皮秒激光行波放大器研究

王建才,张一鸣,白振岙,王祎然,苏现翠,张丙元

(1.聊城大学 物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室,山东 聊城 252059;2.中国科学院 空天信息创新研究院,北京 100094)

0 引言

具有高功率的超短脉冲激光器在工业加工、波导刻蚀等领域被广泛应用[1-5]。相比于纳秒(10-9s)脉冲激光,皮秒(10-12s)脉冲激光峰值功率更高、热效应更小、加工精度更高和加工质量更好,在材料精细微加工方面具有较强的优势[6-9]。利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模激光器[10-14]具有结构简单、成本低和输出功率高等优点,是获得皮秒超短脉冲的主要技术。但在通常情况下,由于锁模激光器直接输出的激光脉冲单脉冲能量低、重复频率高,使其在一些领域的应用中受到限制[15]。为了获得高功率高能量的激光脉冲,需要利用激光放大器对激光脉冲进行放大。放大器主要分为两类:再生放大器和行波大器。再生放大器具有高脉冲能量、高增益的优点,但再生放大器系统设计比较复杂,成本较高,并且对平均功率的提升效果不明显[16,17]。相比之下,行波放大器的系统结构更加的紧凑,含有更少的光学元件和更低的光学损耗。同时基于行波放大过程的高功率皮秒激光器具有较高的稳定性和更高的重复频率,更有利于高速精密加工等工业应用。

近年来,行波皮秒放大器备受国内外学者广泛关注。2012年,Xu等以Nd:YVO4晶体为增益介质,采用行波放大结构,获得了平均功率为73 W,重复频率79 k Hz,脉冲宽度15 ps的输出激光[18]。2016年,Guo等采用行波放大器,以Nd:Gd VO4晶体为增益介质,成功实现了平均功率99 W,脉冲宽度12.4 ps的激光脉冲输出[19]。2018年,Cheng等通过一级单通放大将平均功率为1.38 W、重复频率为3.24 GHz的种子光放大至11.34 W[20]。2019年,Liu等通过行波放大结构获得了平均功率16.19 W、脉冲宽度17.6 ps、重复频率为500 k Hz的激光脉冲输出,其光光转换效率达到了51.07%[21]。同年,卢尚等通过两级放大系统,成功实现了平均功率为39.5 W、重复频率1 k Hz和脉冲宽度11 ps的激光脉冲输出[22]。2020年,Jia等利用行波单通放大结构实现平均功率35.7 W、脉冲宽度16.9 ps和脉冲能量71.4μJ的激光输出[23]。

本文采用SESAM光纤锁模激光器作为种子源设计了行波放大结构。利用光纤耦合输出的中心波长为885 nm的半导体激光器作为泵浦源,采用直接泵浦方式,以Nd:YVO4晶体为增益介质,通过两级行波放大,获得了平均功率为33.7 W、重复频率为70.4 MHz、脉冲宽度9.4 ps的超短脉冲。

1 实验设计及装置

图1为皮秒激光放大器装置图,由一个皮秒激光种子源和两个双通放大器组成。装置中种子源为光纤锁模激光器,可以提供输出波长1 064 nm、重复频率70 MHz和脉冲宽度8.5 ps的种子光,其光束质量因子M2小于1.1。种子源输出功率为220 m W。经过测试,该光纤锁模激光器中心波长为1 064.86 nm,重复频率为69.7 MHz,脉冲宽度为8.468 ps。

图1 皮秒激光放大装置图

种子光在通过透镜组准直和整形,然后通过隔离器进入第一级放大器(预放大器)进行功率放大,隔离器的作用可以防止被放大的光脉冲返回种子源,种子光到达增益介质被单次放大,光束被M5平面全反镜反射回去,再次通过增益介质被放大。种子光在经过双通放大后,经过隔离器进入第二级双通放大器再次进行功率放大。第二级放大器的结构与第一级相同。在两级放大结构中都以Nd:YVO4晶体作为增益介质,掺杂浓度为0.5%,尺寸大小为4 mm×4 mm×30 mm,其晶体两端面镀885 nm和1 064 nm的增透膜,同时晶体被铟箔包裹放入水冷热沉中进行散热,水冷温度为25℃。Nd:YVO4晶体对808 nm泵浦波长具有更高的吸收效率,但是较低的量子效率使晶体对808 nm波长会产生较为严重的热效应,在高泵浦功率时会影响光束质量,产生光斑热畸变[24]。利用880 nm泵浦可以有效提高量子效率,减少晶体中的热透镜效应。并且Nd:YVO4晶体在880 nm附近的吸收峰较宽,降低了晶体对泵浦波长的敏感性。基于以上分析本实验选取中心波长为885 nm的半导体激光器为泵浦源,采用直接泵浦方式进行放大。实验过程中通过调整两级中不同透镜组(F3和F4、F5和F6),使种子信号光的光束半径稍微大于泵浦光的半径,使两束激光达到最佳模式匹配,提升放大效率,进而获得功率高、光束质量好的皮秒激光脉冲。

2 实验结果分析

在两级放大系统中,首先调节种子光通过隔离器进入第一级双通放大,在两次通过Nd:YVO4晶体后,功率被放大至9.5 W,此时泵浦源输出的功率约为110 W。然后经过第二级双通放大后,当泵浦源功率为112 W时,放大器输出平均功率增加到33.7 W。放大器光光转换效率为15.2%。通过示波器(Tektronix)对输出脉冲进行了测量,结果如图2所示,由图可知经过两级放大后的激光输出频率为70.4 MHz,激光脉冲波形非常的稳定。通过光谱仪(Yokogawa)测得的激光光谱如图3所示,其中心波长为1 064.856 nm,光谱宽度为0.28 nm。同时利用自相关仪(APE pulse check)对脉冲宽度进行了测量,结果如图4所示,输出激光脉冲宽度为9.4 ps,对于脉宽的轻微展宽可以归因于在放大过程中出现的色散影响。

图2 输出脉冲序列

图3 激光脉冲输出光谱

图4 激光脉冲自相关曲线

采用光束质量分析仪对输出激光的光束质量进行了测量,其结果如图5(a)所示,从图中可以看出,输出激光光斑具有较好的圆度。光束质量因子M2在x方向上为1.15,y方向上为1.13。较好的光束质量表明放大器中的热效应控制在了良好水平。结果表明采用885 nm光纤耦合半导体激光器直接泵浦Nd:YVO4晶体可以有效降低晶体中的热效应。实验中对激光器进行了功率稳定性测试,从图5(b)可以看出,激光器连续工作8 h,其输出平均功率为33.7 W,功率抖动性RMS＜1%,具有极佳的功率稳定性。这些结果表明,通过两级放大装置,可以获得高重复频率、高平均功率和高稳定性的皮秒脉冲激光。

图5 (a)放大后的光束轮廓;(b)长时间输出功率稳定性

3 结论

本文以脉冲宽度为8.468 ps的光纤锁模激光器作为种子源,利用中心波长为885 nm半导体激光器作为泵浦源,通过Nd:YVO4两级放大行波放大器,获得了重复频率为70.4 MHz,脉冲宽度9.4 ps的激光脉冲。放大后的脉冲宽度略大于种子光脉冲宽度,归因于在放大过程中出现的色散影响。当一级泵浦功率为110 W、二级泵浦功率为112 W时,放大器输出平均功率为33.7 W,放大器光光转换效率为15.2%,对种子光的放大倍率约为153。放大器采用直接泵浦的方式有效减少了晶体的热效应,其输出激光光斑具有较好的圆度,光束质量因子M2在x方向上为1.15,y方向上为1.13。同时在8 h的满功率连续运转下,表现出了极佳的功率稳定性。所研究的高功率皮秒激光器在精密激光加工和生物医学等领域有着广阔的应用前景。