摘要：

本文報道了一種基于光纖的啁啾脈沖放大激光系統，該系統利用塊狀投射光柵壓縮脈寬到357fs，平均功率為175W，脈沖能量為233μJ，被壓縮脈沖序列光束質(zhì)量1.21。該功率放大器基于最先進(jìn)的單模光子晶體棒型摻鐿光纖，實(shí)現平均功率248W，重復頻率750kHz。對激光系統的長(cháng)期穩定性進(jìn)行了超過(guò)4000小時(shí)的連續測試，沒(méi)有顯示出橫向模不穩定(TMI)的跡象。

光纖放大器已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，光纖的大表面體積比及其在熱管理方面的優(yōu)勢，平均功率不斷提升，同時(shí)保持了接近衍射極限的光束質(zhì)量。然而，由于傳統增益光纖具有較長(cháng)的相干長(cháng)度和相對較小的有效面積，光學(xué)非線(xiàn)性成為阻礙功率提升的一個(gè)嚴重問(wèn)題。非線(xiàn)性效應的閾值可以通過(guò)增加有源光纖有效模場(chǎng)面積和增加泵浦吸收來(lái)提高，減小放大器的有效長(cháng)度[1,2]。降低非線(xiàn)性效應的另一種方法是通過(guò)使用啁啾脈沖放大(CPA)方案來(lái)降低光纖中的強度，該方案基于在放大階段之前展寬脈沖，再壓縮[3]。通過(guò)多通道放大系統的相干光束組合[4]或多芯光纖[5]，可以實(shí)現接近衍射極限輸出的進(jìn)一步功率放大。光纖放大器的另一個(gè)限制是橫向模式不穩定(TMI)，限制了在保持穩定運行的同時(shí)可以提取的平均功率。如果放大器中的TMI顯著(zhù)，則會(huì )影響光束質(zhì)量和穩定性，輸出模式將包含大量的高階模式，從而降低激光輸出的質(zhì)量。除其他因素外，TMI的發(fā)生與光纖長(cháng)度的熱負荷和高階模式(HOMs)的有限抑制有關(guān)-4。因此，降TMI的方法包括減少熱負荷以及確保強抑制HOMs的波導設計。

本文中

我們關(guān)注單通道放大器的功率放大，并利用CPA方案以及TMI閾值遠高于平均功率250 W的摻鐿棒-光纖放大器的大有效面積，先前發(fā)表的基于單通道光纖的CPA系統的個(gè)別報告顯示，平均功率超過(guò)100W[11]，脈寬400fs[12,13]，脈沖能量超過(guò)150μJ[14]。最好是將高脈沖能級與接近兆赫的重復率結合起來(lái)。在文中我們展示了一個(gè)單通道CPA系統，其脈沖能量為233μJ，工作在750kHz的重復率，這是前所未有的數據。平均功率為175W，脈寬357fs，再壓縮后的光束質(zhì)量1.21。

圖1▲利用Rod功率放大的CPA系統

完整的CPA系統如圖1所示，包括前端、基于PCF棒的功率放大器和壓縮器，在壓縮器之后，根據功率分析輸出。前端包括一個(gè)鎖模種子激光器，提供170fs脈沖序列，中心波長(cháng)為1029nm，重復頻率為40MHz。種子激光器的脈沖經(jīng)過(guò)雙光纖Bragg光柵展寬，再經(jīng)過(guò)聲光調制器(AOM)，將脈沖重復率降低到750kHz，以及兩個(gè)附加的光纖放大器。降低重復頻率以增加脈沖能量。Amp1和Amp2都是標準的6μm纖芯泵浦階躍折射率單模光纖放大器，而Amp3基于雙包層摻鐿光纖(NKT Photonics的DC-135/14-PM-Yb)。光纖前端部分提供500mw的輸出功率，脈寬1.5ns。前端的輸出自由空間耦合到第一個(gè)棒-光纖放大器(Amp4)，該放大器提供25W的輸出功率，耦合到第二個(gè)棒-光纖放大器Amp5)，其中信號被進(jìn)一步放大到248w，對應于脈沖能量333μJ和峰值功率216kW。Amp4基于標準的商用aeroGAIN-ROD(來(lái)自NKT Photonics的aeroGAINROD-PM85)，而Amp5中使用的棒狀光纖是aeroGAIN-ROD的改進(jìn)版本，用于抑制TMI并放大功率。Amp4和Amp5上使用的兩種光纖纖芯均為85um，260um的光子晶體包層泵浦結構。無(wú)熱負荷情況下，兩種棒狀光纖的無(wú)源模場(chǎng)直徑(MFD)在1030nm處為60μm - 65μm。前端和功率放大器部分的所有放大器都是后向泵浦的，除了Amp1之外，在所有放大級之后都有一個(gè)光隔離器。用于兩個(gè)棒-光纖放大器級的泵浦源，為基于體積布拉格光柵、工作波長(cháng)為976 nm的泵源。在對激光輸出進(jìn)行表征之前，功率放大器的輸出通過(guò)兩個(gè)雙層臺式壓縮光柵。塊狀研所光柵的效率約為80%。

圖2▲經(jīng)過(guò)rod功率放大的壓縮前后的信號光功率及模場(chǎng)直徑，隨泵浦功率的變化

圖2顯示了經(jīng)過(guò)壓縮后測量的平均信號功率，以及Amp5輸出的信號光的模場(chǎng)直徑MFD，隨泵浦功率變化的函數，壓縮前后斜效率為0.68和0.52。由于aeroGAIN-ROD是一種大芯單模光纖，數值孔徑相應較小，這反過(guò)來(lái)又使NA容易受到熱致折射率變化的影響，對于二氧化硅來(lái)說(shuō)，變化約為≈1 × 10?5K?1[15]。隨著(zhù)信號功率從0增加到248W，由于熱透鏡效應導致的纖芯發(fā)熱，使得光纖的模場(chǎng)直徑MFD，從60μm變化到50μm。

包括前端、功率放大器和壓縮器在內的整個(gè)CPA系統的長(cháng)期穩定性已連續測試超過(guò)4000小時(shí)，TMI是隨時(shí)間累積的光子暗化的函數，導致纖維中沉積的熱量增加，從而降低了TMI閾值[16,17]。在[16]中，PD過(guò)程的熱負荷貢獻占總熱負荷的50%以上，這不能僅從短期試驗中觀(guān)察到。

圖3▲經(jīng)過(guò)壓縮后的信號光功率，以及經(jīng)過(guò)rod功率放大后的模場(chǎng)直徑，隨時(shí)間的變化

在長(cháng)期測試的整個(gè)持續時(shí)間內，測量經(jīng)壓縮器輸出功率的衰減約為10W，其中包括在測試的最初30小時(shí)內觀(guān)察到的4W衰減，隨后在接下來(lái)的4000小時(shí)內逐漸衰減6W，相當于每1000小時(shí)≈0.8%。

在長(cháng)時(shí)間測試過(guò)程中，觀(guān)察到MFD減少了2μm，對應于4%的相對變化。變化率似乎隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低，并且在測試的最后1000多個(gè)小時(shí)中，MFD的變化甚至小于MFD值的測量不確定度。MFD的變化在于光纖芯折射率的逐漸變化，而折射率的變化又直接由PD誘導的折射率變化以及與PD誘導熱負荷相關(guān)的熱透鏡的輕微增加引起。

0時(shí)、2075小時(shí)、4150小時(shí)的壓縮后的自相關(guān)正割曲線(xiàn)、輸出光譜以及Amp5放大后的強度輪廓如圖4所示。再放大過(guò)程中積累的非線(xiàn)性相移導致了自相關(guān)曲線(xiàn)少量的強度邊帶，與再壓縮的雙曲正割曲線(xiàn)吻合。測試中大約每小時(shí)測試一次脈寬，CPA系統為實(shí)驗臺上的自由空間，脈寬值對周?chē)h(huán)境敏感，盡管如此，大部分時(shí)間脈寬都在400fs以下，中位數約357fs。由于水冷控制在定溫25度，放大級沒(méi)有波動(dòng)。

輸出光譜每小時(shí)測一次，3dB和10dB帶寬分別為5.5nm和9.6nm，各放大級的3dB譜寬分別為，種子光6.8nm、前端6.7nm、amp4-6.4nm、amp5-5.8nm，測試過(guò)程中譜寬穩定?？梢钥吹接捎趬嚎s光柵，輸出光譜的長(cháng)波段陡然截止。非線(xiàn)性相移引起的光譜波動(dòng)影響了再壓縮。實(shí)驗顯示750kHz重頻下，脈沖能量的增加，導致了更大的光譜強度波動(dòng)以及脈沖時(shí)域邊帶，假設相移為零，脈寬值為330fs。

圖4▲經(jīng)過(guò)rod放大后的光譜，自相關(guān)曲線(xiàn)以及光斑輪廓

壓縮后的M2通過(guò)逐點(diǎn)測量獲得，M2x=1.21，M2y=1.17，像散0.07，非對稱(chēng)值1.15。圖4顯示了amp5后的M2x=1.04，M2y=1.04，像散0.02，非對稱(chēng)值1.03。rod放大級保證了良好的光束質(zhì)量。

圖5▲放大后的TMI光譜及功率隨時(shí)間變化

圖5顯示了整個(gè)測試過(guò)程中amp5后輸出光TMI的動(dòng)態(tài)特征，利用ST-method[18]通過(guò)高速相機獲得TMI動(dòng)態(tài)細節。光譜圖中多數峰值頻率發(fā)生變化，這與強度調制相關(guān)，如圖6所示，激光輸出重頻遠高于相機的采樣率，未被采樣的不計。圖5中離散線(xiàn)描述整體動(dòng)態(tài)變化，與相機積分時(shí)間變化引起的系統開(kāi)關(guān)有關(guān)。整體的長(cháng)時(shí)間測試中，TMI值保持在可忽略的程度，包括強度調制峰值在內的最大值為-29dBc。事實(shí)上即使有一些圖3所示的寄生的PD光子暗化產(chǎn)生，其附加的熱負荷并未引起TMI信號，也佐證了aeroGAIN-ROD增加了TMI的產(chǎn)生閾值。上一代aeroGAIN-ROD相同條件下的TMI信號約為-15dBc，這與其他報道中TMI值相一致，本文中的新一代aeroGAIN-ROD展示了未受TMI限制的長(cháng)時(shí)間穩定的功率。

圖6▲TMI功率譜密度

總結：

報道了一個(gè)基于單芯棒狀光纖的CPA系統，中心波長(cháng)1030nm，脈寬357fs，重頻750kHz，175W平均功率，233uJ，光束質(zhì)量M2=1.21。也是目前最好的單模棒狀光子晶體摻Yb光纖表現，并未由于光子暗化PD引起任何TMI信號的增加，使之超過(guò)4000小時(shí)放大到248W平均功率而未伴有TMI。這說(shuō)明大芯徑光子晶體光纖對于實(shí)現近衍射極限的MHz重頻，百u(mài)J超快激光放大器，是比較合適的技術(shù)。隨著(zhù)熱管理技術(shù)和大芯徑光纖工藝的發(fā)展，將會(huì )實(shí)現更高的功率。

高功率摻鐿棒狀光纖增益模塊

新ROD平均額定功率可達 250W 

高光束質(zhì)量、大模場(chǎng)面積、高TMI閾值

是高功率超快激光的理想選擇!

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