CN101436749A - 一种高重复频率、高功率光学频率梳的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种获得高功率光学频率梳的方法，该方法采用至少四级光纤级联放大的方法，包括预放大系统、主放大系统，所述预放大系统包括至少两个掺镱单模光纤放大器，所述主放大系统包括至少两个大模场掺镱双包层光纤主放大器，将信号激光注入到一根普通的单模光纤中，然后连接波分复用器(WDM)后将激光引入预放大系统、主放大系统中进行放大，其优点在于可以将极低平均功率的光频梳激光放大到超过百瓦量级，大大降低了对种子光频梳激光功率的要求，结构简单，便于操作。

Description

一种高重复频率、高功率光学频率梳的产生方法

技术领域

本发明涉及超快激光技术方向，具体的讲是将高重复、高功率频率光学频率梳激光放大的新方法。

背景技术

当前光学领域的研究正在向10^-18的频率标准精度、10^-18秒(阿秒)的时间分辨精度推进，精密光谱学已成为一系列超越传统物理的重大基本科学问题探索与高新技术发展的新基点，并与21世纪最为关注的信息、生命、材料、环境、航空航天等科学领域的发展息息相关。在精密光谱的时间超高分辨方面，人类于1980年前后开始进入飞秒(10^-15s)超快时代，最近几年来，为实现时间超高分辨的超快光学与光谱学正在进行着从飞秒向亚飞秒至阿秒的跨越。利用超短激光的高次谐波产生、分子调制的受激Raman过程等新技术已可以突破1fs的时间极限。值得注意的是，由于超短脉冲的频谱宽度和脉冲时间宽度是一对相互制约的物理量，一直未找到能同时实现时-频域高分辨的光谱探测方法。直到20世纪末，科学家通过对飞秒激光稳频技术的研究、超快激光的载波位相的精确控制突破了光场时域和频域研究领域的隔阂，实现了对光场时-频域同时精密控制和飞秒光学频率梳，进而可发展时域和频域同时具有超高分辨率的光谱探测，极大地提升基于超快激光的精密光谱学的技术手段和应用范畴。J.L.Hall和T.W.Hansch因为在飞秒光学频率梳方面的杰出工作获得了2005年的诺贝尔奖。

下面通过飞秒锁模激光器简要介绍光学频率梳的原理。飞秒锁模激光器采用宽带增益介质，运用锁模技术锁定激光模式，激光器输出为时间上等间距的短脉冲序列。对其应用傅立叶变换可以在频域得到等间距的频谱，则这些等间距的频谱在激光增益介质增益线型内形成“光频梳”。相邻纵模的平率间距为f＝c/2L，这里c为光速，L为谐振腔腔长。f一般为几十到一百兆赫兹量级，属于微波频率的范围，但是由于脉冲的相速度与脉冲包络的群速度不一致，这样在以f为坐标的轴向上，接近第N个坐标的纵模，其绝对频率可以表示为：

f(N)＝f₀+Nf_rep

这里N为整数，f₀为光频梳的频率起点的偏置频率。目前利用掺钛蓝宝石激光器所产生的飞秒激光脉冲，利用色散补偿技术已可以将输出脉冲压缩到5fs。由于脉宽压缩到了5fs，载波波长的激光振荡的时间还不到2个光周期，这样就必须考虑载波相位Δφ变化的问题。由于载波相位与光频梳的频率起点的偏置频率f₀存在着f₀＝2πΔφ/f的关系，所以对载波相位的测量就等价于对光频梳的频率起点的偏置频率的测量。采用光子晶体光纤把与脉冲宽度为5fs激光的光谱，利用光子晶体光纤中的自相位调制效应，将光谱展宽到大于一个倍频程，也就是同时包含基波波长与倍频光波长的超宽光谱，覆盖500nm～1200nm的谱区，这样经过差拍光谱长波部分的倍频光与光谱中的短波部分，就可以精确地测量到f₀。J.L.Hall教授的研究小组就是采用这种技术，第一次实现了光学频率与微波频率的直接连接，并且成功的测量了778nm钛宝石激光的精确波长。

目前，科学家对光学频率梳的研究主要集中于掺钛蓝宝石激光振荡器振荡器，而这种激光振荡器的平均输出功率为300mW左右，一般很难超过500mW，原因不仅在于激光振荡器本身输出的平均功率就十分有限，而且这种梳状频率结构的激光输出需要很大一部分的输出能量进行反馈控制。当把这种光学频率梳推进并发展到更高准确度和更高频率的紫外光波段的时候，光频梳激光的平均功率的大小显的尤为重要。由于高次谐波的产生效率及其低，那么就需要在可见波段的光学频率梳有可观的平均功率。这种高平均功率的产生仅仅依靠振荡器的功率输出是远远不够的。但是，传统的激光放大介质和放大方法在应对这种百兆赫兹重复频率的梳状脉冲时，热效应的累积成为不可逾越的障碍。而采用外腔增强的方法，需要精细的外腔结构设计和调整，高质量光学镜片抛光和镀膜，精确腔内色散控制和补偿，使得研制过程十分困难。为了满足在紫外非线性光学、阿秒脉冲的产生和极紫外光学频率梳的产生等等的实验需求，目前，国际上竞相开展了大功率光学频率梳的实验研究，已有的最先进的大功率飞秒光学频率梳的平均功率也只达到10W(JILA USA研制)。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种获得高功率光学频率梳的方法，该方法利用掺镱单模光纤和大模场双包层光纤的高增益，对掺钛蓝宝石激光器输出的光频梳激光的红外1微米以上的部分进行放大，从而获得平均功率超过百瓦的光学频率梳。

本发明目的的实现由以下技术方案完成：

一种获得高功率光学频率梳的方法，其特征在于：采用至少四级光纤级联放大的方法，包括预放大系统、主放大系统，所述预放大系统包括至少两个掺镱单模光纤放大器，所述主放大系统包括至少两个大模场掺镱双包层光纤放大器，以掺钛蓝宝石激光器输出的光频梳激光(脉冲宽度7fs)为种子光，将输出光谱在1000-1100nm附近的光注入到一根普通的单模光纤中，普通单模光纤连接波分复用器(WDM)后将激光引入预放大系统中的第一级单模光纤放大器，之后顺序经过第二级单模光纤放大器、主放大系统中的第一级双包层光纤放大器及第二级双包层光纤放大器，通过放大系统将光频梳激光的平均功率从毫瓦量级提高到超过百瓦，其中自发放大辐射的抑制主要由第一级单模光纤放大器来完成，通过测量放大后激光的偏振消光比和光谱噪声抑制比可以检测放大噪声的抑制程度。

本发明的优点在于可以将极低平均功率的光频梳激光放大到超过百瓦量级，获得大功率光频梳是传统激光放大器及强增强技术无法实现的能量尺度。实现技术上大大降低了对种子光频梳激光功率的要求，实验方案结构简单，便于操作。

附图概述

附图1本发明进行光频梳激光放大的原理框架图；

附图2本发明实施例具体光路结构原理图。

具体实施方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1、2所示，图中标号分别表示：信号激光器Ti:sapphire、双色镜DM1、高反镜HR1、透镜L1、隔离器OI1、0.6米掺镱单模光纤YDSF、波分复用器WDM1、980nm激光二极管980nm diode laser 1、隔离器OI2、2米掺镱单模光纤YDSF、波分复用器WDM2、980nm激光二极管980nm diode laser 2、透镜L2、高反镜HR2、高反镜HR3、半波片HWP、隔离器OI3、透镜L3、1.2米大模场掺镱双包层光纤LMA-YDCF、透镜L4、双色镜DM2、透镜L5、980nm激光二极管980nm diode laser 3、高反镜HR4、半波片HWP、隔离器OI4、透镜L6、1.5米大模场掺镱双包层光纤LMA-YDCF、透镜L7、双色镜DM3、透镜L8、980nm激光二极管980nm diode laser 4、高反镜HR5、测量系统及主要应用OPCPA系统Measurement OPCPA system.

所述的掺镱单模光纤为掺杂镱离子的增益光纤，可提供1微米到1.1微米波长范围的增益，增益带宽接近100纳米。

所述的掺镱双包层光纤为掺杂镱离子的特种光纤，可提供1微米到1.1微米波长范围的增益。特种光纤由四个层次组成：①光纤芯；②内包层；③外包层；④保护层。将泵浦激光光耦合到内包层(内包层一般采用异形结构，有椭圆形、方形、梅花形、D形及其六边形等等)，光在内包层和外包层(一般设计为圆形)之间来回反射，多次穿过单模纤芯被其吸收。这种结构的光纤不要求泵光是单模激光，而且可对光纤的全长度泵浦，因此可选用大功率的多模激光二极管阵列作泵源，将约70％以上的泵浦能量间接地耦合到纤芯内，大大提高了泵浦效率。种子光在内包层传输，且被来回弹射与内包层的泵浦激光不断放大。

本实施例步骤如附图1所示：将掺钛蓝宝石激光输出的光频梳激光的用双色镜分束，选出其中1.0微米以上的光频梳部分注入单模光纤预放大系统进行放大，放大后的光梳再注入大模场掺镱双包层光纤主放大系统进行放大，输出高功率光学频率梳。

本实施例具体步骤是：

(1)如附图2所示，根据要求，选用商售的载波相位(CEP)稳定的钛蓝宝石激光振荡器，其输出脉冲激光为小功率的光学频率梳。实验采用的方法是，将CEP稳定的钛宝石激光器输出的光频梳激光的用双色镜分束，选出其中1.0微米以上的光频梳部分注入一个单模光纤。

(2)光频梳激光由单模光纤经过波分复用器(WDM)引入第一级掺镱单模光纤放大器。掺镱单模光纤放大器主要由两部分组成：增益光纤、泵浦源。功率放大器采用反向泵浦方式，以达到抑制ASE产生。采用合适长度的增益光纤，以达到足够的增益。经过第一级单模光纤放大器，光频梳激光的平均功率由0.1毫瓦可放大到约10毫瓦，放大过程中无自发放大辐射产生。

(3)第二级掺镱单模光纤放大器同样采用与第一级放大同样的结构，光频梳激光的平均功率可由10毫瓦提升至百毫瓦的量级。

(4)通过空间透镜耦合，将初步放大得到的百毫瓦量级的光频梳激光经一透镜聚焦，耦合入第一级大模场掺镱双包层光纤放大器进行放大。大模场掺镱双包层光纤放大器主要由三部分组成：耦合系统、增益光纤、泵浦源。增益光纤采用大模场掺镱双包层光纤。泵浦源为尾纤式半导体激光二极管器，中心波长为976nm。采用凸透镜将种子光耦合进光纤，达到较高的耦合效率；泵浦光的耦合采用两个非球面透镜，经过整形的抽运光光斑完全符合增益光纤内包层的参数需求。放大的激光由一片45°双色镜输出。经第一级大模场掺镱双包层光纤放大器进行放大后，光频梳激光的平均功率可提升至10瓦。

(5)将10瓦的光频梳激光注入第二级大模场掺镱双包层光纤放大器。采用与第一级大模场掺镱双包层光纤放大器相同的结构，采用高功率的半导体激光泵浦，可获得的光频梳激光的平均功率将超过百瓦量级。

整个放大过程可由光谱仪、频谱仪及示波器监测，观察是否有光谱抖动及非线性效应的产生。

Claims (3)

1、一种高重复频率、高功率光学频率梳的产生方法，其特征在于：采用至少四级光纤级联放大的方法，包括预放大系统、主放大系统，所述预放大系统包括至少两个掺镱单模光纤放大器，所述主放大系统包括至少两个大模场掺镱双包层光纤主放大器，信号激光器所输出的光学频率梳激光经普通单模光纤连接波分复用器(WDM)引入预放大系统中的第一级单模光纤放大器，之后顺序经过第二级单模光纤放大器、主放大系统中的第一级双包层光纤放大器及第二级双包层光纤放大器，通过放大系统将光频梳激光的平均功率从亚毫瓦量级提高到超过百瓦。

2、根据权利要求1所述的一种高重复频率、高功率光学频率梳的产生方法，其特征在于所述的信号激光器所输出的光学频率梳激光为脉冲宽度达到几个光学振荡周期，输出光谱覆盖了1000-1100nm的激光。

3、根据权利要求1所述的一种高重复频率、高功率光学频率梳的产生方法，其特征在于所述预放大系统中的第一级单模光纤放大器将光频梳激光的平均功率从亚毫瓦量级提高10毫瓦，进而经过第二级单模光纤放大器达到百毫瓦，然后通过主放大系统中的第一级双包层光纤放大器达到10瓦，最后光频梳激光通过主放大系统中的第二级双包层光纤放大器的平均功率提高到超过百瓦。

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