基于光子晶體光纖技術(shù)，研制了一種高功率波長可調(diào)諧飛秒光纖激光器。該系統(tǒng)中的激光振蕩器和放大器級采用無展寬器結(jié)構(gòu)的二極管泵浦摻鐿單偏振大模面積光子晶體光纖，在脈沖壓縮后以50 MHz的重復率以10.4 W的平均功率、52 fs的脈寬和4 MW的峰值功率發(fā)送激光脈沖。本文報道了高重復率的硅微加工和鉻納米薄膜圖案化實驗，證明了所開發(fā)的光纖激光源在快速微加工、微加工和微加工方面的潛力。

在長度為10 m的高度非線性PCF中，LMA PCF激光源發(fā)出的1.5 W、52 fs脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜輻射。超連續(xù)譜HN-PCF輸出的光束輪廓如插圖所示。

1 介紹

快速發(fā)展的光纖激光技術(shù)為開發(fā)緊湊可靠的光源提供了誘人的策略，可用于廣泛的應用，包括生物醫(yī)學、顯微鏡和成像、光通信和信息技術(shù)、超快科學和高場物理。新型光纖，如光子晶體光纖（PCF），有助于控制光纖激光系統(tǒng)中的色散和非線性，能夠產(chǎn)生緊湊實用的超短脈沖高功率光纖激光源。

大模面積（LMA）光子晶體光纖用于在不犧牲光束質(zhì)量的情況下減少光纖激光器和放大器中不需要的相位非線性偏移，從而產(chǎn)生高峰值功率、高能超短光脈沖。最近，通過使用基于LMA PCF的啁啾脈沖放大（CPA），以100 kHz的重復率產(chǎn)生毫焦耳亞皮秒脈沖。

在這項工作中結(jié)合了基于低非線性LMA光子晶體光纖和高度非線性小芯光子晶體光纖的獨特解決方案，展示了一種高功率波長可調(diào)諧飛秒光纖激光源。該系統(tǒng)中的激光振蕩器和放大器級采用無展寬器結(jié)構(gòu)的二極管泵浦摻鐿單偏振LMA光子晶體光纖，在脈沖壓縮后以50 MHz的重復率以平均功率10.4 W、脈寬52 fs和峰值功率4 MW的激光脈沖。在高度非線性PCF中對此類激光脈沖進行非線性變換，然后產(chǎn)生可在以下范圍內(nèi)平滑調(diào)諧的光脈沖波長范圍為1.0至1.4μm，可產(chǎn)生450至1750 nm的超連續(xù)譜。

2、結(jié)果與討論

本工作中開發(fā)的光纖激光源包括基于單偏振LMA光子晶體光纖的光纖振蕩器和光纖放大器（圖1），并在其他地方進行了詳細描述。簡而言之，振蕩器采用1.5米長的商用摻Y(jié)b LMA PCF，端部由光纖耦合二極管激光器泵浦，并提供500–600 fs的光脈沖，光譜中心為1040 nm，平均功率高達900 mW，重復頻率為50 MHz。在隔離器之后，這些脈沖通過無展寬器配置直接發(fā)射到放大器的LMA-PCF中。放大器使用3.5米長的摻鐿雙包層LMA PCF，這與振蕩器中使用的光纖相同。

圖1基于高功率波長可調(diào)諧光子晶體光纖的振蕩器放大器移頻器飛秒激光系統(tǒng)的示意圖：LMA PCF，大模面積光子晶體光纖；HN-PCF，高度非線性光子晶體光纖。

激光脈沖在LMA光子晶體光纖中的放大伴隨著自相位調(diào)制（SPM）引起的光譜展寬和非線性相移積累。這種脈沖放大的非線性區(qū)域通常有助于產(chǎn)生高峰值功率超短光脈沖，因為光脈沖的有限非線性相移可以通過在放大階段使用適當?shù)呢撋�散分量來補償。然而，這種短脈沖產(chǎn)生策略需要在振蕩器-放大器系統(tǒng)中的增益、非線性和高階色散之間實現(xiàn)精確平衡，需要采取特殊措施優(yōu)化振蕩器和放大器中的光纖長度，以及振蕩器中的激光脈沖積累和放大器中的脈沖放大。

為了進行這樣的優(yōu)化，檢查了LMA-PCF放大器輸出的頻譜和脈沖形狀，在不同的激光二極管泵浦功率水平下，不同的輸入脈沖功率。在優(yōu)化的工作模式下，光纖振蕩器輸出的啁啾脈沖寬度為510 fs（圖2中的虛線），啁啾補償后可壓縮至約200 fs，平均功率為500 mW。由于LMA PCF振蕩器提供的激光輻射通過光隔離器和其他光學元件傳輸，光纖放大器輸入端的激光脈沖功率降低到180 mW。然后在LMA PCF放大器中以非線性脈沖放大方式放大這些510 fs、180 mW的脈沖，產(chǎn)生平均功率約為20 W、帶寬為48 nm的光脈沖，延伸至2.1 ps（圖2中的虛線），泵浦功率水平為32 W。使用光柵對進行啁啾補償后，這些脈沖被壓縮至52 fs的脈沖寬度（圖2中的實線）。在最佳工作狀態(tài)下，壓縮52 fs脈沖的平均功率為10.4 W，對應于4 MW的峰值功率。在振蕩器和放大器中，在較高的泵浦功率水平下產(chǎn)生了具有較高平均值和峰值功率的激光脈沖。

圖2測量的光纖振蕩器脈沖（點線）、LMA-PCF放大器脈沖（虛線）和壓縮后LMA-PCF放大器輸出的強度自相關(guān)軌跡（實線）。輸入激光脈沖的平均功率為180 mW，脈沖寬度為510 fs。激光二極管泵浦功率為32 W。

為了實現(xiàn)可調(diào)諧頻率轉(zhuǎn)換和超連續(xù)譜的產(chǎn)生，來自LMA-PCF激光器的壓縮和衰減脈沖被發(fā)射到芯徑為2.5μm的高度非線性PCF中（圖3a）。在這種光纖中，當激光脈沖在反常色散區(qū)傳播時，它們傾向于向孤子方向發(fā)展。在圖3b中，將光譜解析的HN PCF輸出映射為輸入脈沖平均功率的函數(shù)。對于更高的輸入能量，PCF可以作為高效的超連續(xù)uum源。對該光子晶體光纖（圖4中插圖）輸出處寬帶輻射光束剖面的檢查表明，超連續(xù)譜主要是在基本光子晶體光纖模式下產(chǎn)生的。圖4顯示了由LMA PCF激光源產(chǎn)生的1.5 W 52 fs脈沖產(chǎn)生的單模PCF超連續(xù)輸出的規(guī)格，從450 nm延伸至至少1750 nm。

圖3 a）高度非線性PCF的SEM圖像。（b）作為LMA-PCF激光源輸出的輸入脈沖平均功率的函數(shù)測量的高度非線性PCF的光譜分辨輸出。

圖4長度為10 m的高度非線性PCF中，LMA PCF激光源產(chǎn)生的1.5 W、52 fs脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜輻射。超連續(xù)譜HN-PCF輸出的光束輪廓如插圖所示。

光纖激光源可用于各種介質(zhì)和半導體材料以及金屬表面和薄膜的快速微細化和微加工。在圖5中展示了一個90◦ 使用450 mW、50 MHz LMA-PCF激光輸出制作硅片微圖案的扇區(qū)。所開發(fā)的光纖激光源具有高重復率和高功率，可實現(xiàn)材料的高速微加工，并為半導體、電介質(zhì)和金屬的并行微加工和微機械加工指明了方向。圖6顯示了由1.35 W、50 MHz LMA-PCF激光脈沖在50 nm厚的鉻膜上產(chǎn)生的方形微圖案。圖5和圖6所示的高質(zhì)量微圖案反映了光纖激光器輸出的出色光束質(zhì)量，而這又是由于所開發(fā)光纖系統(tǒng)的振蕩器和放大器級中摻鐿LMA光子晶體光纖的真正單模操作。

圖5 90◦ 硅片上450 mW、50 MHz LMA-PCF激光輸出產(chǎn)生的微圖案扇區(qū)。

圖6由1.35 W、50 MHz LMA-PCF激光脈沖在50 nm厚的鉻膜上產(chǎn)生的方形微圖案的光學顯微照片。

本文展示了一種基于低非線性LMA光子晶體光纖和高非線性小芯光子晶體光纖的高功率波長可調(diào)諧飛秒光纖激光器。短脈沖光纖光源通過結(jié)合緊湊的無展寬器設計、由于在振蕩器和放大器模塊中使用LMA PCF而實現(xiàn)的單模操作以及在高度非線性PCF中實現(xiàn)的高效可調(diào)諧頻率轉(zhuǎn)換，對現(xiàn)有的先進光纖激光器和放大器系統(tǒng)進行了有利的補充。已證明，所開發(fā)的光源在高脈沖重復率下為快速硅圖標微處理和鉻納米薄膜圖案化提供了很大的前景。雖然其他類型的激光器已成功應用于材料微加工和微機械加工，包括硅組件和金屬表面的加工，但開發(fā)的光纖系統(tǒng)為這些應用提供了與高脈沖重復率相關(guān)的重要優(yōu)勢，允許快速材料加工、高光束質(zhì)量，提供高質(zhì)量的加工和微細加工，以及光纖設計，提供有吸引力的光纖機頭延伸。

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