于振华

摘要：采用啁啾脉冲放大技术搭建了全光纤飞秒激光放大器。平均功率20 mW，脉冲宽度127 fs，中心波长为1574 nm的种子脉冲，放大到平均功率758 mW，输出脉冲宽度为174 fs，重复频率为177.6 MHz，单脉冲能量为4 nJ，峰值功率为24.5 kW。

关键词：光纤激光器;超快激光;飞秒

超快激光实际应用中，对超短脉冲的单脉冲能量、峰值功率都有较高的要求，振荡器结构很难实现。为了解决这一难题，必须对振荡器输出的脉冲进行放大【1-4】。放大过程中飞秒脉冲由于高峰值功率所带来的非线性效应极易产生拉曼频移和脉冲分裂，不利于高脉冲能量和高峰值功率的获得。啁啾脉冲放大技术可以解决这一难题。啁啾脉冲放大的原理为：在脉冲进行放大之前，使脉冲展宽，其峰值功率明显降低，再进行放大，放大后的脉冲再经过光栅对、光纤光栅、棱镜对或者色散位移光纤将脉冲压缩，获得窄脉冲，高功率输出。

一、全光纤啁啾脉冲放大器

受实验条件的限制，实验中主要研究了低脉冲能量下的全光纤啁啾脉冲放大器。实验中利用色散位移光纤对脉冲展宽，利用普通单模光纤对脉冲进行了压缩。图1为啁啾脉冲放大器装置图，主要包括：飞秒种子源、展宽部分、第一级放大、第二级放大、压缩部分。

飞秒种子源为实验室自行研制的利用碳纳米管为可饱和吸收体的飞秒掺铒光纤激光器，脉冲宽度为127 fs，光谱宽度为34.5 nm，最大输出功率为20 mW，输出波长为1571 nm。

二、展宽过程

展宽部分种子源经过40米色散位移光纤（DCF）进行展宽。色散位移光纤色散为49 ps2/km，纤芯直径为5 m。色散位移光纤的纤芯与种子光的纤芯（8 m）差比较多，熔接损耗比较大。熔接后耦合入色散位移光纤的光功率为10 mW。经过色散展宽以后的脉冲宽度为59 ps。

三、放大过程

将展宽后的脉冲进行第一级放大，用的增益光纤为单模掺铒增益光纤，长度为60 cm，在976 nm处的吸收为50 dB/m。泵浦源为976 nm半导体激光器。在最大泵浦功率500 mW的时，放大器输出功率为60 mW。放大后测试了脉冲自相关曲线和光谱。其中，脉冲宽度为43 ps。相比于放大前的59 ps，脉冲宽度被压窄。这主要是由于在第一级放大过程中有负色散光纤起到了色散补偿的作用。光谱宽度为23.4 nm，相比于种子光的光谱34.5 nm减小了11.1 nm，这主要是由于在放大过程中增益光纤在长波段的增益小于其短波段的增益，导致长波段的波长成份未被同比例放大。这就是放大过程中的增益窄化效应。

将第一级放大得到的脉冲直接注入第二级放大器。第二级放大器的泵浦源为976 nm半导体激光器，最大输出功率为8 W，光纖耦合输出，所用的光纤为多模光纤，直径为100 m。泵浦光和信号光通过一个（2+1）×1的合束器耦合进增益光纤。增益光纤为双包层单模铒镱共掺增益光纤，纤芯的直径为6 m，内包层为125 m，光纤长度为7米。泵浦方式采用的是包层泵浦，泵浦光在包层传输时的吸收为3 dB/m。

第二级在放大过程中，光谱的短波方向的激光放大倍数要高于中心波长处。当泵浦功率达到4 W以后，光谱的短波区的强度与中心波长相似。当泵浦光继续增加时，短波段的光谱强度明显高于中心波长。这些后来得到放大的短波段波长积累的啁啾是非线性的，将来压缩时是难以压缩的。从泵浦功率为4 W开始，脉冲的两翼开始变高，这是因为在高功率泵浦的情况下，脉冲峰值部位的增益达到饱和，此时的泵浦光能量主要转移到脉冲两侧低功率部分，所以导致脉冲的两侧的强度逐渐增加。

从第二级放大输出的脉冲自相关曲线可以看出，放大后的脉冲宽度大约为700 fs。如此窄的脉冲宽度是造成峰值部位增益饱和的主要原因。脉冲在第二级放大前的脉冲宽度为43 ps，但是经过放大后脉冲宽度为700 fs。这是因为放大过程中所用的光纤的色散均为负色散，这与初期展宽色散位移光纤的色散是相反的，所以在放大的过程中导致了脉冲的压缩。

四、压缩过程

最后采用SMF-28单模光纤对放大后的脉冲进行了压缩。压缩后脉冲存在一个比较大的底座。这个底座是由于放大过程中光谱边缘成分带有非线性啁啾，而非线性啁啾在压缩过程中是不能被压缩回去的。通过图2可以看出，当单模光纤为7米时底座最小，压缩效果最好。

最佳压缩状态下，脉冲宽度为174 fs，比种子光的脉冲宽度127 fs略大。这主要是由于光谱中含有非线性啁啾成分造成的。压缩光谱和种子光谱的光谱宽度分别为30 nm和34.5 nm。在最大泵浦功率8 W时，最大输出功率为758 mW，单脉冲能量为4 nJ，峰值功率为24.5 kW。

五、小结

采用啁啾脉冲放大技术搭建了全光纤飞秒激光放大器。平均功率20 mW，脉冲宽度127 fs，中心波长为1574 nm的种子脉冲，放大到平均功率758 mW，输出脉冲宽度为174 fs，重复频率为177.6 MHz，单脉冲能量为4 nJ，峰值功率为24.5 kW。

参考文献：

[1] 杨康文.  超短脉冲偏振分割放大技术研究进展[J].红外与激光工程. 2018（47）

[2] 刘东峰. 高功率飞秒全固化光纤激光器与放大器系统-实用化的超快光源 [J]. 激光与光电子学进展. 1999（01）

[3] 邢岐荣.  采用光谱展宽技术的钛宝石飞秒激光放大器[J]. 光学学报. 2003（10）

[4] 王兆华.  提高飞秒超强激光脉冲对比度的新方法[J]. 实验技术. 2007（36）