前国内超快激光领域的先行者和引领者。

自2018年创立以来,公司已申请150余项专利,已拥有核心技术包括NALM全光纤长寿命锁模种子源量产工艺、高阶色散可调控CFBG制作工艺、抛物脉冲高保真光纤CPA技术、高增益innoslab放大器封装工艺及技术等,结合100%自主设计的超快种子源、温度调谐式啁啾光纤光栅等核心器件,已成功推出千瓦级、毫焦级、超短脉宽等系列化飞秒激光器产品,并在国内率先实现工业领域批量出货,年量产出货超过500台,打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。

文章来源:奥创光子

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