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高功率2 μm波段超快激光在基础科研、生物医疗、环境检测以及军事国防等领域有着极为广泛的应用[1]。其中具有周期量级脉冲宽度的2 μm超快激光由于脉宽窄和峰值功率高,可以作为非线性频率变换产生宽带相干中红外激光的理想驱动源[2]。波长范围在2.5~20 μm的中红外激光对应着有机分子的指纹谱区,大量有机分子转动和振动的能级跃迁波长位于这一光谱区域[3-4],因此该波段激光可以作为分子检测的有效工具。特别是具有超宽带光谱的中红外激光能够同时对多种分子进行检测,可以大幅提高样品的检测效率和检测精度。此外,脉冲宽度为周期量级的宽带相干中红外激光,还可以用于微纳光谱学以及时间分辨光谱学等领域,有利于获得近衍射极限、高信噪比的测量结果。
以光学参量变换(OPO)、光学参量放大(OPA)以及脉内自差频(IDFG)为代表的频率下转换技术是产生宽带相干中红外激光最常用的方法之一,具有光谱宽、可调谐以及结构紧凑等优点。该技术需要高功率的超短脉冲激光作为驱动源,以满足参量变换的功率密度要求。由于1 μm波段高功率超短脉冲激光器比较成熟,因此目前的驱动源主要集中在1 μm波段[5-6]。然而很多高质量的非氧化物非线性晶体(如GaSe、AgGaSe等)并不适合利用1 μm波段激光作为驱动源,原因在于这些晶体在1 μm波段的透射率很低,并且1 μm波段激光泵浦会导致多光子吸收效应,大幅降低非线性晶体的损伤阈值。而利用2 μm波段激光进行驱动可以有效地解决这些问题,不仅可以避免多光子吸收引起的晶体损伤,而且非氧化物非线性晶体在2 μm波段普遍具有很高的透射率。此外,利用2 μm波段激光泵浦参量过程还可以有效增加相位匹配带宽,使产生的中红外激光具有更宽的光谱范围。
为了增强非线性作用,2 μm驱动激光需要有更高的功率和更短的脉冲宽度,2 μm驱动激光光谱宽度的增加也有利于频率转换后获得更宽的中红外光谱。利用高功率2 μm超快光源在非线性光纤中驱动孤子自压缩是产生高功率少周期2 μm激光的一种有效方法。目前孤子自压缩广泛用于光纤激光器的脉冲压缩中(表1),德国马普光科学研究所的F. Köttig和D. Schade等人[7-8]利用1 μm掺Yb光纤激光器作为种子源,分别将250 fs和350 fs的脉冲光压缩至4.9 fs和3.8 fs。S. Xing等人[9]利用平均功率为1.94 W、波长为1560 nm的锁模激光器,先通过拉曼频移产生2 μm波段激光,经过放大后进行孤子自压缩,获得平均功率为327 mW、脉宽为9.5 fs的2 μm窄脉宽激光输出。耶拿大学的C. Gaida等人[10]利用掺Tm光纤放大器作为种子源,产生平均功率为31.4 W、脉冲宽度为110 fs的1.9 μm种子光,同样基于光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的孤子自压缩技术获得了18 W、16 fs的2 μm波段驱动光,并应用于中红外激光产生实验,获得了功率为150 mW、光谱范围为3.7~18 μm的宽带相干中红外光谱。利用光纤放大器作为种子源需要进行多级放大,使得系统整体结构较为复杂。兰州理工大学的侯尚林等人[11]设计了新型SiO2 PCF结构,可以实现将100 fs的脉冲压缩至4.96 fs。
表 1 超快激光孤子自压缩结果
Table 1. Results of ultrafast laser soliton self-compression
碟片激光器具有散热效率高、输出功率和能量高、光束质量好等优点,是非线性频率变换的理想驱动源。此前K. F. Mak等人[12]利用1 μm波段Yb: YAG碟片激光器作为种子源,结合孤子自压缩技术,实现了9.1 fs、14.5 W的超快激光输出。J. Zhang等人[13]进一步利用Ho: YAG超快碟片振荡器作为种子源,输出平均功率为19 W、脉冲宽度为260 fs的2.1 μm种子光,随后在PCF中利用孤子自压缩技术获得了平均功率为7 W、15 fs的2 μm波段驱动光,并利用腔内自差频技术进行中红外激光产生实验,获得了功率为24 mW、光谱范围为4.5~20 μm、载波包络相位稳定的宽带相干中红外光谱。在该工作中,由于光子晶体光纤芯径的限制,输入到PCF中的种子激光只有11 W,并没有充分利用Ho: YAG超快碟片激光器输出的全部功率,限制了2 μm驱动激光功率以及产生中红外激光功率的进一步提升。
文中在此前Ho: YAG碟片激光器驱动光纤孤子自压缩工作的基础上,进一步提高周期量级2 μm驱动光的平均功率。实验采用更大芯径的PCF,将输入的种子光功率提高到13 W,获得了平均功率为10.2 W、脉冲宽度为21.6 fs的2 μm超短脉冲,该脉冲宽度对应3个光学周期。此外,笔者对孤子自压缩进行了理论模拟,模拟结果与实验结果基本符合。
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激光脉冲在光纤中传输时,同时受到色散和非线性效应的影响。当光纤具有反常色散时,可以实现两者的相互平衡,形成稳定传输的光脉冲,这种光脉冲被称为光孤子,光纤传输中的光孤子一般可用非线性薛定谔方程来描述。采用孤子自压缩方法输出的孤子脉冲宽度的大小取决于光纤模场直径(MFD)、耦合进入光纤后的驱动脉冲的功率以及光子晶体光纤的长度等因素,其中MFD越小则脉宽越窄,但获得的脉冲功率也会降低。为了提高脉冲功率,实验中选用芯径为20 μm的PCF,该PCF在780 nm和1064 nm处的MFD分别为16.4 μm和16.5 μm,MFD的值随着驱动脉冲的波长变长而略微增大,因此可以推断出其在2090 nm处的MFD为16.8 μm。在MFD确定的情况下,耦合进入光纤后的驱动脉冲的功率以及光子晶体光纤的长度需要满足一定的平衡关系才能使输出的激光脉冲实现孤子自压缩。基于非线性薛定谔方程对孤子自压缩过程进行了理论模拟,当忽略光纤中的损耗,仅考虑二阶群速度色散和自相位调制效应时的脉冲传输方程为[16]:
$$ {i}\frac{\partial {A}}{\partial {\textit{z}}}=\frac{{\mathrm{\beta }}_{2}}{2}\frac{{\partial }^{2}{A}}{{\partial }^{2}{\textit{z}}}-\mathrm{\gamma }{\left|{A}\right|}^{2}{A} $$ (2.1) 式中:A(z,T)为光脉冲的振幅;β2为二阶群速度色散量;γ为自相位调制的非线性参量。对公式(1)进行求解可知在光纤中传输的光脉冲的光场激发出了新的频率分量,导致频谱的展宽。求解过程中引入了一个参量为孤子阶数N,定义为:
$$ {N}^{2}=\frac{\gamma {P}_{0}{T}_{0}^{2}}{\left|{\beta }_{2}\right|} $$ (2.2) 式中:T0为入射的脉冲宽度;P0为入射脉冲的峰值功率。由此可以计算得出维持稳定的孤子所需的最小峰值功率值。文中β2为−0.123 ps2/m,T0为260 fs,γ为2.98×10−4/W·m,则维持基阶孤子(N=1)所需最小的峰值功率约为6.12×103 W。但如果入射脉冲的功率不满足该式中N取整数的结果,在光纤传输的过程中脉冲还是会逐渐演化为稳定的孤子,多余的能量会与孤子脉冲分开并逐渐衰减。从光纤输出的孤子脉冲宽度主要取决于入射脉冲的形状、峰值功率以及光纤长度。脉冲宽度与入射脉冲的峰值功率成反比,当考虑光纤损耗时,光脉冲峰值功率降低导致基阶孤子脉冲宽度随传输距离增加而增大。在求解非线性薛定谔方程过程中,需要考虑拉曼增益以及自陡峭效应的影响。光纤的非线性折射率为2.2×10−20/m2·W,其二阶色散量为−0.123 ps2/m (@2100 nm)。光纤的高阶色散对光脉冲的压缩也存在一定影响,但由于光纤长度较短,高阶色散相比于二阶色散来说可以忽略,因此,文中在模拟过程中仅考虑二阶色散的影响。入射高斯脉冲宽度为260 fs,进入光纤中的脉冲能量为0.13 μJ,以该能量可以维持9阶孤子脉冲在PCF内的稳定传输。
最终模拟得到的结果如图2所示,从图中可以看出,随着耦合进入光纤的驱动光的功率的增大,展宽后脉冲获得最短脉冲宽度所需要的光纤的长度是逐渐减小的,并且所能达到的最短脉冲宽度也是逐渐变短的。因此,耦合进入PCF的激光功率越高,同时PCF光纤长度越短,所能获得的激光脉冲的宽度越短。图3分别为耦合进入光纤的激光脉冲功率不相同时,获得最短脉冲宽度时所对应的输出激光脉冲的光谱。在实验中由于光纤切割条件的限制,笔者利用31 mm长度的PCF光纤开展实验,入射进入光纤之前的驱动激光脉冲的平均功率为13 W,在最短脉冲宽度条件下可以获得耦合输出的激光脉冲的平均功率为10.2 W。
High-power, few-cycle 2 μm laser pulse generation based on soliton self-compression (Invited)
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摘要: 具有少周期量级脉冲宽度的高功率2 μm波段超快激光在非线性频率变换、激光光谱学以及医疗等领域有着重要且广泛的应用。利用高功率2 μm超快光源驱动孤子自压缩是产生高功率少周期2 μm激光的一种有效方法。文中利用自建的2 μm Ho:YAG锁模碟片振荡器作为种子源,在大模场光子晶体光纤中进行光谱展宽并实现孤子自压缩,最终获得了平均功率为10.2 W、脉冲宽度为3个光学周期的2 μm激光输出。实验采用FROG对输出脉冲的宽度和光谱进行测量,并与波长计测量的光谱以及理论模拟的结果进行了比较,验证了实验结果的准确性。Abstract: High-power 2 μm lasers with few-cycle pulse duration have enabled diverse and important applications ranging from nonlinear frequency conversion, laser spectroscopy to medicine. Soliton self-compression is an effective scheme to deliver such pulses, which is driven by a high-power 2 μm laser source with relatively longer pulse duration. In this work, the soliton self-compression process was realized in a large-mode-area photonic crystal fiber(PCF) driven by a mode-locked Ho:YAG thin-disk oscillator, which delivered three-cycle laser pulses at the center wavelength of 2 μm with an average power of 10.2 W. The pulse duration and spectrum of the pulses were measured by a frequency-resolved optical gating(FROG) apparatus, matching well with the simulation results.
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Key words:
- soliton self-compression /
- 2 μm thin-disk laser /
- mid-infrared /
- FROG
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图 1 (a) 实验装置图;HWP:半波片,TFP:薄膜偏振分光片,OPA:表面镀金的90°离轴抛物面镜,BS:分束器;(b) 锁模脉冲光谱图;(c) 锁模脉冲自相关轨迹
Figure 1. (a) Experimental setup; HWP: Half-wave plate, TFP: Thin film polarizer, OPA: Gold 90° off-axis parabolic mirror, BS: Beam splitter; (b) Spectrum of the mode-locked pulses; (c) Autocorrelation trace of the mode-locked pulses
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[1] Zhang J, Schulze F, Mak K F, et al. High-power, high-efficiency Tm: YAG and Ho: YAG thin-disk lasers [J]. Laser & Photonics Reviews, 2018, 12(3): 1700273. doi: 10.1002/lpor.201700273 [2] Gaida C, Gebhardt M, Stutzki F, et al. Self-compression in a solid fiber to 24 MW peak power with few-cycle pulses at 2 μm wavelength [J]. Optics Letters, 2015, 40(22): 5160-5163. doi: 10.1364/OL.40.005160 [3] Murari K, Stein G J, Cankaya H, et al. Kagome-fiber-based pulse compression of mid-infrared picosecond pulses from a Ho: YLF amplifier [J]. Optica, 2016, 3(8): 816-822. doi: https://doi.org/10.1364/OPTICA.3.000816 [4] Tittel F K, Richter D, Fried A. Mid-Infrared Laser Applications in Spectroscopy[M]. Berlin, Heidelberg: Springer, 2003. [5] Brons J, Pervak V, Fedulova E, et al. Energy scaling of Kerr-lens mode-locked thin-disk oscillators [J]. Optics Letters, 2014, 39(22): 6442-6445. doi: 10.1364/OL.39.006442 [6] Brons J, Pervak V, Bauer D, et al. Powerful 100-fs-scale Kerr-lens mode-locked thin-disk oscillator [J]. Optics Letters, 2016, 41(15): 3567-3570. doi: 10.1364/OL.41.003567 [7] Schade D, Kttig F, Koehler J R, et al. Scaling rules for high quality soliton self-compression in hollow-core fibers [J]. Optics Express, 2021, 29(12): 19147. doi: 10.1364/OE.426307 [8] Kttig F, Schade D, Koehler J, et al. Efficient single-cycle pulse compression of an ytterbium fiber laser at 10 MHz repetition rate [J]. Optics Express, 2020, 28(7): 9099-9110. doi: 10.1364/OE.389137 [9] Xing S, Kowligy A S, Lesko D, et al. All-fiber frequency comb at 2 microm providing 1.4-cycle pulses [J]. Optics Letters, 2020, 45(9): 2660-2663. doi: 10.1364/OL.391486 [10] Gaida C, Gebhardt M, Heuermann T, et al. Watt-scale super-octave mid-infrared intrapulse difference frequency generation [J]. Light: Science & Applications, 2018, 7(1): 94. doi: 10.1038/s41377-018-0099-5 [11] Hou Shanglin, Lei Jinli, Wu Qiling, et al. Enhanced femtosecond optical pulses compression in highly nonlinear photonic crystal fibers(invited) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(1): 0103004. (in Chinese) [12] Mak K F, Seidel M, Proninet O, et al. Compressing µJ-level pulses from 250 fs to sub-10 fs at 38-MHz repetition rate using two gas-filled hollow-core photonic crystal fiber stages [J]. Optics Letters, 2015, 40(7): 1238-1241. doi: 10.1364/OL.40.001238 [13] Zhang J, Mak K F, Nagl N, et al. Multi-mW, few-cycle mid-infrared continuum spanning from 500 to 2250 cm−1 [J]. Light: Science & Applications, 2018, 7(2): 17180. doi: 10.1038/lsa.2017.180 [14] Hauri C P, Lopez-Martens R B, Blaga C I, et al. Intense self-compressed, self-phase-stabilized few-cycle pulses at 2 μm from an optical filament [J]. Optics Letters, 2007, 32(7): 868-870. doi: 10.1364/OL.32.000868 [15] Gerz D, Schweinberger W, Butler T P, et al. Mid-infrared long-pass filter for high-power applications based on grating diffraction [J]. Optics Letters, 2019, 44(12): 3014-3017. doi: 10.1364/OL.44.003014 [16] Agrawal G P. Nonlinear fiber optics [J]. Lecture Notes in Physics, 2005, 18(1): 88-116.