高精度同步飞秒和皮秒脉冲产生技术
发布时间：2021-03-21 10:10
设计了一款重复频率精确锁定的飞秒脉冲和皮秒脉冲双路输出光纤激光器。该激光器采用输出为近傅里叶变换极限的皮秒脉冲作为种子源,其脉冲宽度为21 ps,重复频率为40 MHz。该种子脉冲经1\:1分束后,分别注入飞秒和皮秒脉冲放大链路中。通过有效管理脉冲放大过程中的非线性和色散,实现了宽带光谱飞秒脉冲和窄带光谱皮秒脉冲的同步输出。其中,飞秒脉冲放大链路是将皮秒种子脉冲先经过单模光纤功率放大器,而后在50 m保偏单模光纤中利用自相位调制效应进行光谱展宽,光谱展宽至6.12 nm;进一步采用光栅对去啁啾后,得到了脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。皮秒脉冲放大链路的皮秒种子脉冲经过功率预放大、脉冲选单至10 MHz后,由200/40光子晶体光纤主放大器进行功率提升,得到了脉冲宽度为25 ps、单脉冲能量为1.4μJ、光谱宽度为0.86 nm的皮秒脉冲输出。此外,通过采用压电陶瓷精确控制和步进电机范围控制相结合的方式,实现了对皮秒种子源谐振腔重复频率的长时间精确锁定。激光器开启并达到热平衡后,8 h测量时间内重复频率峰峰值抖动小于3 mHz,标准偏差为0.31 mHz。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
实验装置图。
图2(a)显示了皮秒种子脉冲经过YDFA2和长度为50 m的PM980光纤后,光谱展宽与YDFA2中半导体激光器抽运功率的关系。当抽运功率分别为141.1、307.5、432.8 mW时,相应的光谱宽度依次为2.23、4.46、6.12 nm。当抽运功率为432.8 mW时,对皮秒脉冲去啁啾,如图2(b)所示,得到了高斯拟合后的脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。在皮秒放大链路中,皮秒脉冲经YDFA3进行功率放大后由AOM选频至10 MHz,选频后脉冲的平均功率为50.9 mW。其中,皮秒脉冲的光谱宽度展宽较为明显。通过进一步优化有源光纤和无源光纤长度,选频后脉冲的光谱宽度为0.41 nm,如图3(a)虚线所示。采用双包层光子晶体光纤放大器对该皮秒脉冲进行功率的进一步放大。当抽运光功率为38.5 W时,放大器的输出功率为13.6 W、斜率效率为35.3%,相应的光谱宽度为0.86 nm。由于脉冲光谱在频域上的变化,引起其时域上的展宽,如图3(a)插图所示,脉冲宽度为25 ps。图3(b)显示了光谱宽度与输出功率的关系,随着抽运功率的增加,光谱宽度与输出功率均呈线性增加。
在皮秒放大链路中,皮秒脉冲经YDFA3进行功率放大后由AOM选频至10 MHz,选频后脉冲的平均功率为50.9 mW。其中,皮秒脉冲的光谱宽度展宽较为明显。通过进一步优化有源光纤和无源光纤长度,选频后脉冲的光谱宽度为0.41 nm,如图3(a)虚线所示。采用双包层光子晶体光纤放大器对该皮秒脉冲进行功率的进一步放大。当抽运光功率为38.5 W时,放大器的输出功率为13.6 W、斜率效率为35.3%,相应的光谱宽度为0.86 nm。由于脉冲光谱在频域上的变化,引起其时域上的展宽,如图3(a)插图所示,脉冲宽度为25 ps。图3(b)显示了光谱宽度与输出功率的关系,随着抽运功率的增加,光谱宽度与输出功率均呈线性增加。为了降低种子脉冲的时间抖动,实验通过压电陶瓷的伸缩变化精密调节谐振腔几何腔长,锁定了锁模激光器的重复频率。其中,压电陶瓷在50 V工作电压变化下可以实现约为342 Hz的重复频率调节。当重复频率漂移大于342 Hz时,步进电机对重复频率提供171 Hz的粗补偿,以减少压电陶瓷的伸缩量。其中,步进电机的量程可以实现最大为135 kHz的重复频率调节范围,有利于实现谐振腔重复频率的长期锁定。图4显示了激光器从开机后,10 h范围内重复频率的锁定情况。在前2 h内,由于激光器内部未达到热平衡,且与周围环境的温度存在对流,重复频率在±30 mHz范围内抖动,相应的标准偏差为1.60 mHz;激光器预热2 h后,其重复频率峰峰值抖动基本小于3 mHz,仅偶尔出现10 mHz的抖动。第2～10 h内重复频率抖动的标准偏差为0.31 mHz。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用国产光纤实现平均功率761W、脉冲能量17.5mJ纳秒脉冲激光输出[J]. 王世杰,张志伦,曹驰,林贤峰,邢颍滨,廖雷,李进延. 中国激光. 2019(12)
[2]高功率飞秒自相似光纤激光放大系统[J]. 贺明洋,李敏,袁帅,黄坤,郭政儒,张青山,夏宇,曾和平. 中国激光. 2020(03)
[3]光纤式相干拉曼散射成像光源研究进展[J]. 郑世凯,杨康文,敖建鹏,叶蓬勃,郝强,黄坤,季敏标,曾和平. 中国激光. 2019(05)
[4]高功率超快光纤激光器研究进展[J]. 余霞,罗佳琪,肖晓晟,王攀. 中国激光. 2019(05)
[5]准相位匹配PPMgLN腔内倍频绿激光器研究进展[J]. 林洪沂,吴铭钰,孙栋,唐杰,阮剑剑. 激光与光电子学进展. 2019(19)
[6]基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对测距[J]. 王一霖,杨凌辉,林嘉睿,刘洋,邾继贵. 光学学报. 2019(01)
[7]用于大口径钛宝石放大器的四路钕玻璃抽运源[J]. 黄培,甘泽彪,李文启,於亮红,郭震,曹鹤,王建业,梁晓燕,李儒新. 中国激光. 2018(08)
[8]激光清洗用高功率纳秒脉冲掺镱光纤激光器[J]. 李磐,师红星,符聪,薛亚飞,邹岩,郑也,刘小溪,王军龙,王学锋. 激光与光电子学进展. 2018(12)
[9]基于LIBS技术的水体重金属连续在线检测方法[J]. 贾尧,赵南京,刘文清,方丽,马明俊,孟德硕. 中国激光. 2018(06)
[10]结构紧凑的kHz重复频率光纤-固体皮秒激光光源[J]. 赵明,郝强,郭政儒,曾和平. 中国激光. 2018(04)
本文编号：3092686
【文章来源】：中国激光. 2020,47(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
实验装置图。
图2(a)显示了皮秒种子脉冲经过YDFA2和长度为50 m的PM980光纤后,光谱展宽与YDFA2中半导体激光器抽运功率的关系。当抽运功率分别为141.1、307.5、432.8 mW时,相应的光谱宽度依次为2.23、4.46、6.12 nm。当抽运功率为432.8 mW时,对皮秒脉冲去啁啾,如图2(b)所示,得到了高斯拟合后的脉冲宽度为483 fs、平均功率为210 mW的飞秒脉冲输出。在皮秒放大链路中,皮秒脉冲经YDFA3进行功率放大后由AOM选频至10 MHz,选频后脉冲的平均功率为50.9 mW。其中,皮秒脉冲的光谱宽度展宽较为明显。通过进一步优化有源光纤和无源光纤长度,选频后脉冲的光谱宽度为0.41 nm,如图3(a)虚线所示。采用双包层光子晶体光纤放大器对该皮秒脉冲进行功率的进一步放大。当抽运光功率为38.5 W时,放大器的输出功率为13.6 W、斜率效率为35.3%,相应的光谱宽度为0.86 nm。由于脉冲光谱在频域上的变化,引起其时域上的展宽,如图3(a)插图所示,脉冲宽度为25 ps。图3(b)显示了光谱宽度与输出功率的关系,随着抽运功率的增加,光谱宽度与输出功率均呈线性增加。
在皮秒放大链路中,皮秒脉冲经YDFA3进行功率放大后由AOM选频至10 MHz,选频后脉冲的平均功率为50.9 mW。其中,皮秒脉冲的光谱宽度展宽较为明显。通过进一步优化有源光纤和无源光纤长度,选频后脉冲的光谱宽度为0.41 nm,如图3(a)虚线所示。采用双包层光子晶体光纤放大器对该皮秒脉冲进行功率的进一步放大。当抽运光功率为38.5 W时,放大器的输出功率为13.6 W、斜率效率为35.3%,相应的光谱宽度为0.86 nm。由于脉冲光谱在频域上的变化,引起其时域上的展宽,如图3(a)插图所示,脉冲宽度为25 ps。图3(b)显示了光谱宽度与输出功率的关系,随着抽运功率的增加,光谱宽度与输出功率均呈线性增加。为了降低种子脉冲的时间抖动,实验通过压电陶瓷的伸缩变化精密调节谐振腔几何腔长,锁定了锁模激光器的重复频率。其中,压电陶瓷在50 V工作电压变化下可以实现约为342 Hz的重复频率调节。当重复频率漂移大于342 Hz时,步进电机对重复频率提供171 Hz的粗补偿,以减少压电陶瓷的伸缩量。其中,步进电机的量程可以实现最大为135 kHz的重复频率调节范围,有利于实现谐振腔重复频率的长期锁定。图4显示了激光器从开机后,10 h范围内重复频率的锁定情况。在前2 h内,由于激光器内部未达到热平衡,且与周围环境的温度存在对流,重复频率在±30 mHz范围内抖动,相应的标准偏差为1.60 mHz;激光器预热2 h后,其重复频率峰峰值抖动基本小于3 mHz,仅偶尔出现10 mHz的抖动。第2～10 h内重复频率抖动的标准偏差为0.31 mHz。
【参考文献】：
期刊论文
[1]利用国产光纤实现平均功率761W、脉冲能量17.5mJ纳秒脉冲激光输出[J]. 王世杰,张志伦,曹驰,林贤峰,邢颍滨,廖雷,李进延. 中国激光. 2019(12)
[2]高功率飞秒自相似光纤激光放大系统[J]. 贺明洋,李敏,袁帅,黄坤,郭政儒,张青山,夏宇,曾和平. 中国激光. 2020(03)
[3]光纤式相干拉曼散射成像光源研究进展[J]. 郑世凯,杨康文,敖建鹏,叶蓬勃,郝强,黄坤,季敏标,曾和平. 中国激光. 2019(05)
[4]高功率超快光纤激光器研究进展[J]. 余霞,罗佳琪,肖晓晟,王攀. 中国激光. 2019(05)
[5]准相位匹配PPMgLN腔内倍频绿激光器研究进展[J]. 林洪沂,吴铭钰,孙栋,唐杰,阮剑剑. 激光与光电子学进展. 2019(19)
[6]基于飞秒光学频率梳相关探测的绝对测距[J]. 王一霖,杨凌辉,林嘉睿,刘洋,邾继贵. 光学学报. 2019(01)
[7]用于大口径钛宝石放大器的四路钕玻璃抽运源[J]. 黄培,甘泽彪,李文启,於亮红,郭震,曹鹤,王建业,梁晓燕,李儒新. 中国激光. 2018(08)
[8]激光清洗用高功率纳秒脉冲掺镱光纤激光器[J]. 李磐,师红星,符聪,薛亚飞,邹岩,郑也,刘小溪,王军龙,王学锋. 激光与光电子学进展. 2018(12)
[9]基于LIBS技术的水体重金属连续在线检测方法[J]. 贾尧,赵南京,刘文清,方丽,马明俊,孟德硕. 中国激光. 2018(06)
[10]结构紧凑的kHz重复频率光纤-固体皮秒激光光源[J]. 赵明,郝强,郭政儒,曾和平. 中国激光. 2018(04)
本文编号：3092686
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