摘要：

本文報(bào)道了一種基于光纖的啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用塊狀投射光柵壓縮脈寬到357fs，平均功率為175W，脈沖能量為233μJ，被壓縮脈沖序列光束質(zhì)量1.21。該功率放大器基于最先進(jìn)的單模光子晶體棒型摻鐿光纖，實(shí)現(xiàn)平均功率248W，重復(fù)頻率750kHz。對(duì)激光系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了超過4000小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，沒有顯示出橫向模不穩(wěn)定(TMI)的跡象。

光纖放大器已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，光纖的大表面體積比及其在熱管理方面的優(yōu)勢(shì)，平均功率不斷提升，同時(shí)保持了接近衍射極限的光束質(zhì)量。然而，由于傳統(tǒng)增益光纖具有較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度和相對(duì)較小的有效面積，光學(xué)非線性成為阻礙功率提升的一個(gè)嚴(yán)重問題。非線性效應(yīng)的閾值可以通過增加有源光纖有效模場(chǎng)面積和增加泵浦吸收來提高，減小放大器的有效長(zhǎng)度[1,2]。降低非線性效應(yīng)的另一種方法是通過使用啁啾脈沖放大(CPA)方案來降低光纖中的強(qiáng)度，該方案基于在放大階段之前展寬脈沖，再壓縮[3]。通過多通道放大系統(tǒng)的相干光束組合[4]或多芯光纖[5]，可以實(shí)現(xiàn)接近衍射極限輸出的進(jìn)一步功率放大。光纖放大器的另一個(gè)限制是橫向模式不穩(wěn)定(TMI)，限制了在保持穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)可以提取的平均功率。如果放大器中的TMI顯著，則會(huì)影響光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，輸出模式將包含大量的高階模式，從而降低激光輸出的質(zhì)量。除其他因素外，TMI的發(fā)生與光纖長(zhǎng)度的熱負(fù)荷和高階模式(HOMs)的有限抑制有關(guān)-4。因此，降TMI的方法包括減少熱負(fù)荷以及確保強(qiáng)抑制HOMs的波導(dǎo)設(shè)計(jì)。

本文中

我們關(guān)注單通道放大器的功率放大，并利用CPA方案以及TMI閾值遠(yuǎn)高于平均功率250 W的摻鐿棒-光纖放大器的大有效面積，先前發(fā)表的基于單通道光纖的CPA系統(tǒng)的個(gè)別報(bào)告顯示，平均功率超過100W[11]，脈寬400fs[12,13]，脈沖能量超過150μJ[14]。最好是將高脈沖能級(jí)與接近兆赫的重復(fù)率結(jié)合起來。在文中我們展示了一個(gè)單通道CPA系統(tǒng)，其脈沖能量為233μJ，工作在750kHz的重復(fù)率，這是前所未有的數(shù)據(jù)。平均功率為175W，脈寬357fs，再壓縮后的光束質(zhì)量1.21。

圖1▲利用Rod功率放大的CPA系統(tǒng)

完整的CPA系統(tǒng)如圖1所示，包括前端、基于PCF棒的功率放大器和壓縮器，在壓縮器之后，根據(jù)功率分析輸出。前端包括一個(gè)鎖模種子激光器，提供170fs脈沖序列，中心波長(zhǎng)為1029nm，重復(fù)頻率為40MHz。種子激光器的脈沖經(jīng)過雙光纖Bragg光柵展寬，再經(jīng)過聲光調(diào)制器(AOM)，將脈沖重復(fù)率降低到750kHz，以及兩個(gè)附加的光纖放大器。降低重復(fù)頻率以增加脈沖能量。Amp1和Amp2都是標(biāo)準(zhǔn)的6μm纖芯泵浦階躍折射率單模光纖放大器，而Amp3基于雙包層摻鐿光纖(NKT Photonics的DC-135/14-PM-Yb)。光纖前端部分提供500mw的輸出功率，脈寬1.5ns。前端的輸出自由空間耦合到第一個(gè)棒-光纖放大器(Amp4)，該放大器提供25W的輸出功率，耦合到第二個(gè)棒-光纖放大器Amp5)，其中信號(hào)被進(jìn)一步放大到248w，對(duì)應(yīng)于脈沖能量333μJ和峰值功率216kW。Amp4基于標(biāo)準(zhǔn)的商用aeroGAIN-ROD(來自NKT Photonics的aeroGAINROD-PM85)，而Amp5中使用的棒狀光纖是aeroGAIN-ROD的改進(jìn)版本，用于抑制TMI并放大功率。Amp4和Amp5上使用的兩種光纖纖芯均為85um，260um的光子晶體包層泵浦結(jié)構(gòu)。無熱負(fù)荷情況下，兩種棒狀光纖的無源模場(chǎng)直徑(MFD)在1030nm處為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，在所有放大級(jí)之后都有一個(gè)光隔離器。用于兩個(gè)棒-光纖放大器級(jí)的泵浦源，為基于體積布拉格光柵、工作波長(zhǎng)為976 nm的泵源。在對(duì)激光輸出進(jìn)行表征之前，功率放大器的輸出通過兩個(gè)雙層臺(tái)式壓縮光柵。塊狀研所光柵的效率約為80%。

圖2▲經(jīng)過rod功率放大的壓縮前后的信號(hào)光功率及模場(chǎng)直徑，隨泵浦功率的變化

圖2顯示了經(jīng)過壓縮后測(cè)量的平均信號(hào)功率，以及Amp5輸出的信號(hào)光的模場(chǎng)直徑MFD，隨泵浦功率變化的函數(shù)，壓縮前后斜效率為0.68和0.52。由于aeroGAIN-ROD是一種大芯單模光纖，數(shù)值孔徑相應(yīng)較小，這反過來又使NA容易受到熱致折射率變化的影響，對(duì)于二氧化硅來說，變化約為≈1 × 10?5K?1[15]。隨著信號(hào)功率從0增加到248W，由于熱透鏡效應(yīng)導(dǎo)致的纖芯發(fā)熱，使得光纖的模場(chǎng)直徑MFD，從60μm變化到50μm。

包括前端、功率放大器和壓縮器在內(nèi)的整個(gè)CPA系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性已連續(xù)測(cè)試超過4000小時(shí)，TMI是隨時(shí)間累積的光子暗化的函數(shù)，導(dǎo)致纖維中沉積的熱量增加，從而降低了TMI閾值[16,17]。在[16]中，PD過程的熱負(fù)荷貢獻(xiàn)占總熱負(fù)荷的50%以上，這不能僅從短期試驗(yàn)中觀察到。

圖3▲經(jīng)過壓縮后的信號(hào)光功率，以及經(jīng)過rod功率放大后的模場(chǎng)直徑，隨時(shí)間的變化

在長(zhǎng)期測(cè)試的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量經(jīng)壓縮器輸出功率的衰減約為10W，其中包括在測(cè)試的最初30小時(shí)內(nèi)觀察到的4W衰減，隨后在接下來的4000小時(shí)內(nèi)逐漸衰減6W，相當(dāng)于每1000小時(shí)≈0.8%。

在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試過程中，觀察到MFD減少了2μm，對(duì)應(yīng)于4%的相對(duì)變化。變化率似乎隨著時(shí)間的推移而降低，并且在測(cè)試的最后1000多個(gè)小時(shí)中，MFD的變化甚至小于MFD值的測(cè)量不確定度。MFD的變化在于光纖芯折射率的逐漸變化，而折射率的變化又直接由PD誘導(dǎo)的折射率變化以及與PD誘導(dǎo)熱負(fù)荷相關(guān)的熱透鏡的輕微增加引起。

0時(shí)、2075小時(shí)、4150小時(shí)的壓縮后的自相關(guān)正割曲線、輸出光譜以及Amp5放大后的強(qiáng)度輪廓如圖4所示。再放大過程中積累的非線性相移導(dǎo)致了自相關(guān)曲線少量的強(qiáng)度邊帶，與再壓縮的雙曲正割曲線吻合。測(cè)試中大約每小時(shí)測(cè)試一次脈寬，CPA系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的自由空間，脈寬值對(duì)周圍環(huán)境敏感，盡管如此，大部分時(shí)間脈寬都在400fs以下，中位數(shù)約357fs。由于水冷控制在定溫25度，放大級(jí)沒有波動(dòng)。

輸出光譜每小時(shí)測(cè)一次，3dB和10dB帶寬分別為5.5nm和9.6nm，各放大級(jí)的3dB譜寬分別為，種子光6.8nm、前端6.7nm、amp4-6.4nm、amp5-5.8nm，測(cè)試過程中譜寬穩(wěn)定?？梢钥吹接捎趬嚎s光柵，輸出光譜的長(zhǎng)波段陡然截止。非線性相移引起的光譜波動(dòng)影響了再壓縮。實(shí)驗(yàn)顯示750kHz重頻下，脈沖能量的增加，導(dǎo)致了更大的光譜強(qiáng)度波動(dòng)以及脈沖時(shí)域邊帶，假設(shè)相移為零，脈寬值為330fs。

圖4▲經(jīng)過rod放大后的光譜，自相關(guān)曲線以及光斑輪廓

壓縮后的M2通過逐點(diǎn)測(cè)量獲得，M2x=1.21，M2y=1.17，像散0.07，非對(duì)稱值1.15。圖4顯示了amp5后的M2x=1.04，M2y=1.04，像散0.02，非對(duì)稱值1.03。rod放大級(jí)保證了良好的光束質(zhì)量。

圖5▲放大后的TMI光譜及功率隨時(shí)間變化

圖5顯示了整個(gè)測(cè)試過程中amp5后輸出光TMI的動(dòng)態(tài)特征，利用ST-method[18]通過高速相機(jī)獲得TMI動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)。光譜圖中多數(shù)峰值頻率發(fā)生變化，這與強(qiáng)度調(diào)制相關(guān)，如圖6所示，激光輸出重頻遠(yuǎn)高于相機(jī)的采樣率，未被采樣的不計(jì)。圖5中離散線描述整體動(dòng)態(tài)變化，與相機(jī)積分時(shí)間變化引起的系統(tǒng)開關(guān)有關(guān)。整體的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中，TMI值保持在可忽略的程度，包括強(qiáng)度調(diào)制峰值在內(nèi)的最大值為-29dBc。事實(shí)上即使有一些圖3所示的寄生的PD光子暗化產(chǎn)生，其附加的熱負(fù)荷并未引起TMI信號(hào)，也佐證了aeroGAIN-ROD增加了TMI的產(chǎn)生閾值。上一代aeroGAIN-ROD相同條件下的TMI信號(hào)約為-15dBc，這與其他報(bào)道中TMI值相一致，本文中的新一代aeroGAIN-ROD展示了未受TMI限制的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的功率。

圖6▲TMI功率譜密度

總結(jié)：

報(bào)道了一個(gè)基于單芯棒狀光纖的CPA系統(tǒng)，中心波長(zhǎng)1030nm，脈寬357fs，重頻750kHz，175W平均功率，233uJ，光束質(zhì)量M2=1.21。也是目前最好的單模棒狀光子晶體摻Y(jié)b光纖表現(xiàn)，并未由于光子暗化PD引起任何TMI信號(hào)的增加，使之超過4000小時(shí)放大到248W平均功率而未伴有TMI。這說明大芯徑光子晶體光纖對(duì)于實(shí)現(xiàn)近衍射極限的MHz重頻，百uJ超快激光放大器，是比較合適的技術(shù)。隨著熱管理技術(shù)和大芯徑光纖工藝的發(fā)展，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的功率。

高功率摻鐿棒狀光纖增益模塊

新ROD平均額定功率可達(dá) 250W 

高光束質(zhì)量、大模場(chǎng)面積、高TMI閾值

是高功率超快激光的理想選擇!

參考文獻(xiàn)

1. D. J. Richardson, J. Nilsson, and W. A. Clarkson, J. Opt. Soc. Am. B 27, B63 (2010).

2. T. T. Alkeskjold, M. Laurila, L. Scolari, and J. Broeng, Opt. Express 19, 7398 (2011).

3. D. Strickland and G. Mourou, Opt. Commun. 55, 447 (1985).

4. M. Müller, C. Aleshire, A. Klenke, E. Haddad, F. Légaré, A. Tünnermann, and J. Limpert, Opt. Lett. 45, 3083 (2020).

5. C. Aleshire, A. Steinkopff, A. Klenke, C. Jáuregui, S. Kuhn, J. Nold, N. Haarlammert, T. Schreiber, and J. Limpert, Opt. Lett. 47, 1725 (2022).

6. T. Eidam, C. Wirth, C. Jauregui, F. Stutzki, F. Jansen, H.-J. Otto, O. Schmidt, T. Schreiber, J. Limpert, and A. Tünnermann, Opt. Express 19, 13218 (2011).

7. H.-J. Otto, F. Stutzki, F. Jansen, T. Eidam, C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tünnermann, Opt. Express 20, 15710 (2012).

8. M. M. Johansen, M. Laurila, M. D. Maack, D. Noordegraaf, C. Jakobsen, T. T. Alkeskjold, and J. Laegsgaard, Opt. Express 21, 21847 (2013).

9. K. R. Hansen, T. T. Alkeskjold, J. Broeng, and J. Laegsgaard, Opt. Express 21, 1944 (2013).

10. F. Kong, J. Xue, R. H. Stolen, and L. Dong, Optica 3, 975 (2016).

11. M. Wang, P. Li, S. Li, Y. Xu, and C. Yao, Optik 253, 168597 (2022).

12. K. Kim, X. Peng, W. Lee, S. Gee, M. Mielke, T. Luo, L. Pan, Q. Wang, and S. Jiang, Opt. Express 23, 4766 (2015).

13. X. Li, M. A. R. Reber, C. Corder, Y. Chen, P. Zhao, and T. K. Allison, Rev. Sci. Instrum. 87, 093114 (2016).

14. F. Li, W. Zhao, Y. Wang, N. Wang, Q. Li, Y. Yang, and W. Wen, Opt. Laser Technol. 147, 107684 (2022).

15. P. Dragic, M. Cavillon, and J. Ballato, Opt. Mater. Express 7, 3654 (2017).

16. C. Jauregui, H.-J. Otto, F. Stutzki, J. Limpert, and A. Tünnermann, Opt. Express 23, 20203 (2015).

17. M. M. Johansen, M. Michieletto, T. Kristensen, T. T. Alkeskjold, and J. Laegsgaard, Proc. SPIE 9728, 97280I (2016).

18. S. L. Christensen, M. M. Johansen, M. Michieletto, M. Triches, M. D. Maack, and J. Laegsgaard, Opt. Express 28, 26690 (2020).

19. F. Jansen, F. Stutzki, H.-J. Otto, T. Eidam, A. Liem, C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tünnermann, Opt. Express 20, 3997 (2012).

20. M.-A. Malleville, A. Beno?t, R. Dauliat, B. Leconte, D. Darwich, R. duJeu, R. Jamier, A. Schwuchow, K. Schuster, and P. Roy, Proc. SPIE10512, 1051206(2018)