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建造飛秒光纖激光器往往使用單模光纖,其較小的芯徑伴隨著很強(qiáng)的非線性,易造成脈沖分裂,因此限制了激光功率的提升。利用折射率漸變多模光纖(GRIN MMF)的時(shí)空鎖模,在理論上可獲得很高的功率,而且近年來發(fā)現(xiàn)的光束自清潔(Self-cleaning)效應(yīng)有望改善輸出光束質(zhì)量。這篇文章報(bào)導(dǎo)了具有腔內(nèi)克爾誘導(dǎo)光束自清潔特性的多模鎖模光纖激光器,可以產(chǎn)生高能量且光束質(zhì)量良好的飛秒脈沖。

圖1 多模諧振腔模擬系統(tǒng)示意圖

在多模諧振器模擬中, 作者考慮了五個(gè)低階模式共存,系統(tǒng)如圖1所示,仿真初始條件為量子噪聲場,脈沖演化過程中的脈寬及譜寬變化如圖2所示。在增益光纖末端可以得到最短的脈沖,脈寬為450 fs,也對應(yīng)于腔內(nèi)最高的峰值功率,可以使脈沖在GRIN MMF部分達(dá)到克爾誘導(dǎo)光束自清潔的閾值。

圖2 模擬腔中的脈沖演化,脈寬和光譜帶寬隨傳播位置的變化。SA,飽和吸收器;PC,脈沖壓縮

由于摻Yb增益GRIN MMF的生產(chǎn)非常復(fù)雜,本實(shí)驗(yàn)中采用商業(yè)化階躍折射率增益MMF。與階躍折射率MMF相比,GRIN MMF段在腔內(nèi)的模間色散可以忽略。實(shí)驗(yàn)中,該課題組采用非線性偏振演化(NPE) 實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模,實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。二極管泵浦源功率為20W,波長為976nm,通過泵浦合束器與1．3米長的MMF增益光纖熔接。為了激發(fā)GRIN MMF中的高階模,故意在增益光纖與1．4米 GRIN MMF熔接時(shí)引入5μm的偏移。

在第一段GRIN MMF之后,光束準(zhǔn)直后經(jīng)過一組波片、偏振分束器(PBS)、隔離器、光柵對(600/mm)以及空間過濾器(隨機(jī)放置的小孔)。空間過濾器用于限制腔內(nèi)的模態(tài),在多模激光腔的實(shí)驗(yàn)中,在沒有模態(tài)濾波的情況下,鎖模在長期運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生振蕩。在上述腔中,隨機(jī)放置的針孔能夠確保穩(wěn)定的鎖模。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對于不同的針孔位置,空間光束的分布保持不變。腔中的光柵對引入較大負(fù)色散,導(dǎo)致進(jìn)入GRIN MMF的脈沖帶有一定的負(fù)啁啾,因而脈沖在GRIN MMF及增益MMF中會(huì)被壓縮。

圖3 多模克爾誘導(dǎo)自清潔效應(yīng)諧振腔實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)中脈沖由連續(xù)輸出到鎖模輸出演化如圖4所示,可見當(dāng)被動(dòng)鎖模發(fā)生后,伴隨著激光腔內(nèi)形成飛秒脈沖,克爾誘導(dǎo)的自清潔效應(yīng)極大地提高了光束質(zhì)量。

圖4 減少腔損耗從連續(xù)波到鎖模狀態(tài)的輸出光束演化(8nJ輸出脈沖能量)

如圖5所示,當(dāng)泵浦功率為3．5 W時(shí),可以產(chǎn)生20 nJ、3．88ps的脈沖,光譜寬40nm,脈沖在腔外由光柵對可以壓縮到97fs,M2測量平均結(jié)果為1．13(M2x=1．08,M2y=1．17)。

圖5輸出能量為20nJ時(shí)的輸出光束參數(shù)

該課題組實(shí)驗(yàn)中觀察到M2值隨著脈沖能量的增加而減小,證明腔內(nèi)確實(shí)發(fā)生了克爾誘導(dǎo)的自清潔效應(yīng),該實(shí)驗(yàn)開辟了高能量超快光纖激光器的新方向。