Page 32 - LFWC_JanFeb_2019_eMag

Technologies Center 技术中心

超快激光器

数值模拟助力设计基于光纤的超快激光源

通过数值模拟设计基于光纤的超快激光源，可以实现具有经过验证的非线
性效应承受能力的原型和产品设计。

文/Rüdiger Paschotta博士；RP Photonics Consulting公司创始人兼董事总经理

光 纤广泛用于激光技术中。 以便在激光器阈值的几倍 Power spectral density (a.u.) 12 nm 7 nm
以上运行。这与典型的脉 1.0
在超快激光器领域，作为
增益介质的光纤具有一些 冲重复频率和脉冲持续时 11 nm 6 nm
0.8 10 nm 5 nm
有利的特性，例如高增益和大增益带 间相结合，导致具有相当 9 nm 4 nm
宽。另一方面，与块体激光晶体和玻 高的峰值功率，并因此具 0.6 8 nm 3 nm
璃相比，光纤中的非线性和色散效应 有显著的非线性效应。
0.4
都要强得多。 因此光孤子锁模等传
强烈的非线性效应通常会限制可 统概念几乎不可用，因为 0.2
实现的性能。物理细节可能非常复杂， 光孤子脉冲能量通常非常 0.0
1024 1026 1028 1030 1032 1034 1036
这对设计过程有影响。只有基于全面 低。现代锁模光纤激光器
Wavelength (nm)
的定量理解，通常才能实现性能潜力。 通常基于更复杂的操作原
图1：使用RP Fiber Power软件模拟的具有全正常色散激光谐振器的被
请注意，即使对于连续波（CW）装置， 理。通常使用全正常色散 动锁模光纤激光器的稳态输出脉冲光谱。腔内带通滤光片的带宽在
3~12nm之间变化。
光纤激光器和放大器的操作也比块体 激光谐振器，具有强烈的
装置更难以理解和分析。例如，这归 上啁啾脉冲循环。腔内脉冲持续时间 奇怪的是，如果滤光片带宽减小，
因于强饱和效应、高增益、放大的自 与强啁啾一起显著增加。可观的光学 则输出带宽增加，这主要是因为最初
发发射，以及大多数光纤增益介质的 带宽允许使用激光谐振器外部的色散 的窄带脉冲在光纤中表现出较小的时
准三能级特性。 压缩器，获得非常短的脉冲。由自相 间展宽，因此在之后达到更高的峰值
位调制引起的脉冲带宽的显著增加， 功率。然而，如果走向极端将导致不
锁模光纤激光器 通过腔内带通滤光片在每个谐振器 稳定性。在我们的示例中，对于最小
虽然原则上可以从非常低能量的 往返中得到补偿。这项技术由 Frank 的滤光片带宽，激光器接近稳定极限，
脉冲开始，然后从光纤放大器获得大 Wise 和他在康奈尔大学的研究小组 并且由于腔内滤光片的损耗，脉冲能
量增益，但通常有利的是从更高能量 开创。 量减小。提高泵浦功率的效果类似于
的种子脉冲开始。这主要是因为所需 例如，我们考虑光纤环形激光器， 降低滤光片带宽，除了当然它会增加
的放大器增益非常高，这将强制使用 其基本上包括输出耦合器、带通滤光 脉冲能量。
多个放大级和一些中间器件，如滤光 片、无源光纤、掺镱（Yb）掺杂光纤、 如果不获得对运行的全面定量理
片、隔离器或调制器，使系统更加复 法拉第隔离器和可饱和吸收体。当我 解，则不能正确地探索由所提及的不
杂。此外，噪音问题可能会变得更加 们逐渐减小滤光片的带宽时，稳态输 稳定性导致的性能限制，其取决于各
严重。 出脉冲的光谱首先在中间变得越来越 种设计细节（例如，关于可饱和吸收
另一方面是任何激光器的平均腔 平坦。进一步减小带宽，我们获得边 体的参数）。数值模拟是创造这种理
内功率应该是增益饱和功率的几倍， 缘附近的最大值（见图 1）。 解的唯一实用方法。它们允许人们审

30 Jan/ Feb 2019 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界