百皮秒激光脉冲的全光纤放大及应用

孙若愚，刘 江，谭方舟，王 璞

（北京工业大学激光工程研究院，北京00124）

百皮秒激光脉冲的全光纤放大及应用

孙若愚，刘 江，谭方舟，王 璞*

（北京工业大学激光工程研究院，北京00124）

为了得到高单脉冲能量的百皮秒激光脉冲，采用自制的被动锁模掺镱光纤激光器获得了100ps的激光脉冲输出，在此基础上采用两级全光纤结构主振荡功率放大器进行功率放大，其中预放大级采用7μm纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质，得到平均功率160mW的稳定脉冲输出；主放大级采用20μm纤芯的双包层掺镱光纤做增益介质，在抽运功率逐步增加到35.37W时，输出功率达到了16.60W，相应的单脉冲能量为1.63μJ，峰值功率为16.61kW。此外，主放大级输出的激光通过自制的模场转换器与光子晶体光纤（纤芯4.6μm）成功熔接，得到了2.85W的白光超连续光谱，光谱波长覆盖了600nm～1700nm的检测范围。结果表明，此激光可用于超连续谱光源的产生。

光纤光学；主振荡功率放大器；高脉冲能量；白光超连续谱

引 言

与纳秒脉冲相比，皮秒脉冲激光因为有更小的热响应区、更快的加工速度和更高的加工质量，在激光微加工领域中显示出更大的优势［1］，因此引起了国内外研究者的极大兴趣。如今，拥有高脉冲能量的皮秒激光器已成功应用于太阳能电池的制造、硅电路板的刻画及薄膜移除等特种加工［2］，但所用的多是晶体或准分子激光器。相对于晶体和准分子激光器，光纤皮秒激光器有着体积小、操作简便、稳定性好以及灵活性高等优点。目前，国内对于皮秒光纤激光器的研究多注重于平均输出功率的提高，虽然在这个过程中单脉冲能量也会伴随提高，但其功率提高的幅度毕竟有限，一般不足以满足激光微加工的需求。另外，由于激光在光纤中有很强的非线性效应，这在一定程度上限制了激光的峰值功率，也限制了单脉冲能量的进一步的提高。鉴于此，作者试图通过协调重复频率、脉冲宽度与峰值功率之间的关系，研制一种单脉冲能量相对较高的被动锁模皮秒脉冲光纤激光器，为进一步探索和比较不同脉宽及单脉冲能量激光的特性及应用效果创造条件。

要获得高单脉冲能量、高峰值功率的激光，当然还需要与之相适应的光纤放大器，前人的研究工作已经为此奠定了基础［3-4］。另外，要获得皮秒级的脉冲输出也离不开成熟的锁模技术，其中与主动锁模相比，被动锁模更加方便实用，整个系统中没有外加信号的控制，且锁模过程可自发完成。在现今所报道的被动锁模技术中，与非线性偏振旋转锁模、单壁碳纳米管和石墨烯锁模相比，利用半导体可饱和吸收镜的锁模技术已相对成熟，也便于进一步的工业化应用。

此外，皮秒激光的另一个重要应用方面是制备超连续谱光源［5-6］。该光源在超精密时间及频率测量、宽带光纤通信、光谱分析、光学相干层析等领域均有重要的应用前景，在过去几年里一直是国内外研究的热点［7-8］。限于实验条件，在将此高单脉冲能量、百皮秒脉宽激光用于打标、打孔实验之前，作者先尝试用其抽运光子晶体光纤，初步探测其在超连续光谱产生上的效果和特点。

1 高能量百皮秒脉宽光纤激光器

1.1 实验结构

在光纤激光器中，理论上通过提高平均输出功率或降低脉冲的重复频率都可以提高单脉冲能量。但要提高平均输出功率便需要更多的放大级和抽运源，从而使激光器体积更加庞大、价格更加昂贵，因此降低重复频率可能是更经济、可行的手段。在锁模光纤激光器中，只需增加谐振腔长度，就可以达到降低脉冲重复频率目的。实验中利用本单位前期研制的种子源激光器［9］，通过必要的改进，重新设定重复频率、选定脉冲宽度，得到了100ps脉宽的脉冲输出。在此基础上，根据已有经验，选用主振荡放大结构进行功率放大，在提高平均输出功率的同时重点提高单脉冲能量。

Fig.1 Amplifying process of 100psmode-locked Yb-doped fiber laser

百皮秒脉宽、高单脉冲能量光纤激光器的搭建方式如图1所示。种子光由实验室自制的被动锁模皮秒脉冲掺镱光纤激光器提供，为了提高功率和单脉冲能量，在种子源之后先接入预放大级光纤放大器，采用正向包层抽运方式，抽运源采用凯普林公司中心波长976nm、功率10W的半导体激光器（K97S02F-10.00W-R），用5m长、纤芯直径7μm的双包层掺镱光纤作为增益介质（CorActive，100023-DCF-YB-7/125-FA），其在974nm处的吸收系数约5dB/m。预放大级后接入隔离器，以防止光纤端面的反射影响实验结果。在预放大得到的皮秒脉冲进入主放大级之前安装95∶5的分束器，在该分束器5％的输出端用带宽1GHz的示波器（Agilent DSO7104B）和1.8GHz的光电探测器（Thorlabs DET01CFC）对脉冲串进行实时监控，以确保激光器的稳定运行。

在预放大的基础上，进一步采用高功率掺镱光纤放大器作为主放大级。使用6个与预放大级型号相同的包层抽运激光二极管作为抽运源，通过（6+ 1）×1合束器耦合到增益光纤内。增益光纤为长5m、纤芯直径20μm的双包层掺镱光纤（Nufern，LMA-YDF-20/130-08FA），此光纤在976 nm处的吸收系数约5dB/m。为防止光纤的端面反射，将放大后的激光通过一个20W的偏振无关隔离器进行输出，使用带宽25GHz的高速示波器及分辨率0.02nm的光谱分析仪对输出激光的光谱及脉冲进行测量。

1.2 实验结果与分析

在种子源输出端，使用分辨率0.02nm的光谱分析仪（Ykogawa AQ6370）测得中心波长和光谱宽度分别为1064.1nm和0.09nm，如图2所示。使用25GHz带宽的高速示波器和25GHz光电探测器测得脉冲半峰全宽（full width at half maximum，FWHM）为100.25ps、重复频率为10.19MHz，重复频率与激光器共振腔长度吻合，脉冲序列及单脉冲形状如图3所示。

Fig.2 Optical spectra of seed source

高功率光纤激光器通常由低功率种子源和多级功率放大器组成。低功率种子源决定了激光输出的波长、脉宽和重复频率等关键参量，功率放大器决定了种子源信号的单程增益、平均功率和单脉冲能量。实验证明，通过增加种子源激光器谐振腔的腔长，可有效降低种子光输出脉冲的重复频率，为增加脉宽、提高单脉冲能量奠定了基础。

Fig.3 a—mode-lockedpulsetrainsat10.19MHzoftheseedsource b—pulsewidthat10.19MHzoftheseedsource

本实验中种子光的平均输出功率为1.25mW，研究结果显示，若进一步增加抽运功率，会使种子光产生脉冲分裂并降低输出脉冲的稳定性。种子光通过预放大后得到了160mW的平均输出功率，其中95％供给主放大级进行功率再放大。主放大级中激光平均输出功率随抽运功率的变化曲线如图4所示。显然，至少在本实验的范围内，抽运功率与输出脉冲的功率基本上呈正比关系，经计算其斜效率约为49.5％。

Fig.4 Relationshipbetweenaverageoutputpower，peakoutputpower andpumppowerinmasteramplifier

如图5所示，当平均输出功率15W时，对输出光谱及脉冲进行测量，测得中心波长1064.40nm、光谱宽度0.32nm、FWHM为98.10ps，此时激光的单脉冲能量1.47μJ。实验结果显示，随着抽运功率的增加单脉冲能量也相应增加，在抽运功率增至35.37W时得到了16.60W的平均输出功率，相应的单脉冲能量高达 1.63μJ，脉冲峰值功率为16.61kW。与作者工作单位YU等人之前的工作相比［10］，该激光器的输出功率虽说不高，但激光的单脉冲能量得到了较大幅度的提升，这是种子源激光低重频、大脉宽的特点决定的。

Fig.5 Singlepulsewidthat15Waverageoutputpower

当主放大级平均输出功率16.60W时，抽运功率与输出功率的线性关系没并没有明显变化，此时偏振无关隔离器的传输效率大约为80％，如果此输出端不采用隔离器而使用光纤角度切割或其它防反方法，预计平均输出功率可以接近20W、单脉冲能量接近2μJ。只是为了确保偏振无关隔离器的安全，本实验中没有继续增加抽运功率。可见，通过继续增加抽运功率进一步提高激光器平均输出功率、单脉冲能量和峰值功率还是有潜力的。

2 超连续光谱产生

鉴于超连续谱光源重要的应用前景，所以，在上述高能量百皮秒脉宽光纤激光器的基础上，作者尝试将其输出光接入光子晶体光纤制作全光纤的超连续谱光源，旨在检验其产生超连续光谱的效果，推进其在该领域的应用。

由于主放大级光纤和非线性光子晶体光纤的纤芯直径分别为20μm和4.6μm，模场严重失配，无法直接熔接。经过摸索，作者通过自制的模场转换器先将20μm的纤芯转换为6μm纤芯的光纤，而后再将其与17m长的光子晶体光纤熔接，实现了全光纤结构的超连续谱光源制作。另外，在6μm与4.6μm纤芯的熔接过程中，通过对光纤熔接机参量的优化设置，使熔接过程全自动化，且熔接耦合效率接近90％。整个转接过程主要的难点和限制因素还是自制模场转换器的转换效率。

随着模场转换效率的初步提高，本实验成功地在光子晶体光纤中得到了2.85W的白光输出。显而易见，如果模场转换效率能进一步提高，这种激光产生超连续光谱的效率还会大幅度提高，这也为今后进一步的研究指明了方向。不过，尽管模场转换效率还不足20％，这种激光仍然可以产生优质的超连续光谱，其超连续光谱的波长覆盖范围大于1100nm（超过了本检测仪器的量程600nm～1700nm），光子晶体光纤也发出明亮的白光，并观察到了六角发散型远场光斑（见图6）。

Fig.6 Far field profiles of output beam of phonic crystal fiber

3 小 结

利用自制的种子源激光器获得了脉宽100ps的种子光，再配合两级主振荡放大结构，研制出了单脉冲能量相对较高、百皮秒脉宽、全光纤结构的激光器，得到了16.60W的平均输出功率，相应的单脉冲能量为1.63μJ，峰值功率为16.61kW，抽运功率的光光转换效率约为49.5％。通过自制模场转换器，一定程度上克服了主放大器光纤（20μm纤芯）与光子晶体光纤（4.5μm纤芯）严重的模场失配问题。用该激光器成功地抽运了一段17m长的光子晶体光纤，得到了2.85W的白光超连续光谱，该超连续谱光源的波长覆盖了600nm～1700nm的检测范围。实验结果肯定了该激光在超连续谱光源研制中的应用价值。

［1］HERRMANN T，KLIMT B，SIEGEL F.Micromachiningwith picosecond laser pulses［J/OL］.（2004-10-01）.http：//www.industrial-lasers.com/articles/2004/10/micromachining-with-picosecond-laser-pulses.html.

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［5］CHEN Sh P，CHEN H P，HOU J，et al.30W picosecond pulsed fiber laser and high power supercontinuum generation［J］.Chinese Journal of Lasers，2010，37（8）：1943-1949（in Chinese）.

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［9］LIU J，XU J，WANG P.High repetition-rate narrow bandwidth SESAM mode-locked Yb-doped fiber lasers［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2012，24（7）：539-541.

［10］YU F，GE TW，DAIJJ，etal.All-fibermode-locked pulse fiber amplifier［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（3）：592-595（in Chinese）.

All-fiber am plification and application of 100ps laser pulse

SUN Ruo-yu，LIU Jiang，TAN Fang-zhou，WANG Pu
（Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to get high single pulse energy with 100ps pulse width，amode-locked Yb-doped picosecond fiber laser was designed and 100ps laser pulse was output.Master oscillator power amplifier（MOPA）with two-stage all fiber structure was adopted.In the preamplifier，gain medium was double-clad Yb-doped fiber with 7μm core diameter and average power of stable pulse output was 160mW.In themaster amplifier，gain medium was double-clad Yb-doped fiber with 20μm core diameter and its output power was 16.60W while pump power increased to 35.37W.The corresponding single pulse energy was1.63μJand peak powerwas16.61kW.And then，output laser ofmaster amplifierwas injected into photonic crystal fiber of 4.6μm core via a home-made mode field adapter.2.85W output power of white light supercontinuum was obtained and the supercontinuum spectrum wavelength covered the measured range from 600nm to 1700nm.The results show that this laser can be used for the generation of supercontinuum spectrum sources.

fiber optics；master oscillator power amplifier；high pulse energy；white light supercontinuum

TN248.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.001

1001-3806（2013）04-0417-04

国家自然科学基金资助项目（61177048）

孙若愚（1990-），男，博士研究生，主要从事高功率光纤激光器、高功率光纤放大器等方面的研究。

*通讯联系人。E-mail：wangpuemail＠bjut.edu.cn

2012-12-03；

2012-12-07