​大脉冲展宽比实现高功率全光纤超快激光放大

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高功率超快光纤激光

光纤激光具有系统灵活、紧凑、可柔性操作、转换效率高、光束质量好等优点，受到了广泛的关注。高功率的超快光纤激光在先进制造、光学传感、光电对抗、超快物理等领域具有广泛的应用。

在以往的研究中，为了提高超快光纤激光的平均功率，研究人员开发了不同种类具有特殊结构的光纤，如光子晶体光纤（photonic crystal fiber, PCF）、3C光纤等，通过增大纤芯直径的办法来抑制非线性效应并提升输出功率。其中代表性成果是德国耶拿大学基于大模场面积的PCF，实现了平均功率为830 W的超快激光。然而，这些特殊结构的大模场面积光纤通常难以熔接，为了将信号光和泵浦光耦合入光纤之中，需引入光束准直和耦合的空间元件，这大大增加了系统结构复杂性，降低了鲁棒性和抗环境干扰性，牺牲了光纤激光系统灵活、紧凑的优势。

全光纤结构的超快激光，采用光纤熔接的方法将各个器件连接起来，系统的稳定性会大大增强。然而，目前全光纤结构的超快激光，输出功率相比基于PCF的超快激光还有一定的差距。由于常规光纤较小的模场面积和较长的传输距离，导致了更强的非线性效应，制约激光功率的提升。为此，国防科技大学的研究人员通过级联啁啾光纤光栅的方法，将ps级的超快激光在时域上展宽到ns级以上来降低脉冲的峰值功率和放大过程中的非线性效应，采用商用大模场光纤构建了全光纤结构的啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification, CPA）系统，实现了压缩后平均功率为440.6 W、脉冲宽度为863 fs的超快激光。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第2期。该工作的主要研究人员包括王涛、任博、郭琨、李灿以及周朴等人。（Tao Wang, Can Li, Bo Ren, Kun Guo, Jian Wu, Jinyong Leng, Pu Zhou. High-power femtosecond laser generation from an all-fiber linearly polarized chirped pulse amplifier[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(2): 02000e25）

全光纤结构高功率CPA系统

该高功率全光纤CPA系统如图1所示，包括超快激光振荡器、展宽器、预放大器、主放大器和压缩器。振荡器的种子信号重频为80 MHz，脉宽为6 ps。为了降低脉冲的峰值功率和放大过程中的非线性相移，展宽器采用了两个级联的啁啾光纤布拉格光栅（chirped fiber Bragg gratings, CFBG），将种子信号脉冲展宽至全宽2 ns。随后经过了两级预放大器（pre-amplifier）实现功率的提升并注入主放大器。主放大器采用的是高掺杂的、纤芯/包层直径为20/400 μm的掺镱光纤（Yb-doped fibers, YDF）。由于时域上较大的脉冲展宽比，因此不需要采用超大模场面积的光纤（如纤芯直径为30 μm及以上）来抑制非线性效应。同时，采用纤芯/包层直径为20/400 μm的商用大模场光纤来构建全光纤系统有利于抑制模式不稳定效应（Transverse mode instability, TMI），实现了光束质量和非线性效应之间的有效平衡。放大后的激光信号经准直后用一对衍射光栅实现脉冲的压缩。

图1 高功率全光纤CPA系统结构示意图

基于上述结构，脉冲压缩前可实现的最高平均功率为612 W，如图2（a）所示。图2（b）是在不同功率下的输出光谱，在最高功率下可以观察到明显的受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）效应，功率的进一步提升也受限于SRS。在最高功率下，光束质量为M²=1.29（图2c），保持着近单模输出。同时，脉冲可压缩至863 fs（图2d），对应的最高压缩后功率为440.6 W。

图2 高功率全光纤CPA系统实验结果：（a）输出功率和单脉冲能量；（b）不同功率下的输出光谱，插图为最高功率下的线性谱；最高功率下的（c）光束质量和（d）压缩后脉宽

总结与展望

该结果表明通过级联啁啾光栅，在大的脉冲展宽比下提升超快激光的平均功率是一条可行的技术途径。未来将通过引入脉冲整形技术来缓解超快光纤激光放大过程中的非线性和增益窄化效应，实现更窄脉宽的超快激光，并将所研制的超快激光放大器用于超快激光相干合成系统，进一步突破单根光纤的功率极限。

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编辑 | 周琦雅

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