背景介紹

　　中紅外氟化物光纖超短脈沖激光在半導體材料加工、超連續泵浦、多光子顯微鏡、強場物理等方向有著廣闊的應用前景，成為近年來激光技術發展的重要前沿方向之一。

　　現有中紅外展寬和壓縮體光柵傳輸損耗極大，且中紅外光纖光柵技術不成熟，因此近紅外通用的光纖啁啾脈沖放大技術難于移植到中紅外波段，這限制了中紅外氟化物光纖峰值功率的提升。提升中紅外氟化物光纖的輸出峰值功率以滿足應用需求，是國際上多個研究團隊追求的目標。

　　上海交通大學謝國強教授課題組報道了一種能夠實現高峰值功率的2.8 μm Er：ZBLAN 光纖自壓縮放大器。通過數值仿真，發現在光纖放大器中由于色散和非線性的相互作用，脈沖在放大的同時可以實現自壓縮，從而實現高的峰值功率。放大器采用鎖模Er：ZBLAN 光纖振蕩器作為種子源，鎖模脈沖的寬度為240 fs、峰值功率為16.9 kW。通過單級光纖自壓縮放大器，獲得了脈沖寬度為110 fs、峰值功率為151 kW 的放大脈沖，從氟化物光纖中直接產生了超過100 kW的峰值功率。

　　創新工作

　　課題組設計的激光器系統由振蕩器和放大器兩部分組成。振蕩器采用高摻雜濃度的雙包層Er:ZBLAN光纖作為增益介質。實驗裝置如圖1所示，振蕩器為環形腔結構，采用非線性偏振旋轉(NPR)鎖模技術產生飛秒脈沖激光。

　　圖1 2.8 μm Er:ZBLAN鎖模光纖振蕩器及自壓縮放大器示意圖

　　飛秒種子脈沖通過ZnSe非球面透鏡耦合到放大器光纖中。為了避免振蕩器中發生脈沖分裂現象，將振蕩器輸出的脈沖峰值功率控制在約17 kW。同時，放大器選擇輸出端泵浦，這降低了放大器光纖中非線性相移的積累，同時提高了放大效率。

　　不同于傳統的啁啾脈沖放大器，自壓縮放大器呈現出顯著的脈寬自壓縮的特征。當光纖中的脈沖放大到較高的脈沖能量，自位相調制效應會造成顯著的非線性光譜展寬，而氟化物光纖中的反常色散和自位相調制效應相互平衡，導致脈沖呈現出非常顯著的自壓縮。

　　通過孤子自壓縮放大器，將240 fs的種子脈沖自壓縮到110 fs，脈沖能量放大到16.6 nJ, 直接從自壓縮放大器中獲得了151 kW的峰值功率，光譜范圍覆蓋2.72~2.90 μm(圖2)。

　　圖2 自壓縮放大系統的輸出結果。(a)脈沖序列;(b)振蕩器輸出脈沖的自相關曲線;(c)振蕩器輸出脈沖的光譜;(d)放大器輸出功率隨泵浦功率的變化;(e)放大器輸出脈沖的自相關曲線;(f)放大器輸出脈沖的光譜

　　自壓縮放大器采用脈沖非線性放大的形式，同時實現了脈沖能量的提升和脈沖寬度自壓縮，而且激光器系統結構簡單緊湊，為高峰值功率中紅外超短脈沖的產生提供了一種新的技術途徑。

　　總結與展望

　　研究報道了2.8 μm Er:ZBLAN光纖自壓縮放大技術，驗證了該技術能夠直接產生高峰值功率中紅外飛秒脈沖。相比于傳統的啁啾脈沖放大器，光纖自壓縮放大器無需光柵展寬和壓縮器系統，具有結構簡單緊湊的特點。

　　特別是，自壓縮放大不會出現增益窄化，反而會因非線性效應而出現脈沖光譜帶寬展寬現象。利用自位相調制和光纖反常色散的相互平衡，從光纖自壓縮放大器中直接可產生高峰值功率脈沖。而且，利用低重頻脈沖放大和采用更大芯徑的氟化物光纖，通過自壓縮放大可進一步提升中紅外氟化物光纖激光器的峰值功率水平。

       參考文獻： 中國光學期刊網

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