微结构光纤正常色散区飞秒激光脉冲传输光谱展宽的功率饱和效应

利用自制的微结构光纤进行了飞秒激光脉冲传输实验,输入激光脉冲的中心波长为800 nm,位于微结构光纤的正常色散区。随着输入激光脉冲的平均功率从220 mW逐渐增大到300 mW,输出光谱同时向长波和短波方向展宽,光谱中的反斯托克斯线对应的能量逐渐占据主导地位。平均功率达到280 mW时,光谱的展宽范围不再增大,显示出了一种功率饱和效应。在微结构光纤的正常色散区实现了波长从560~960 nm的20 dB展宽谱。     

高功率飞秒自相似光纤激光放大系统

基于自相似光纤激光放大技术,通过非线性光谱展宽突破光纤增益带宽的限制,结合高效色散补偿以获得高功率超短脉冲放大输出,最终得到中心波长1030 nm、重复频率40 MHz、平均功率34 W、脉冲宽度50 fs的高质量脉冲输出,对应峰值功率17 MW。该系统采用可饱和吸收体锁模,采用啁啾光纤布拉格光栅补偿腔内色散,相对于啁啾脉冲放大技术具有结构简单、集成度高等优点。实验结合光纤热管理技术和数字测控技术(FPGA),显著提升了系统的稳定性和鲁棒性,极大推动了高功率飞秒光纤激光在下游诸多科学与技术领域的应用。     

啁啾光纤光栅在硫系光纤激光器中的色散补偿

中红外波段包含极其重要的大气窗口和众多分子的指纹区,基于硫系玻璃的中红外光纤激光器逐渐引起人们的重视。由于硫系玻璃具有极高的非线性和色散特性,脉冲激光在硫系光纤中的展宽成为发展中红外超短激光必须解决的重要问题。针对脉冲激光在硫系光纤中传输的展宽问题,设计线性啁啾光纤光栅,用于补偿高斯脉冲激光经过光纤之后的色散展宽。模拟结果表明:光纤色散导致的脉冲展宽可以通过线性啁啾光纤光栅进行很好的补偿。进一步研究发现,通过对设计的啁啾光纤光栅运用高斯变迹函数进行切趾优化,可以显著改善色散补偿的效果,以获得对脉冲激光色散展宽的完全补偿。文中的研究对于设计高质量的硫系中红外光纤激光器具有理论指导意义。     

利用DCF,DSF和ED-NALM获得无基座超短光脉冲的设计方案

提出了一种利用色散补偿光纤(DCF)、色散位移光纤(DSF)和非线性掺铒光纤放大环镜(EDNALM)对增益开关分布反馈(GSDFB)半导体激光器产生的啁啾光脉冲进行压缩的方案。数值模拟的结果表明,利用此方案可将GSDFB半导体激光器产生的脉冲宽度(半极大全宽度)为30ps的啁啾光脉冲压缩为180fs的无基座超短脉冲。     

基于DD-EDFA与NOLM获得高质量的超短脉冲的设计方案

提出、并数值分析了利用色散渐减的掺铒光纤放大器和非线性光纤环镜对基孤子脉冲进行压缩与放大、获得高质量的超短脉冲的设计方案。     

基于光谱控制与色散优化的飞秒啁啾脉冲放大系统

飞秒激光在工业加工、精密测量、军事国防、科学研究等领域具有广阔的应用前景。报道了基于光谱控制与色散优化的高功率、高脉冲质量飞秒啁啾脉冲放大系统。利用与压缩器色散量相匹配的色散可调啁啾布拉格光纤光栅(CFBG)作为展宽器,通过微调CFBG色散量补偿系统的残余色散使整个系统的净色散趋于零;同时引入光谱滤波等手段,保证入射到主放大器之前的脉冲光谱形状不发生畸变,避免了放大过程中脉冲质量的劣化。最终获得了重复频率为50 MHz、平均功率为24 W、脉冲宽度为198 fs的高脉冲质量飞秒激光输出。     

输出大啁啾脉冲的展宽脉冲锁模光纤激光器

报道了一种大啁啾脉冲输出的全光纤展宽脉冲锁模激光器,以非线性偏振旋转(NPR)实现自启动锁模。激光器其余部分为全单模光纤(SMF)结构,提供很大的正色散,光栅对提供色散补偿,输出展宽脉冲。实验中得到了重复频率36.96MHz,单脉冲能量1.81nJ的稳定锁模脉冲序列,使用频谱分析仪观测得到脉冲序列一次谐波信噪比(SNR)达到80dB。直接输出脉冲有很大的正啁啾,脉宽为2.17ps,经过腔外压缩可获得70fs的脉冲。这种能压缩到百飞秒量级的大啁啾脉冲非常适用于光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统。     

高非线性光子晶体光纤中飞秒脉冲压缩(特邀)

采用全矢量有限元法和分步傅里叶法模拟计算了高非线性光子晶体光纤在近红外光谱区（特别是在850 nm）的飞秒脉冲孤子效应压缩,提出了一种新的反常群速度色散（2=-50.698 ps2/km）、小高阶色散和高非线性（=268.419 1 W-1/km）二氧化硅芯光子晶体光纤结构,建立了包含高阶色散和拉曼散射的非线性薛定谔方程,研究了高斯脉冲在此光纤中传输时,光纤长度和孤子阶数对脉冲压缩的影响,分析了光纤中2~5阶色散,研究表明:孤子阶数为8时,品质因子和压缩因子均达到最大,初始脉冲的峰值功率P0=3 357.8 W,压缩效果最好;优化光纤几何和光学参数,可以得到了高品质因数、小底座的超短光脉冲。     

光纤色散效应对脉冲展宽的影响

为了研究光通信系统中光纤色散特性对通信系统传输性能的影响,基于单模光纤和多模光纤的色散特性,采用数值模拟计算的方法,对脉冲展宽、光纤内部的偏振模色散、色度色散、波导色散和模间色散的物理机制进行了分析,分别得到了折射率n=1.516和n=1.458的标准单模光纤经过10km传输距离后色散导致脉冲展宽的结果,比较了传输波长在850nm和1310nm时多模光纤的色散效应,通过对不同光源LD(Δλ=1nm)和LED(Δλ=70nm)的比较,分析了光谱宽度对脉冲展宽的影响。结果表明,纯石英光纤在系统传输波长为1.27μm处群速度色散等于0;折射率渐变多模光纤工作在常见的850nm以及1310nm通信窗口时,其模内色散表现为负色散;色度色散和模间色散引起的脉冲展宽随光纤的数值孔径、材料折射率和光源光谱线宽的增大而增大。     

高功率、高质量全保偏光纤飞秒激光放大系统

利用普通大模场面积掺镱保偏双包层光纤作为增益介质,采用啁啾脉冲放大技术搭建了全保偏光纤飞秒激光放大系统。由于全保偏光纤结构,系统具有较高的集成度和长期稳定性。将系统中积累的三阶色散与放大过程中引入的非线性啁啾相互补偿,通过控制展宽光纤的长度,优化了压缩后脉冲质量和宽度。同时分析了周期性光谱调制对放大输出的影响,通过优化保偏(2+1)×1光纤合束器的制作工艺,解决了其引起的周期性光谱调制问题,最终获得重复频率为111MHz,压缩后输出平均功率为9W,对应脉宽为260fs,单脉冲能量为81nJ,保偏比为13dB的高质量飞秒激光脉冲输出。     

1053nm超短脉冲光纤激光的产生

为了研究环形腔掺Yb3+光纤激光器的输出特性,采用两个波长为976nm的半导体激光器作为超短脉冲激光器的抽运源,利用非线性偏振旋转锁模技术,实现了激光器的自起振锁模运转.实验中通过调节掺杂光纤的长度和偏振控制器波片的位置实现了锁模脉冲的波长调谐,在掺杂光纤长度为1.6m时,获得了波长为1053nm、最大输出功率为9.5mW、光谱宽度为6nm、重复频率为23.7MHz的超短光脉冲输出.实验结果与分析表明,采用调节光纤的长度和偏振控制器可实现超短脉冲光纤激光器的波长调谐.     

超短脉冲掺Yb3+光纤激光器实验研究

报道了使用976nm半导体激光器作为抽运源。以掺Yb^3 光纤作增益介质构成环形腔激光器产生超短脉冲的实验研究。在腔体净群速度色散为正的掺Yb^3 光纤环形腔激光器中，采用非线性偏振旋转的相加脉冲锁模技术。通过调节偏振控制器的方向和减少腔内损耗，实现稳定的锁模运转。用示波器观察光纤激光器在时域的输出特性，在抽运光一定的情况下，随着光偏振状态的变化，光纤激光器锁模激光的变化呈现稳定和不稳定两个区域。在不稳定锁模区域，激光为不规则的脉冲。通过仔细调节光纤偏振控制器的位置，当光纤偏振控制器在某一适当位置时。激光器工作在稳定的锁模区域。获得最大功率为9．46mW，脉冲激光光谱宽度为10nm．脉冲的重复频率为15．4MHz。     

百瓦级1 030 nm光纤-固体混合放大激光器

光纤-固体混合放大技术能够将光纤激光器和固体放大器的优势结合,获得结构紧凑、成本低廉的高功率超短脉冲激光。因此,实验设计了基于掺镱光纤-固体混合放大技术的高平均功率超短脉冲激光器。该激光器主要由全光纤结构激光器和两级固体放大器组成,第一级为基于Yb: YAG单晶光纤的固体放大器,第二级为基于无侧面抛光的棒状Yb: YAG晶体的主放大器。超短脉冲全光纤前端平均输出功率为6.5 W,重复频率52.9 MHz,脉冲宽度47.5 ps。第一级单晶光纤放大器采用单通放大形式,在反向泵浦功率182 W时获得40 W的平均功率。第二级固体放大器同样为单通放大,在反向泵浦功率307 W时获得平均功率122.9 W的超短脉冲激光输出,滤除热退偏激光后获得了107.3 W的线偏振超短脉冲激光,对应斜效率为26.1%。此时测得脉冲宽度为12.1 ps,中心波长为1 030.6 nm,光谱宽度为2.4 nm。在最大输出功率107.3 W时,测得水平和垂直方向的光束质量因子M_x2=1.45,M_y2=1.20。     

基于增益开关LD的高功率脉冲光纤激光器研究

进行了采用1064 nm增益开关LD全光纤高功率光纤放大的实验研究。采用三级级联光纤放大的方式,第一级放大为单包层光纤放大,第二、三级放大为双包层光纤放大。在第三级放大最大泵浦注入功率为45.2 W时,获得了25.3 W的脉冲激光输出,脉冲宽度223 ps,三级放大的光-光效率为55.9%。若后续进一步增大泵浦功率,则有望实现更高功率输出。     

非线性光纤环形镜掺铒光纤激光器的实验研究

为了研究掺铒光纤激光器超短脉冲的产生,采用增益平坦型掺铒光纤放大器、两个偏振控制器以及3个耦合器,利用非线性光纤环形镜加成脉冲锁模技术,通过改变偏振控制器的方向,获得最大输出功率为0.6mW的脉冲输出,对应的光谱宽度9nm、中心波长1561nm、脉冲宽度434ps、脉冲的重复频率为1.1MHz.该脉冲经过掺铒光纤放大器放大后,最大输出功率为10.8mW.放大后锁模脉冲的中心波长保持不变、光谱带宽稍有变窄、输出功率明显增大、脉冲宽度展宽为495ps.实验结果表明,采用商用的掺铒光纤放大器可实现结构简单、调节方便的掺铒光纤激光器超短脉冲输出,且掺铒光纤激光器可以实现自启动,并长时间稳定锁模工作.     

激光二极管抽运掺Yb3+光纤放大器获得2.41W超短脉冲输出

对国产掺镱(Yb3 )双包层大模场面积光纤超短脉冲放大器进行了系统的实验研究。以自己搭建的脉冲宽度为2.3ps,重复频率为95MHz的全固态锁模激光器作为种子源,以976nm大功率光纤耦合激光二极管为抽运源,以1.6m国产掺Yb3 双包层大模场面积光纤为增益介质,在11.2W的入纤抽运功率下,将平均功率为100mW的脉冲种子光放大到平均功率2.41W,单脉冲能量达到了25nJ,放大后脉冲的宽度(时域宽度)和光谱都有所展宽。     

低重复频率脉冲掺镱光纤放大器

为了研究低重复频率两级脉冲掺Yb3+光纤放大器,采用脉冲信号驱动的半导体激光器作为种子光源,产生重频100Hz、半峰全宽100ns、能量30nJ的矩形光脉冲。第1级放大采用单模掺Yb3+光纤放大器,双程放大方案有效地抑制了放大自发辐射,放大后的脉冲能量达到了8.2μJ。第2级放大采用纤芯直径15μm的双包层掺Yb3+光纤放大器,大功率多模半导体激光器连续抽运。结果在抽运功率为7.3W时,放大输出脉冲能量达到了242μJ,放大输出半峰全宽压缩为29ns。输出的光束质量较好,为准单模输出。结果表明,该光纤放大器输出脉冲能量高,具有全光纤化、结构简单的特点。     

基于扫描激光器和光放大的100 km光纤布拉格光栅传感系统

提出了对基于扫描激光器的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统进行掺铒光纤(EDF)/双波拉曼混合放大的方法,大幅度提高了该光纤布拉格光栅传感系统的传输距离。该方法以高功率扫描激光器作为光源,采用双波长拉曼放大的方法对信号进行低噪声双向放大,再利用系统中间的两段掺铒光纤,将剩余的拉曼抽运功率用来产生自发辐射光和放大传感信号,使得整个系统能在超长的传感距离上获得良好的信噪比(SNR)。实验表明使用一台扫描激光传感分析仪、一只170mW的拉曼抽运和一只2W的拉曼抽运,可以使传感距离达到100km以上,并且传感系统的光纤布拉格光栅反射信号均能获得超过7dB的良好信噪比,从而实现在超长距离上的光纤布拉格光栅传感。     

高非线性石英基光子晶体光纤产生宽带可调中红外孤子的实验研究

通过研究发现双包层结构能降低石英基光子晶体光纤损耗,并制备一种高非线性双包层结构石英基光子晶体光纤来进行实验研究.使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的石英基光子晶体光纤在反常色散区泵浦,研究不同的泵浦功率和泵浦波长对中红外超短脉冲孤子的影响,并分析了石英基高非线性光子晶体光纤中红外超短脉冲孤子产生的物理机理.结合实验发现在泵浦功率为827 nm,功率从0.1 W增加到0.42 W时,中红外第一个孤子随功率增加从1933 nm移动到2403 nm,可调范围达到470 nm,为石英基光子晶体光纤产生宽带可调超短脉冲源创造了很好的条件.     

All-Fiber Picosecond Laser System at 1.5 $mu$m Based on Amplification in Short and Heavily Doped Phosphate-Glass Fiber

Amplification of ultrashort pulses in doped fibers is limited by an onset of nonlinear effects in the fiber. At the 1.5-mum wavelength, single-mode fibers typically have anomalous dispersion. The self-phase modulation combined with dispersion leads to instability of multinanojoule pulses in such fibers. Various techniques developed to amplify pulses beyond the nonlinearity limit typically rely on a delicate balance between dispersive and nonlinear effects in different parts of the laser system. We report a simple all-fiber alternative to these complex techniques that utilizes a rapid amplification of pulses in a short and heavily doped phosphate-glass active fiber. In our preliminary experiments, picosecond pulses at 1.5 mum generated by a passively mode-locked fiber oscillator at a repetition rate of 70 MHz are amplified in a 15-cm-long heavily Er-Yb codoped fiber amplifier to the average output power of 1.425 W. The pulse energy and peak power reach 20.4 nJ and 16.6 kW, respectively, while the pulse distortion is minimal in both temporal and spectral domains. Further power up-scaling is possible by using active phosphate fiber with a large mode area, in the amplifier stage