設(shè)計(jì)了一款重復(fù)頻率精確鎖定的飛秒脈沖和皮秒脈沖雙路輸出光纖激光器。該激光器采用輸出為近傅里葉變換極限的皮秒脈沖作為種子源,其脈沖寬度為21 ps,重復(fù)頻率為40 MHz。該種子脈沖經(jīng)1\:1分束后,分別注入飛秒和皮秒脈沖放大鏈路中。通過(guò)有效管理脈沖放大過(guò)程中的非線性和色散,實(shí)現(xiàn)了寬帶光譜飛秒脈沖和窄帶光譜皮秒脈沖的同步輸出。其中,飛秒脈沖放大鏈路是將皮秒種子脈沖先經(jīng)過(guò)單模光纖功率放大器,而后在50 m保偏單模光纖中利用自相位調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行光譜展寬,光譜展寬至6.12 nm;進(jìn)一步采用光柵對(duì)去啁啾后,得到了脈沖寬度為483 fs、平均功率為210 mW的飛秒脈沖輸出。皮秒脈沖放大鏈路的皮秒種子脈沖經(jīng)過(guò)功率預(yù)放大、脈沖選單至10 MHz后,由200/40光子晶體光纖主放大器進(jìn)行功率提升,得到了脈沖寬度為25 ps、單脈沖能量為1.4μJ、光譜寬度為0.86 nm的皮秒脈沖輸出。此外,通過(guò)采用壓電陶瓷精確控制和步進(jìn)電機(jī)范圍控制相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮秒種子源諧振腔重復(fù)頻率的長(zhǎng)時(shí)間精確鎖定。激光器開(kāi)啟并達(dá)到熱平衡后,8 h測(cè)量時(shí)間內(nèi)重復(fù)頻率峰峰值抖動(dòng)小于3 mHz,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.31 mHz。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2(a)顯示了皮秒種子脈沖經(jīng)過(guò)YDFA2和長(zhǎng)度為50 m的PM980光纖后,光譜展寬與YDFA2中半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)功率的關(guān)系。當(dāng)抽運(yùn)功率分別為141.1、307.5、432.8 mW時(shí),相應(yīng)的光譜寬度依次為2.23、4.46、6.12 nm。當(dāng)抽運(yùn)功率為432.8 mW時(shí),對(duì)皮秒脈沖去啁啾,如圖2(b)所示,得到了高斯擬合后的脈沖寬度為483 fs、平均功率為210 mW的飛秒脈沖輸出。在皮秒放大鏈路中,皮秒脈沖經(jīng)YDFA3進(jìn)行功率放大后由AOM選頻至10 MHz,選頻后脈沖的平均功率為50.9 mW。其中,皮秒脈沖的光譜寬度展寬較為明顯。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化有源光纖和無(wú)源光纖長(zhǎng)度,選頻后脈沖的光譜寬度為0.41 nm,如圖3(a)虛線所示。采用雙包層光子晶體光纖放大器對(duì)該皮秒脈沖進(jìn)行功率的進(jìn)一步放大。當(dāng)抽運(yùn)光功率為38.5 W時(shí),放大器的輸出功率為13.6 W、斜率效率為35.3%,相應(yīng)的光譜寬度為0.86 nm。由于脈沖光譜在頻域上的變化,引起其時(shí)域上的展寬,如圖3(a)插圖所示,脈沖寬度為25 ps。圖3(b)顯示了光譜寬度與輸出功率的關(guān)系,隨著抽運(yùn)功率的增加,光譜寬度與輸出功率均呈線性增加。

在皮秒放大鏈路中,皮秒脈沖經(jīng)YDFA3進(jìn)行功率放大后由AOM選頻至10 MHz,選頻后脈沖的平均功率為50.9 mW。其中,皮秒脈沖的光譜寬度展寬較為明顯。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化有源光纖和無(wú)源光纖長(zhǎng)度,選頻后脈沖的光譜寬度為0.41 nm,如圖3(a)虛線所示。采用雙包層光子晶體光纖放大器對(duì)該皮秒脈沖進(jìn)行功率的進(jìn)一步放大。當(dāng)抽運(yùn)光功率為38.5 W時(shí),放大器的輸出功率為13.6 W、斜率效率為35.3%,相應(yīng)的光譜寬度為0.86 nm。由于脈沖光譜在頻域上的變化,引起其時(shí)域上的展寬,如圖3(a)插圖所示,脈沖寬度為25 ps。圖3(b)顯示了光譜寬度與輸出功率的關(guān)系,隨著抽運(yùn)功率的增加,光譜寬度與輸出功率均呈線性增加。為了降低種子脈沖的時(shí)間抖動(dòng),實(shí)驗(yàn)通過(guò)壓電陶瓷的伸縮變化精密調(diào)節(jié)諧振腔幾何腔長(zhǎng),鎖定了鎖模激光器的重復(fù)頻率。其中,壓電陶瓷在50 V工作電壓變化下可以實(shí)現(xiàn)約為342 Hz的重復(fù)頻率調(diào)節(jié)。當(dāng)重復(fù)頻率漂移大于342 Hz時(shí),步進(jìn)電機(jī)對(duì)重復(fù)頻率提供171 Hz的粗補(bǔ)償,以減少壓電陶瓷的伸縮量。其中,步進(jìn)電機(jī)的量程可以實(shí)現(xiàn)最大為135 kHz的重復(fù)頻率調(diào)節(jié)范圍,有利于實(shí)現(xiàn)諧振腔重復(fù)頻率的長(zhǎng)期鎖定。圖4顯示了激光器從開(kāi)機(jī)后,10 h范圍內(nèi)重復(fù)頻率的鎖定情況。在前2 h內(nèi),由于激光器內(nèi)部未達(dá)到熱平衡,且與周圍環(huán)境的溫度存在對(duì)流,重復(fù)頻率在±30 mHz范圍內(nèi)抖動(dòng),相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.60 mHz;激光器預(yù)熱2 h后,其重復(fù)頻率峰峰值抖動(dòng)基本小于3 mHz,僅偶爾出現(xiàn)10 mHz的抖動(dòng)。第2～10 h內(nèi)重復(fù)頻率抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.31 mHz。

【參考文獻(xiàn)】：
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