華東師范大學(xué)曾和平教授和上海理工大學(xué)郝強(qiáng)副教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)成功研制了參數(shù)為1.56μm/ 60nJ/ 100fs/ 10MHz的高穩(wěn)定性、可靠耐用的超快激光光源。

“2019中國光學(xué)十大進(jìn)展”候選推薦

1.56μm波段飛秒脈沖激光在激光通信、醫(yī)療診斷、微納加工、精密測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。特別是，通過光學(xué)倍頻技術(shù)，1.56μm倍頻激光器可工作鈦寶石激光器的輸出波段，致其應(yīng)用場景進(jìn)一步拓展。

當(dāng)前，鈦寶石振蕩器和放大器產(chǎn)品發(fā)展成熟，在極短脈沖(<20fs)和超大能量(>1mJ)方面具有顯著的指標(biāo)性優(yōu)勢。相較于鈦寶石激光器，摻鉺光纖飛秒激光器產(chǎn)品在50-100fs脈沖寬度和<10nJ單脈沖能量方面具有顯著的性價(jià)比優(yōu)勢。進(jìn)一步綜合光纖激光器的高效率、免維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，摻鉺光纖飛秒激光器已成為鈦寶石激光器的理想替代光源。據(jù)了解，輸出功率在百毫瓦量級的780/1560nm飛秒激光器國內(nèi)每年有約300臺(tái)的市場容量，且科研市場逐年增長。

限制1.56μm波段飛秒脈沖功率提升和脈沖壓縮的關(guān)鍵技術(shù)問題是非線性和色散管理。通常，啁啾脈沖放大技術(shù)(chirped-pulse amplification, CPA)是克服非線性效應(yīng)的一種主要手段，該技術(shù)在800nm鈦寶石激光器和1.03μm摻鐿光纖激光器中應(yīng)用廣泛。然而，由于光柵壓縮器的衍射效率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高階色散等問題，CPA技術(shù)在1.56μm波段的發(fā)展并不順利。

此外，考慮到通過增加腔內(nèi)光纖長度較容易降低脈沖重復(fù)頻率，即可利用啁啾脈沖振蕩(chirped-pulse oscillation, CPO)技術(shù)直接從振蕩器產(chǎn)生高能量超短脈沖。圖1中的藍(lán)色和橙色虛線分別描述了利用CPA和CPO技術(shù)獲取到的脈寬和能量趨勢曲線。近年，分離脈沖放大(divided-pulse amplification, DPA)或稱為相干脈沖合成(coherent beam combination, CBC)技術(shù)已逐漸成為1.03μm波段產(chǎn)生千瓦平均功率超短脈沖的主要手段。該技術(shù)基于偏振分束將種子光進(jìn)行能量分配，分別注入多個(gè)放大器中進(jìn)行能量提升，可按比例降低放大器中脈沖的峰值功率，進(jìn)而有效管理放大脈沖非線性效應(yīng)。

圖 1.56μm波段超短脈沖產(chǎn)生和放大的結(jié)果比較。其中，實(shí)心圖標(biāo)為保偏結(jié)構(gòu)激光器，空心圖標(biāo)為非保偏結(jié)構(gòu)激光器。藍(lán)色和橙色虛線分別為CPA和CPO技術(shù)的趨勢曲線。

與工作在1.03μm波段光纖正常色散區(qū)不同的是，1.56μm波段脈沖工作在光纖的負(fù)色散區(qū)，可在光纖中實(shí)現(xiàn)功率放大、光譜展寬、脈沖壓縮的同時(shí)進(jìn)行(即脈沖非線性放大壓縮)，避免使用空間結(jié)構(gòu)的脈沖壓縮器，極大簡化了光纖飛秒激光器的結(jié)構(gòu)，顯著改善了激光器穩(wěn)定性。

研究團(tuán)隊(duì)深入研究了光纖負(fù)色散區(qū)的分離脈沖放大技術(shù)。通過管理光纖預(yù)放大器和主放大的凈色散和增益，基于×16脈沖分離獲得了最高平均功率1.6W、脈沖寬度120fs的脈沖輸出，基于×64脈沖分離獲得了最高單脈沖能量60nJ、脈沖寬度95fs的脈沖輸出，突破了CPO和CPA技術(shù)趨勢曲線。相關(guān)研究成果以“60 nJ, 95 fs environmentally stable Er-doped fiber laser system”為題發(fā)表于Chinese Optics Letters 17，061401 (2019)上。