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如上所述,重复频率在1 GHz以上的飞秒激光器虽然存在诸多技术挑战,但是其本身的应用价值也不可忽略。因此早在1990年,美国贝尔实验室的K. J. Weingarten等人就开始了GHz激光器的实验研究,利用LD泵浦Nd:YLF晶体,通过声光调制获得了2 GHz的皮秒激光输出[29],此后,通过主动锁模手段,1 GHz[30]、2.85 GHz[31]、5 GHz[32]的报道不断涌现。在SESAM发明之后[33],出现了大量GHz被动锁模Nd:YVO4激光器,最高重复频率甚至达到了157 GHz[34]。但是受限于主动调制器件的响应时间以及掺钕(Nd)晶体的增益带宽,得到的锁模脉冲宽度均在皮秒范围,使其应用范围受限。而光学频率梳作为锁模激光器最重要的应用之一,在精密测量领域不仅要求锁模激光具有较窄的脉冲宽度,使得输出光谱覆盖一定的带宽范围从而保证足够的梳齿数量;还要保证足够高的重复频率,使得飞秒光学频率梳的梳齿间隔足够大,提高其可分辨率,降低对波长计或者光谱仪的分辨率要求。具有宽调谐范围的钛宝石晶体,可支持周期量级的飞秒脉冲,在GHz重复频率飞秒激光器中取得了很多优秀的结果[35-37],最高重复频率也提升到了10 GHz,脉冲宽度也短至40 fs,并由此产生了重复频率10 GHz的飞秒光学频率梳[38]。不可否认,钛宝石飞秒激光器在高重复频率、短脉冲宽度以及高输出功率方面都有着很大优势,产生的飞秒光学频率梳具有高稳定性和低噪声的特性,但是,昂贵且笨重的绿光激光器作为泵浦源,不仅成本高,而且似乎与紧凑小巧的GHz飞秒振荡器显得格格不入,使其在小型实用化方面受到限制。光纤飞秒激光器无需复杂的空间光路结构,凭借结构稳定、体积小巧的特点也被广泛应用于光学频率梳产生,光纤光学频率梳甚至已执行过航天任务[39],在GHz重复频率方面也有着不错的表现,最高重复频率也达到了19.5 GHz[40]。但是GHz光纤激光器的腔长极短限制了增益光纤的长度,使得输出功率处于较低水平;同时,光纤本身固有的量子噪声降低了锁模脉冲的信噪比;这两方面的缺陷对GHz光纤飞秒激光器的应用产生了一定限制。当光学频率梳应用于天文多普勒视向速度测量中时[41],由于高分辨率的天文阶梯光栅光谱仪可分辨的频率间隔在10~30 GHz,因此为了匹配高分辨率天文光谱仪分辨本领,必须提高光学频率梳的重复频率。F-P腔滤波法可以将固态光学频率梳或者光纤光学频率梳的重复频率大幅提高,虽然存在上文提到的些许问题,但却是有效产生数十GHz重复频率飞秒激光的有效手段[42-43]。21世纪初期,镱离子(Yb3+)掺杂的激光介质由于其优异的激光性质受到广泛关注[44],其吸收峰在940~980 nm之间,可以利用技术成熟的LD直接抽运,不仅可以弥补GHz飞秒光纤振荡器平均输出功率低的缺点,而且相比钛宝石激光器而言,成本得到大幅降低,同时具备其低噪声、短脉宽的优点。借助SESAM被动锁模技术或者KLM技术,LD泵浦的GHz重复频率全固态掺镱飞秒激光器迅速发展,在这里,笔者主要对其近年来的研究进展进行详细介绍。
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2008年,日本富士胶片公司S. Yamazoe等人利用SESAM被动锁模,率先在LD泵浦的Yb:KYW激光器中获得了重复频率2.8 GHz的飞秒激光输出,对应脉冲宽度为162 fs、平均功率为680 mW,将其封装模块化后,体积为8 cm (长)×5 cm (宽)×3 cm (高),仅为掌上大小,图6为其封装模块。在3000 h自由运转情况下,功率抖动均方根小于10 %,如果对激光器进行主动控制,2 000 h内功率抖动均方根仅小于1%[45-46]。
Figure 6. Palm-top-size GHz femtosecond laser[45]
2010年,瑞士联邦理工学院(ETH Zurich)U. Keller课题组凭借其得天独厚的SESAM制作工艺,用锥形分布式布拉格二极管激光器泵浦Yb:KGW晶体,得到了平均功率1.1 W、脉冲宽度281 fs稳定孤子运转,即使在1 GHz的重复频率下,单脉冲能量也达到了1.1 nJ,在同样的装置下,通过进一步增加泵浦功率,观察到了2 、3 、4 GHz的谐波锁模状态,证明了谐波锁模在LD泵浦的全固态激光器(DPSSL)中实现多GHz运转的可行性[47]。2011年,同课题组的S. Pekarek等人继续利用SESAM被动锁模,得到了重复频率1 GHz、平均功率2.2 W、脉冲宽度290 fs的Yb:KGW激光器[48]。为了进一步获得GHz的光学频率梳,通过模拟和实验,发现如果将脉冲宽度为290 fs的输出激光直接注入光子晶体光纤(PCF)中,由于脉冲宽度过大使孤子分裂阶数较高,并不能获得相干性良好的超连续光谱[49]。因此,他们利用1 m长光纤产生的自相位调制(Self-phase Modulation,SPM)对振荡器输出光谱进行展宽,再配合SP10棱镜对进行压缩,将290 fs的种子光压缩到了100 fs,此时注入长度为2 m的PCF中,产生了相干良好的超过一个倍频程的超连续谱。结合f-2f自参考法,首次实现了对GHz DPSSL载波包络相位偏移频率(CEO)的探测。2012年,S. Pekarek等人继续利用SESAM被动锁模,在相似的实验装置中,将Yb:KGW激光器的重复频率提升到了2.4 、4.7、4.8 GHz,脉冲宽度分别为290、360 、396 fs,平均输出功率均为瓦级[50-51],图7为4.8 GHz Yb:KGW飞秒激光器实物图和光路示意图。由于之前的实验表明脉冲宽度过大的飞秒脉冲无法产生相干性较好的超连续谱,因此,2013年,A. Klenner等人通过对谐振腔的合理设计,直接从Yb:KGW振荡器中获得了脉冲宽度为125 fs的超短激光输出,平均功率为3.4 W,重复频率为1.06 GHz,峰值功率达到了22.7 kW,在不经过任何压缩或者放大的情况下,将其注入长度为1 m的PCF中,结合f-2f自参考法,测得的CEO拍频信号大于30 dB (分辨率带宽100 kHz),可作为频率测量应用中的优质光源[52]。
Figure 7. 4.8 GHz Yb:KGW femtosecond laser[51]
相比Yb:KYW和Yb:KGW晶体而言,Yb:CALGO晶体具有更宽和更平坦的发射带宽[53],可支持更短的飞秒脉冲输出,因此也成为GHz SESAM被动锁模飞秒激光器的研究热点,U. Keller课题组A. Klenner等人报道了一系列优秀的研究结果。2013年,他们实现亚100 fs、重复频率1.1 GHz、峰值功率38.2 kW的飞秒激光运转[54]。2014年,同样在Yb:CALGO激光器中,利用SESAM被动锁模,得到了重复频率1.8 GHz、平均功率2.95 W、脉冲宽度小于60 fs的结果[55]。同年,在相同的1.8 GHz重复频率下,入射泵浦功率为8.66 W时,将平均输出功率提升到3.5 W,对应的光光转换效率和斜效率分别为40.4%和57.4%,脉冲宽度依旧小于60 fs[56]。之前笔者提到不稳定调Q趋势会随着重复频率的提高而增加,为了克服这个问题,2015年,A. Klenner等人提出了一种全光Q开关限制器以减少不稳定的调Q对锁模的影响,同时提高锁模功率。激光在增益介质内产生的克尔效应会使激光发生自聚焦现象,而通过适当的腔模设计组合克尔效应可以得到相反的结果,使克尔效应产生自散焦现象而不是自聚焦,从而增大腔内光学元件上的激光模式尺寸,降低了各元件上的峰值功率密度并抑制了不稳定调Q的出现。最终依旧以Yb:CALGO为增益介质,获得了重复频率5 GHz、平均输出功率4.1 W、脉冲宽度96 fs的锁模结果[27]。2017年,在同样的指导思想下,A. S. Mayer等人改变了传统的飞秒谐振腔结构,在图8所示的Yb:CALGO激光器腔内插入了一块周期性极化铌酸锂晶体(Periodically Poled Lithium Niobate Crystal,PPLN),准相位匹配条件下,PPLN的非线性折射率很强,且为负值,因此既可以使腔内激光产生自散焦效果,也可以利用其产生负值的SPM,与腔内正GDD相互平衡,即使在腔内净GDD处于+1280 fs2的情况下,依旧可以实现稳定的孤子锁模,最终将重复频率提升到了10.6 GHz,平均输出功率和脉冲宽度分别为1.2 W和166 fs[57]。2020年,L. M. Krüger等人在上一工作基础上,详细研究了腔内色散、泵浦亮度和腔模设计对高重复频率锁模的影响,在腔内净GDD为+410 fs2时,获得了108 fs的最短锁模脉宽,重复频率为10.4 GHz,平均输出功率812 mW。并将其注入一块Si3N4波导[58]中,入射能量仅为48 pJ时,即可获得覆盖一个倍频程的超连续谱,在100 kHz的分辨率带宽下,探测到的CEO拍品信号为33 dB[59]。
Figure 8. 10.6 GHz Yb:CALGO femtosecond laser[57]
基于SESAM被动锁模的全固态GHz飞秒激光器经过多年的研究,重复频率已超过10 GHz,平均输出功率也大多超过1 W,最短脉冲宽度小于60 fs,多个报道结合f-2f自参考法实现了CEO的探测,为进一步获得全固态GHz飞秒光学频率梳打下坚实基础。笔者通过表1对以上提到的SESAM被动锁模全固态GHz飞秒激光器的各项参数进行总结。
Crystal fr/GHz τ/fs Pav/W Ref. Yb:KYW 2.8 162 0.68 [45-46] Yb:KGW 1 281 1.1 [47] Yb:KGW 1 290 2.2 [48] Yb:KGW 2.4 290 2.3 [50] Yb:KGW 4.7 360 1.8 [50] Yb:KGW 4.8 396 1.9 [51] Yb:CALGO 1.1 96 4.58 [54] Yb:CALGO 1.8 59.4 2.95 [55] Yb:CALGO 1.8 59.96 3.5 [56] Yb:CALGO 5 96 4.1 [27] Yb:CALGO 10.6 166 1.2 [57] Yb:CALGO 10.4 108 0.812 [59] Table 1. Output parameters of all-solid-state GHz femtosecond lasers based on SESAM passively mode locking
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在基于SESAM被动锁模的全固态GHz飞秒激光器快速发展的同时,KLM全固态GHz飞秒激光器也受到广泛关注。2009年,波兰华沙大学物理研究所P. Wasylczyk等人利用图3所示的四镜环形腔结构,以最大输出功率为500 mW的单模光纤耦合的LD泵浦Yb:KYW晶体,首次通过KLM技术获得了重复频率大于1 GHz的全固态掺镱飞秒激光器,平均输出功率为114 mW,锁模光谱带宽为5.2 nm,对应的变换极限脉宽约为200 fs,但没有自相关测量[60]。之后,日本东京大学固体物理研究所的M. Endo等人在KLM全固态GHz飞秒激光器中取得了一系列研究成果。2012年,他们同样以Yb:KYW晶体为增益介质得到了重复频率为3.32 GHz的飞秒激光输出[61]。实验装置如图9所示,同样是四镜环形腔结构,不同之处在于耦合输出镜的透过率大小,因为在其同事在2010年的1.3 GHz KLM实验中使用的耦合输出镜反射率约为99.6%,计算的腔内功率约为25 W[62],而对于更高重复频率的KLM,不得不通过增加腔内功率来获得足够的克尔效应,因此在3.32 GHz的实验中,他们将反射率约为99.6%的耦合输出镜更换为高反镜,将腔内的激光功率提高到了50 W,最终获得了稳定的KLM输出,相应的代价则是在750 mW的泵浦下,输出功率仅为13.5 mW。同年,在相似的实验装置中,将腔内净色散控制在−250 fs2,以透过率仅为0.03%的啁啾镜作为耦合输出镜,实现了重复频率为4.6 GHz的KLM输出,泵浦功率为750 mW时,最大平均输出功率为14.6 mW,锁模光谱半高全宽为11 nm,对应的傅里叶极限变化脉宽为146 fs,但未给出自相关测量轨迹[63]。2013年,M. Endo等人继续使用相同的谐振腔结构,将增益介质更换为非线性折射率大小相当的Yb:Lu2O3 (
${n_2} = $ 8.6×10−16 cm2/W[64], Yb:KYW为8.7×10−16 cm2/W[65]),通过调节端镜的位置控制腔长,实现了重复频率为3.7 GHz和5.2 GHz的飞秒激光输出,由于重复频率足够高,使用自制的超高分辨率光栅光谱仪可以清晰分辨出锁模光谱的每个纵模[66]。之后,他们又将Yb:Lu2O3激光器的重复频率提升至6 GHz,由于输出功率过低,仅为10 mW,无法得到自相关信号,因此振荡器输出的脉冲被注入一段长3 m的Yb双包层光纤中进行功率放大,在3 W的泵浦功率下,放大后的平均输出功率为200 mW,对应的每个纵模功率约为200 μW,压缩后测得的脉冲宽度为161 fs。借助其高重复频率的特点,成功测得了亚稳态4He原子的吸收光谱,证明了这种高重复频率锁模激光在梳齿分辨宽带光谱学的应用价值[67]。当GHz飞秒激光器面向于天文台定标光谱仪应用时,需求的重复频率通常为12~20 GHz[14]。因此,M. Endo等人为了获得重复频率超过10 GHz的KLM输出,将Yb:Lu2O3更换为非线性折射率更高的Yb:Y2O3(
${n_2} = $ 1.3×10−15 cm2/W[64]),在同样的四镜环形腔中,继续以透过率为0.04%的啁啾镜作为耦合输出镜,实现稳定锁模后,在最大泵浦功率为1.1 W时,得到了平均输出功率60 mW、重复频率15 GHz的KLM输出,使用分辨率为16 pm的光谱仪即可清晰观察到每根梳齿。紧接着将振荡器输出的15 GHz飞秒脉冲通过光纤放大器进行功率放大后,输出功率为300 mW,压缩后测得的脉冲宽度为152 fs。为了得到稳定的光梳系统,使用压电陶瓷和模拟锁定电路将15 GHz的重复频率锁定到了Rb钟参考标准上,由于极高重复频率的飞秒振荡器很难再利用f-2f自参考法进行CEO的探测,于是将输出激光的某根梳齿与中心波长为1079 nm的连续光激光器进行外差拍频,再将获得的拍频信号锁定在173 MHz的参考频率上,从而稳定了每个梳齿的光学频率,获得了一台稳定的15 GHz全固态KLM光学频率梳[68]。2019年,同课题组的S. Kimura等人为了进一步提高重复频率,打破了使用四镜环形腔结构获得KLM的传统做法,提出了一种紧凑的线性腔结构,类似于传统环形腔的半切割模型,实验装置如图10所示。其中,增益介质依然使用Yb:Y2O3陶瓷,并且其中一面镀有双色啁啾膜层,另一面以布儒斯特角切割,同时,可以通过控制这种楔形激光介质的通光长度控制腔内净色散量。在1 W的泵浦功率下,实现了稳定的KLM,平均输出功率为20 mW,通过调节图10(b)中OC的位置实现重复频率18.3~23.8 GHz的调谐,在重复频率为20.1 GHz时,得到的锁模脉冲宽度为120 fs,重复频率为23.8 GHz时,脉冲宽度为140 fs,脉冲在腔内循环一次的长度仅为12.5 mm[69]。国际上近些年在LD泵浦的GHz重复频率全固态飞秒激光器中已经实现了重复频率超过20 GHz的锁模运转,但国内目前除了中国科学院物理研究所的张青等人报道的绿光泵浦的1 GHz亚10 fs钛宝石振荡器[70]以及北京大学张志刚教授课题组和华南理工大学杨中民教授课题组在GHz光纤激光器中的相关研究[71-72],还未见到LD泵浦的GHz重复频率全固态飞秒激光器的相关工作,因此国内在该方面的研究起步较晚。笔者所在课题组最近在KLM的GHz飞秒激光器中也取得了初步研究进展,采用传统的四镜环形腔结构,以非线性折射率较高的Yb:KGW(2×10−15 cm2/W[73])晶体为增益介质,合理补偿腔内色散,获得了稳定的1 GHz飞秒激光输出,锁模特性如图11所示,图11(a)、(b)为测量的锁模脉冲宽度和锁模光谱,锁模光谱中心波长为1045 nm,半高全宽为4.2 nm,脉冲宽度为249 fs;图11(c)为基频频谱图,由于所用光电探头的带宽约为350 MHz,在超出带宽后,信号强度会迅速下降,因此未测量对应的谐波频谱,但即使如此,测得的基频信号信噪比也大于60 dB;在泵浦功率为830 mW时,平均输出功率约为150 mW,图11(d)为实验室环境下自由运转的功率曲线,24 h功率抖动均方根(RMS)仅为0.76%,前6 h中的几次功率突然降低可能是因为实验室温度变化以及空气抖动使激光脱离稳定锁模状态,但是均可以在短时间内实现自启动锁模,并继续保持十几小时的稳定运转,如果对整个实验装置进行封装处理,相信其稳定性将会进一步提高。
Figure 11. Characteristics of mode-locking: (a) pulse duration of mode-locking, (b) spectrum of mode-locking, (c) RF spectrum of fundmental frequency, (d) stability test in 24 h
到目前为止,基于KLM的全固态GHz飞秒激光器由于锁模条件的严苛要求,大多只能采用光束质量较好的单模光纤耦合的高亮度LD做为泵浦源,虽然极大地限制了输出功率,但是重复频率已经提升至20 GHz以上,对应用于精密光谱学、高速数据通信等其他领域意义重大。在这里,通过表2对以上提到的KLM全固态GHz飞秒激光器进行总结。
Table 2. Output parameters of KLM all-salid-state femtosecond lasers
LD-pumped high-repetition-rate all-solid-state femtosecond lasers (Invited)
doi: 10.3788/IRLA20201069
- Received Date: 2020-09-12
- Rev Recd Date: 2020-10-14
- Available Online: 2021-01-14
- Publish Date: 2020-12-24
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Key words:
- GHz repetition rate /
- all-solid-state femtosecond lasers /
- Kerr-lens mode locking /
- passively mode locking
Abstract: Compared with traditional ~100 MHz femtosecond lasers, the mode spacing is larger of GHz femtosecond lasers so that each comb can simply be resolved. Furthermore, the less dense of longitudinal modes results in higher average power. Therefore, it has more important application value in many research fields, such as comb-resolvabled spectroscopy, direct optical frequency comb spectroscopy, optical arbitrary waveform generation and astronomical spectrograph calibration. In this review, the generation schemes of GHz femtosecond pulses and the corresponding technical challenges of GHz-repetition-rate all-solid-state femtosecond lasers pumped by laser diode were introduced in detail firsly. Secondly, the international research progresses of all-solid-state GHz femtosecond lasers based on SESAM passively mode-locking and Kerr-lens mode-locking were summarized. Finally, the application value and research object of our group in all-solid-state GHz-repetition-rate femtosecond lasers were forcasted based on our preliminary research results.