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高平均功率、超高重復(fù)頻率（> 500 MHz）的飛秒光源在非線性光譜和材料加工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。此類具有高脈沖峰值功率和高重復(fù)頻率的飛秒光源可極大地增加單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量，用于非線性光譜領(lǐng)域時(shí)可提高信噪比，在材料處理領(lǐng)域也可以極大地提升加工產(chǎn)量。

 

然而開(kāi)發(fā)具有高平均功率、高重復(fù)頻率的緊湊型飛秒光源并不容易。與低重復(fù)頻率的飛秒光源相比，它們需要在增益介質(zhì)的非線性、腔內(nèi)色散和可飽和吸收體的特性之間取得更精妙的平衡。對(duì)于以Cr：YAG激光晶體為增益介質(zhì)的飛秒激光器來(lái)說(shuō)，該激光晶體受激發(fā)射截面較小、熱導(dǎo)率較低，因此該激光器對(duì)腔內(nèi)的增益和損耗非常敏感，這進(jìn)一步要求對(duì)可飽和吸收體的參數(shù)進(jìn)行更精確的控制。

 

最近，來(lái)自KAIST（韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院）的Fabian Rotermund教授和KERI（韓國(guó)電氣研究院）的Guang-Hoon Kim教授合作研究團(tuán)隊(duì)展示了重復(fù)頻率大于500 MHz的碳納米管（CNT）鎖模的緊湊型飛秒Cr:YAG激光器。他們制備了在1.5 μm波長(zhǎng)附近具有0.51％調(diào)制深度和28 μJ/cm2飽和能量密度的CNT。利用這種CNT作為飽和吸收鏡，實(shí)現(xiàn)了可穩(wěn)定工作在1.5 μm波長(zhǎng)的鎖模飛秒Cr：YAG激光器。據(jù)該研究團(tuán)隊(duì)所知，與其他的CNT鎖模Cr:YAG激光器相比，該激光器目前具有最高的重復(fù)頻率，輸出功率為147 mW，脈沖寬度為110 fs。該研究結(jié)果發(fā)表在Chinese Optics Letters第16卷第6期 (J. W. Kim et al., “550-MHz carbon nanotube mode-locked femsecond Cr:YAG laser.” Vol. 16, No. 6, 061404，2018)。

碳納米管鎖模的高重復(fù)頻率飛秒Cr:YAG激光器原理圖和實(shí)物照片。該緊湊型激光器工作在1.5 μm波長(zhǎng)附近，重復(fù)頻率為550 MHz，輸出功率為147 mW，脈沖寬度為110 fs。

Fabian Rotermund指出：“基于CNT鎖模的1.5 μm波長(zhǎng)飛秒相干光源結(jié)構(gòu)緊湊，能夠同時(shí)提供高平均功率、高重復(fù)頻率的超短脈沖，可為各種材料處理和非線性光譜提供高效的解決方案。”

 

下一步的工作將集中在開(kāi)發(fā)基于CNT鎖模、重復(fù)頻率達(dá)數(shù)GHz的超緊湊型固體激光器。

 

論文鏈接：

http://m.opticsjournal.net/Mobile/M_Details?aid=OJ180606000019rXt1w4

可用來(lái)產(chǎn)生寬帶、高平坦、高相干性超連續(xù)譜的正常色散全固態(tài)微結(jié)構(gòu)光纖

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光纖中產(chǎn)生的超連續(xù)譜包含多種色散效應(yīng)和非線性現(xiàn)象，具有寬帶、高亮度等特性，能夠應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比如超短脈沖產(chǎn)生、光頻率測(cè)量等。在有些應(yīng)用中，高平坦度和相干性是十分重要的。

 

通常，當(dāng)抽運(yùn)脈沖波長(zhǎng)處于光纖的反常色散區(qū)時(shí)可產(chǎn)生超連續(xù)譜。由于孤子分裂和調(diào)制不穩(wěn)定等效應(yīng)，產(chǎn)生的超連續(xù)譜相干性較差，光譜具有較多的精細(xì)結(jié)構(gòu)。抽運(yùn)脈沖波長(zhǎng)處于光纖的正常色散區(qū)時(shí)，產(chǎn)生超連續(xù)譜主要依賴自相位調(diào)制和光波分裂效應(yīng)，它們能夠保持抽運(yùn)脈沖的整體性和相干性。然而，在寬脈沖抽運(yùn)條件下產(chǎn)生高平坦度的超連續(xù)譜是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

 

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全固態(tài)微結(jié)構(gòu)光纖。該光纖的結(jié)構(gòu)中只含有正六邊形元素，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的光纖在1.55 μm波長(zhǎng)附近的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有絕對(duì)值小且平坦的正常色散特性。通過(guò)數(shù)值模擬的方法，該課題組采用寬度為200 fs、峰值功率為100 kW、中心波長(zhǎng)為1.55 μm的脈沖抽運(yùn)該光纖，能夠產(chǎn)生高平坦、高相干性的超連續(xù)譜。在-3 dB強(qiáng)度范圍內(nèi)，超連續(xù)譜覆蓋波長(zhǎng)1030~2030 nm，接近于一個(gè)倍頻程。理論上，僅僅通過(guò)線性啁啾補(bǔ)償能夠?qū)⒃摮B續(xù)譜脈沖壓縮至13.9 fs（約為2.69個(gè)光學(xué)周期）。相關(guān)成果發(fā)表在Photonics Research 2018年第6卷第6期上(C. Huang, et al. Ultraflat, broadband, and highly coherent supercontinuum generation in all-solid microstructured optical fibers with all-normal dispersion)。

 

左圖：設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)示意圖；右圖：從上到下依次是抽運(yùn)脈沖在該光纖中傳輸時(shí)，傳輸長(zhǎng)度分別是0，5和100 cm處的光譜。抽運(yùn)脈沖的參數(shù)為：脈沖寬度200 fs，峰值功率 100 kW，中心波長(zhǎng)1550 nm。

 

與已報(bào)道的光纖相比，該光纖能夠滿足更寬的脈沖抽運(yùn)產(chǎn)生寬帶高平坦高相干性超連續(xù)譜的需求。該團(tuán)隊(duì)的研究人員認(rèn)為，光譜的-3 dB強(qiáng)度幾乎對(duì)應(yīng)于光譜的半高寬，這在應(yīng)用中具有重要的意義；另外，采用該光纖作為非線性介質(zhì)有望實(shí)現(xiàn)在寬脈沖抽運(yùn)的情況下獲得全光纖寬帶高平坦高相干性超連續(xù)譜源。下一步的工作重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)全光纖的超連續(xù)譜源和超短脈沖壓縮。

 

論文鏈接：

http://m.opticsjournal.net/Mobile/M_Details?aid=OJ180605000156LhOkQn