基于光纤的啁啾脉冲放大激光系统介绍

摘要：

本文报道了一种基于光纤的啁啾脉冲放大激光系统，该系统利用块状投射光栅压缩脉宽到357fs，平均功率为175W，脉冲能量为233µJ，被压缩脉冲序列光束质量1.21。该功率放大器基于最先进的单模光子晶体棒型掺镱光纤，实现平均功率248W，重复频率750kHz。对激光系统的长期稳定性进行了超过4000小时的连续测试，没有显示出横向模不稳定(TMI)的迹象。

光纤放大器已经引起了学术界和工业界的广泛关注，光纤的大表面体积比及其在热管理方面的优势，平均功率不断提升，同时保持了接近衍射极限的光束质量。然而，由于传统增益光纤具有较长的相干长度和相对较小的有效面积，光学非线性成为阻碍功率提升的一个严重问题。非线性效应的阈值可以通过增加有源光纤有效模场面积和增加泵浦吸收来提高，减小放大器的有效长度[1,2]。降低非线性效应的另一种方法是通过使用啁啾脉冲放大(CPA)方案来降低光纤中的强度，该方案基于在放大阶段之前展宽脉冲，再压缩[3]。通过多通道放大系统的相干光束组合[4]或多芯光纤[5]，可以实现接近衍射极限输出的进一步功率放大。光纤放大器的另一个限制是横向模式不稳定(TMI)，限制了在保持稳定运行的同时可以提取的平均功率。如果放大器中的TMI显著，则会影响光束质量和稳定性，输出模式将包含大量的高阶模式，从而降低激光输出的质量。除其他因素外，TMI的发生与光纤长度的热负荷和高阶模式(HOMs)的有限抑制有关[6-10]。因此，降TMI的方法包括减少热负荷以及确保强抑制HOMs的波导设计。

本文中

我们关注单通道放大器的功率放大，并利用CPA方案以及TMI阈值远高于平均功率250 W的掺镱棒-光纤放大器的大有效面积，先前发表的基于单通道光纤的CPA系统的个别报告显示，平均功率超过100W[11]，脉宽400fs[12,13]，脉冲能量超过150µJ[14]。最好是将高脉冲能级与接近兆赫的重复率结合起来。在文中我们展示了一个单通道CPA系统，其脉冲能量为233µJ，工作在750kHz的重复率，这是前所未有的数据。平均功率为175W，脉宽357fs，再压缩后的光束质量1.21。

图1▲利用Rod功率放大的CPA系统

完整的CPA系统如图1所示，包括前端、基于PCF棒的功率放大器和压缩器，在压缩器之后，根据功率分析输出。前端包括一个锁模种子激光器，提供170fs脉冲序列，中心波长为1029nm，重复频率为40MHz。种子激光器的脉冲经过双光纤Bragg光栅展宽，再经过声光调制器(AOM)，将脉冲重复率降低到750kHz，以及两个附加的光纤放大器。降低重复频率以增加脉冲能量。Amp1和Amp2都是标准的6µm纤芯泵浦阶跃折射率单模光纤放大器，而Amp3基于双包层掺镱光纤(NKT Photonics的DC-135/14-PM-Yb)。光纤前端部分提供500mw的输出功率，脉宽1.5ns。前端的输出自由空间耦合到第一个棒-光纤放大器(Amp4)，该放大器提供25W的输出功率，耦合到第二个棒-光纤放大器Amp5)，其中信号被进一步放大到248w，对应于脉冲能量333µJ和峰值功率216kW。Amp4基于标准的商用aeroGAIN-ROD(来自NKT Photonics的aeroGAINROD-PM85)，而Amp5中使用的棒状光纤是aeroGAIN-ROD的改进版本，用于抑制TMI并放大功率。Amp4和Amp5上使用的两种光纤纤芯均为85um，260um的光子晶体包层泵浦结构。无热负荷情况下，两种棒状光纤的无源模场直径(MFD)在1030nm处为60µm - 65µm。前端和功率放大器部分的所有放大器都是后向泵浦的，除了Amp1之外，在所有放大级之后都有一个光隔离器。用于两个棒-光纤放大器级的泵浦源，为基于体积布拉格光栅、工作波长为976 nm的泵源。在对激光输出进行表征之前，功率放大器的输出通过两个双层台式压缩光栅。块状研所光栅的效率约为80%。

图2▲经过rod功率放大的压缩前后的信号光功率及模场直径，随泵浦功率的变化

图2显示了经过压缩后测量的平均信号功率，以及Amp5输出的信号光的模场直径MFD，随泵浦功率变化的函数，压缩前后斜效率为0.68和0.52。由于aeroGAIN-ROD是一种大芯单模光纤，数值孔径相应较小，这反过来又使NA容易受到热致折射率变化的影响，对于二氧化硅来说，变化约为≈1 × 10−5 K−1[15]。随着信号功率从0增加到248W，由于热透镜效应导致的纤芯发热，使得光纤的模场直径MFD，从60µm变化到50µm。

包括前端、功率放大器和压缩器在内的整个CPA系统的长期稳定性已连续测试超过4000小时，TMI是随时间累积的光子暗化的函数，导致纤维中沉积的热量增加，从而降低了TMI阈值[16,17]。在[16]中，PD过程的热负荷贡献占总热负荷的50%以上，这不能仅从短期试验中观察到。

图3▲经过压缩后的信号光功率，以及经过rod功率放大后的模场直径，随时间的变化

在长期测试的整个持续时间内，测量经压缩器输出功率的衰减约为10W，其中包括在测试的最初30小时内观察到的4W衰减，随后在接下来的4000小时内逐渐衰减6W，相当于每1000小时≈0.8%。

在长时间测试过程中，观察到MFD减少了2µm，对应于4%的相对变化。变化率似乎随着时间的推移而降低，并且在测试的最后1000多个小时中，MFD的变化甚至小于MFD值的测量不确定度。MFD的变化在于光纤芯折射率的逐渐变化，而折射率的变化又直接由PD诱导的折射率变化以及与PD诱导热负荷相关的热透镜的轻微增加引起。

0时、2075小时、4150小时的压缩后的自相关正割曲线、输出光谱以及Amp5放大后的强度轮廓如图4所示。再放大过程中积累的非线性相移导致了自相关曲线少量的强度边带，与再压缩的双曲正割曲线吻合。测试中大约每小时测试一次脉宽，CPA系统为实验台上的自由空间，脉宽值对周围环境敏感，尽管如此，大部分时间脉宽都在400fs以下，中位数约357fs。由于水冷控制在定温25度，放大级没有波动。

输出光谱每小时测一次，3dB和10dB带宽分别为5.5nm和9.6nm，各放大级的3dB谱宽分别为，种子光6.8nm、前端6.7nm、amp4-6.4nm、amp5-5.8nm，测试过程中谱宽稳定。可以看到由于压缩光栅，输出光谱的长波段陡然截止。非线性相移引起的光谱波动影响了再压缩。实验显示750kHz重频下，脉冲能量的增加，导致了更大的光谱强度波动以及脉冲时域边带，假设相移为零，脉宽值为330fs。

图4▲经过rod放大后的光谱，自相关曲线以及光斑轮廓

压缩后的M2通过逐点测量获得，M2x=1.21，M2y=1.17，像散0.07，非对称值1.15。图4显示了amp5后的M2x=1.04，M2y=1.04，像散0.02，非对称值1.03。rod放大级保证了良好的光束质量。

图5▲放大后的TMI光谱及功率随时间变化

图5显示了整个测试过程中amp5后输出光TMI的动态特征，利用ST-method[18]通过高速相机获得TMI动态细节。光谱图中多数峰值频率发生变化，这与强度调制相关，如图6所示，激光输出重频远高于相机的采样率，未被采样的不计。图5中离散线描述整体动态变化，与相机积分时间变化引起的系统开关有关。整体的长时间测试中，TMI值保持在可忽略的程度，包括强度调制峰值在内的最大值为-29dBc。事实上即使有一些图3所示的寄生的PD光子暗化产生，其附加的热负荷并未引起TMI信号，也佐证了aeroGAIN-ROD增加了TMI的产生阈值。上一代aeroGAIN-ROD相同条件下的TMI信号约为-15dBc，这与其他报道中TMI值相一致，本文中的新一代aeroGAIN-ROD展示了未受TMI限制的长时间稳定的功率。

图6▲TMI功率谱密度

总结：

报道了一个基于单芯棒状光纤的CPA系统，中心波长1030nm，脉宽357fs，重频750kHz，175W平均功率，233uJ，光束质量M2=1.21。也是目前最好的单模棒状光子晶体掺Yb光纤表现，并未由于光子暗化PD引起任何TMI信号的增加，使之超过4000小时放大到248W平均功率而未伴有TMI。这说明大芯径光子晶体光纤对于实现近衍射极限的MHz重频，百uJ超快激光放大器，是比较合适的技术。随着热管理技术和大芯径光纤工艺的发展，将会实现更高的功率。

审核编辑：彭菁