光纖激光技術(shù)：皮秒中紅外全光纖摻鉺光纖激光器

基于可飽和吸收體的中紅外(Mid-IR)脈沖全光纖激光器具有很多應(yīng)用。比如,水在2．94 ?m處有很強的吸收峰,因此該波段激光很適用于激光手術(shù)和材料處理;同時,這類激光器也可用于遙感,因為所發(fā)射光譜可以激發(fā)許多大氣污染物(例如甲烷)的基本旋轉(zhuǎn)振動共振。

但是現(xiàn)有的3?m附近的超快光纖激光器大多不是全光纖結(jié)構(gòu),激光光束從自由空間傳播部分注入到光纖處產(chǎn)生反射會導(dǎo)致激光器不穩(wěn)定;另外自由空間的光路可能需要經(jīng)常重新準直;而且對于常規(guī)的可飽和吸收體(例如2D材料,半導(dǎo)體可飽和吸收體和其他異質(zhì)材料),由于其損傷閾值非常低,比較容易受到熱和光學(xué)損傷。全光纖激光器能夠解決上述問題。

在大多數(shù)高功率光纖激光器中,增益光纖的主體材料由硅酸鹽玻璃組成。但是,實現(xiàn)超過2．2μm的激光意味著要使用其他材料的玻璃。在可以拉成光纖的中紅外玻璃中,氟化物玻璃在稀土摻雜方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。其中,摻鈥(Ho3+)和摻鉺(Er3+)的氟化物光纖都能實現(xiàn)波長為2．7至3．1μm的激光發(fā)射,摻鉺的氟化物光纖可獲得的能量要比摻鈥的光纖高。

2014年,Haboucha等人提出了一種基于Er3+氟化物玻璃光纖的線性鎖模光纖激光器 [1]。如圖1所示,該激光器基于線性腔結(jié)構(gòu),包括一個半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)和一個光纖布拉格光柵(FBG)。該結(jié)果為首次在3μm摻鉺氟化物玻璃光纖線性腔激光中實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模,脈沖序列的重復(fù)頻率為51．75 MHz,脈沖寬度約為60 ps,平均功率為440 mW,鎖模可自啟動且可以維持數(shù)小時,但是脈沖寬度和發(fā)射光譜均受限于窄帶寬的FBG。

圖1 基于Er3+氟化物玻璃光纖的線性鎖模光纖激光器

今年該課題組在ASSL會議上介紹了與2014年的工作相似的基于FBG和SESAM的鎖模摻鉺氟化物光纖激光器 [2]。如圖2所示,增益介質(zhì)為2 m長的摻鉺氟化物光纖,FBG為使用飛秒脈沖通過光纖的保護涂層直接寫入,增益光纖由976 nm的泵浦二極管反向泵浦以簡化腔內(nèi)對準并實現(xiàn)比正向泵浦更高的輸出功率。

FBG在2790．9 nm處的最大反射率為65%,FWHM為3．2 nm,比2014年裝置中FBG的帶寬有所增加。非球面ZnSe透鏡在輸出端的焦距為25 mm,在腔內(nèi)的焦距為12．5 mm,并且每個透鏡在2．8 ?m的波長下傳輸約95%的信號。光纖尖端斜切8°以消除回光,從而實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模;二向色鏡(DM)用來去除殘留的泵浦功率,以避免損壞SESAM。

圖2 實驗裝置

圖3中的實驗結(jié)果表明該鎖模激光器能夠產(chǎn)生15 ps的脈沖,脈沖寬度接近傅立葉變換極限。如果腔內(nèi)組件的準直最佳,則鎖模態(tài)可自啟動,并且在較低的泵浦功率下沒有任何調(diào)Q,鎖模狀態(tài)穩(wěn)定,平均輸出功率在87．5 mW和157．5 mW之間。此外,發(fā)射光譜集中在FBG的最小透射率(即最大反射率)上,這表明,如果腔內(nèi)負色散足夠低,脈沖持續(xù)時間和光譜均可以由FBG的特性控制。

圖3 實驗結(jié)果 a)實驗得到的發(fā)射光譜和FBG的透射光譜,b)自相關(guān)曲線

總之,這項工作提出了一種基于SESAM和FBG的中紅外鎖模光纖激光器,能夠產(chǎn)生接近傅立葉變換極限的15 ps脈沖,中心波長在2．8 ?m。

審核編輯：符乾江