專利名稱：一種高重復(fù)頻率、高功率光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超快激光技術(shù)方向，具體的講是將高重復(fù)、高功率頻率光學(xué)頻 率梳激光放大的新方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前光學(xué)領(lǐng)域的研究正在向10—18的頻率標(biāo)準(zhǔn)精度、10_18秒(阿秒)的時間
分辨精度推進，精密光譜學(xué)己成為一系列超越傳統(tǒng)物理的重大基本科學(xué)問題探
索與高新技術(shù)發(fā)展的新基點，并與21世紀(jì)最為關(guān)注的信息、生命、材料、環(huán) 境、航空航天等科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展息息相關(guān)。在精密光譜的時間超高分辨方面， 人類于1980年前后開始進入飛秒(10—155)超快時代，最近幾年來，為實現(xiàn)時間
超高分辨的超快光學(xué)與光譜學(xué)正在進行著從飛秒向亞飛秒至阿秒的跨越。利用 超短激光的高次諧波產(chǎn)生、分子調(diào)制的受激Raman過程等新技術(shù)已可以突破 lfs的時間極限。值得注意的是，由于超短脈沖的頻譜寬度和脈沖時間寬度是 一對相互制約的物理量， 一直未找到能同時實現(xiàn)時-頻域高分辨的光譜探測方 法。直到20世紀(jì)末，科學(xué)家通過對飛秒激光穩(wěn)頻技術(shù)的研究、超快激光的載 波位相的精確控制突破了光場時域和頻域研究領(lǐng)域的隔閡，實現(xiàn)了對光場時-頻域同時精密控制和飛秒光學(xué)頻率梳，進而可發(fā)展時域和頻域同時具有超高分 辨率的光譜探測，極大地提升基于超快激光的精密光譜學(xué)的技術(shù)手段和應(yīng)用范 疇。J. L. Hall和T. W. Hansch因為在飛秒光學(xué)頻率梳方面的杰出工作獲得 了 2005年的諾貝爾獎。
下面通過飛秒鎖模激光器簡要介紹光學(xué)頻率梳的原理。飛秒鎖模激光器采 用寬帶增益介質(zhì)，運用鎖模技術(shù)鎖定激光模式，激光器輸出為時間上等間距的 短脈沖序列。對其應(yīng)用傅立葉變換可以在頻域得到等間距的頻譜，則這些等間 距的頻譜在激光增益介質(zhì)增益線型內(nèi)形成"光頻梳"。相鄰縱模的平率間距為f=c/2L，這里c為光速，L為諧振腔腔長。f 一般為幾十到一百兆赫茲量級，屬 于微波頻率的范圍，但是由于脈沖的相速度與脈沖包絡(luò)的群速度不一致，這樣 在以f為坐標(biāo)的軸向上，接近第N個坐標(biāo)的縱模，其絕對頻率可以表示為
這里N為整數(shù)，y。為光頻梳的頻率起點的偏置頻率。目前利用摻鈦藍寶石 激光器所產(chǎn)生的飛秒激光脈沖，利用色散補償技術(shù)已可以將輸出脈沖壓縮到
5fs。由于脈寬壓縮到了5fs，載波波長的激光振蕩的時間還不到2個光周期， 這樣就必須考慮載波相位 變化的問題。由于載波相位與光頻梳的頻率起點
的偏置頻率y。存在著y。 ^hA一,的關(guān)系，所以對載波相位的測量就等價于對光
頻梳的頻率起點的偏置頻率的測量。采用光子晶體光纖把與脈沖寬度為5f s激
光的光譜，利用光子晶體光纖中的自相位調(diào)制效應(yīng)，將光譜展寬到大于一個倍
頻程，也就是同時包含基波波長與倍頻光波長的超寬光譜，覆蓋500nm 1200nm 的譜區(qū)，這樣經(jīng)過差拍光譜長波部分的倍頻光與光譜中的短波部分，就可以精 確地測量到A。 J. L. Hall教授的研究小組就是采用這種技術(shù)，第一次實現(xiàn) 了光學(xué)頻率與微波頻率的直接連接，并且成功的測量了 778nm鈦寶石激光的精
確波長。
目前，科學(xué)家對光學(xué)頻率梳的研究主要集中于摻鈦藍寶石激光振蕩器振蕩 器，而這種激光振蕩器的平均輸出功率為300mW左右， 一般很難超過500mW， 原因不僅在于激光振蕩器本身輸出的平均功率就十分有限，而且這種梳狀頻率 結(jié)構(gòu)的激光輸出需要很大一部分的輸出能量進行反饋控制。當(dāng)把這種光學(xué)頻率 梳推進并發(fā)展到更高準(zhǔn)確度和更高頻率的紫外光波段的時候，光頻梳激光的平 均功率的大小顯的尤為重要。由于高次諧波的產(chǎn)生效率及其低，那么就需要在 可見波段的光學(xué)頻率梳有可觀的平均功率。這種高平均功率的產(chǎn)生僅僅依靠振 蕩器的功率輸出是遠遠不夠的。但是，傳統(tǒng)的激光放大介質(zhì)和放大方法在應(yīng)對 這種百兆赫茲重復(fù)頻率的梳狀脈沖時，熱效應(yīng)的累積成為不可逾越的障礙。而 采用外腔增強的方法，需要精細的外腔結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整，高質(zhì)量光學(xué)鏡片拋光 和鍍膜，精確腔內(nèi)色散控制和補償，使得研制過程十分困難。為了滿足在紫外 非線性光學(xué)、阿秒脈沖的產(chǎn)生和極紫外光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生等等的實驗需求，目前，國際上競相開展了大功率光學(xué)頻率梳的實驗研究，已有的最先進的大功率
飛秒光學(xué)頻率梳的平均功率也只達到10W (JILA USA研制)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種獲得高功率光學(xué) 頻率梳的方法，該方法利用摻鐿單模光纖和大模場雙包層光纖的高增益，對摻 鈦藍寶石激光器輸出的光頻梳激光的紅外1微米以上的部分進行放大，從而獲 得平均功率超過百瓦的光學(xué)頻率梳。
本發(fā)明目的的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
一種獲得高功率光學(xué)頻率梳的方法，其特征在于采用至少四級光纖級聯(lián)
放大的方法，包括預(yù)放大系統(tǒng)、主放大系統(tǒng)，所述預(yù)放大系統(tǒng)包括至少兩個摻 鐿單模光纖放大器，所述主放大系統(tǒng)包括至少兩個大模場摻鐿雙包層光纖放大
器，以摻鈦藍寶石激光器輸出的光頻梳激光(脈沖寬度7fs)為種子光，將輸 出光譜在1000-1100nm附近的光注入到一根普通的單模光纖中，普通單模光纖 連接波分復(fù)用器(WDM)后將激光引入預(yù)放大系統(tǒng)中的第一級單模光纖放大器， 之后順序經(jīng)過第二級單模光纖放大器、主放大系統(tǒng)中的第一級雙包層光纖放大 器及第二級雙包層光纖放大器，通過放大系統(tǒng)將光頻梳激光的平均功率從毫瓦 量級提高到超過百瓦，其中自發(fā)放大輻射的抑制主要由第一級單模光纖放大器 來完成，通過測量放大后激光的偏振消光比和光譜噪聲抑制比可以檢測放大噪 聲的抑制程度。
本發(fā)明的優(yōu)點在于可以將極低平均功率的光頻梳激光放大到超過百瓦量 級，獲得大功率光頻梳是傳統(tǒng)激光放大器及強增強技術(shù)無法實現(xiàn)的能量尺度。 實現(xiàn)技術(shù)上大大降低了對種子光頻梳激光功率的要求，實驗方案結(jié)構(gòu)簡單，便 于操作。 附圖概述
附
圖1本發(fā)明進行光頻梳激光放大的原理框架圖； 附圖2本發(fā)明實施例具體光路結(jié)構(gòu)原理圖。 具體實施方案
以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解
如圖1、 2所示，圖中標(biāo)號分別表示信號激光器Ti:sapphire、雙色鏡 DM1、高反鏡HR1、透鏡L1、隔離器OIl、 0.6米摻鐿單模光纖YDSF、波分復(fù) 用器WDM1、 980nm激光二極管980nm diode laser 1、隔離器012、 2米摻鐿 單模光纖YDSF、波分復(fù)用器WDM2、 980nm激光二極管980nm diode laser 2、 透鏡L2、高反鏡服2、高反鏡服3、半波片HWP、隔離器013、透鏡L3、 1. 2 米大模場摻鐿雙包層光纖LMA-YDCF、透鏡L4、雙色鏡DM2、透鏡L5、 980nm 激光二極管980nm diode laser 3、高反鏡服4、半波片HWP、隔離器014、透 鏡L6、 1. 5米大模場摻鐿雙包層光纖LMA-YDCF、透鏡L7、雙色鏡DM3、透鏡 L8、 980nm激光二極管980nm diode laser 4、高反鏡HR5、測量系統(tǒng)及主要 應(yīng)用OPCPA系統(tǒng)Measurement OPCPA system.
所述的摻鐿單模光纖為摻雜鐿離子的增益光纖，可提供1微米到1. 1微米 波長范圍的增益，增益帶寬接近100納米。
所述的摻鐿雙包層光纖為摻雜鐿離子的特種光纖，可提供1微米到1. 1微 米波長范圍的增益。特種光纖由四個層次組成:①光纖芯;②內(nèi)包層;③外包層； ④保護層。將泵浦激光光耦合到內(nèi)包層(內(nèi)包層一般采用異形結(jié)構(gòu)，有橢圓形、 方形、梅花形、D形及其六邊形等等)，光在內(nèi)包層和外包層(一般設(shè)計為圓 形)之間來回反射，多次穿過單模纖芯被其吸收。這種結(jié)構(gòu)的光纖不要求泵光 是單模激光，而且可對光纖的全長度泵浦，因此可選用大功率的多模激光二極 管陣列作泵源,將約70%以上的泵浦能量間接地耦合到纖芯內(nèi)，大大提高了泵浦 效率。種子光在內(nèi)包層傳輸，且被來回彈射與內(nèi)包層的泵浦激光不斷放大。
本實施例步驟如附圖1所示將摻鈦藍寶石激光輸出的光頻梳激光的用雙 色鏡分束，選出其中l(wèi).O微米以上的光頻梳部分注入單模光纖預(yù)放大系統(tǒng)進行
放大，放大后的光梳再注入大模場摻鐿雙包層光纖主放大系統(tǒng)進行放大，輸出 高功率光學(xué)頻率梳。
本實施例具體步驟是 (1)如附圖2所示，根據(jù)要求，選用商售的載波相位(CEP)穩(wěn)定的鈦藍
寶石激光振蕩器，其輸出脈沖激光為小功率的光學(xué)頻率梳。實驗采用的方法是，將CEP穩(wěn)定的鈦寶石激光器輸出的光頻梳激光的用雙色鏡分束，選出其中1.0 微米以上的光頻梳部分注入一個單模光纖。
(2) 光頻梳激光由單模光纖經(jīng)過波分復(fù)用器(WDM)引入第一級摻鐿單模 光纖放大器。摻鐿單模光纖放大器主要由兩部分組成增益光纖、泵浦源。功 率放大器采用反向泵浦方式，以達到抑制ASE產(chǎn)生。采用合適長度的增益光纖， 以達到足夠的增益。經(jīng)過第一級單模光纖放大器，光頻梳激光的平均功率由 0. l毫瓦可放大到約IO毫瓦，放大過程中無自發(fā)放大輻射產(chǎn)生。
(3) 第二級摻鐿單模光纖放大器同樣采用與第一級放大同樣的結(jié)構(gòu)，光 頻梳激光的平均功率可由IO毫瓦提升至百毫瓦的量級。
(4) 通過空間透鏡耦合，將初步放大得到的百毫瓦量級的光頻梳激光經(jīng) 一透鏡聚焦，耦合入第一級大模場摻鐿雙包層光纖放大器進行放大。大模場摻 鐿雙包層光纖放大器主要由三部分組成耦合系統(tǒng)、增益光纖、泵浦源。增益 光纖采用大模場摻鐿雙包層光纖。泵浦源為尾纖式半導(dǎo)體激光二極管器，中心 波長為976 nm。采用凸透鏡將種子光耦合進光纖，達到較高的耦合效率；泵 浦光的耦合采用兩個非球面透鏡，經(jīng)過整形的抽運光光斑完全符合增益光纖內(nèi) 包層的參數(shù)需求。放大的激光由一片45°雙色鏡輸出。經(jīng)第一級大模場摻鐿 雙包層光纖放大器進行放大后，光頻梳激光的平均功率可提升至10瓦。
(5) 將10瓦的光頻梳激光注入第二級大模場摻鐿雙包層光纖放大器。采 用與第一級大模場摻鐿雙包層光纖放大器相同的結(jié)構(gòu)，采用高功率的半導(dǎo)體激
光泵浦，可獲得的光頻梳激光的平均功率將超過百瓦量級。
整個放大過程可由光譜儀、頻譜儀及示波器監(jiān)測，觀察是否有光譜抖動及 非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1、一種高重復(fù)頻率、高功率光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生方法，其特征在于采用至少四級光纖級聯(lián)放大的方法，包括預(yù)放大系統(tǒng)、主放大系統(tǒng)，所述預(yù)放大系統(tǒng)包括至少兩個摻鐿單模光纖放大器，所述主放大系統(tǒng)包括至少兩個大模場摻鐿雙包層光纖主放大器，信號激光器所輸出的光學(xué)頻率梳激光經(jīng)普通單模光纖連接波分復(fù)用器(WDM)引入預(yù)放大系統(tǒng)中的第一級單模光纖放大器，之后順序經(jīng)過第二級單模光纖放大器、主放大系統(tǒng)中的第一級雙包層光纖放大器及第二級雙包層光纖放大器，通過放大系統(tǒng)將光頻梳激光的平均功率從亞毫瓦量級提高到超過百瓦。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高重復(fù)頻率、高功率光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生方法， 其特征在于所述的信號激光器所輸出的光學(xué)頻率梳激光為脈沖寬度達到幾個 光學(xué)振蕩周期，輸出光譜覆蓋了 lOOO-llOOnm的激光。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高重復(fù)頻率、高功率光學(xué)頻率梳的產(chǎn)生方法， 其特征在于所述預(yù)放大系統(tǒng)中的第一級單模光纖放大器將光頻梳激光的平均 功率從亞毫瓦量級提高10毫瓦，進而經(jīng)過第二級單模光纖放大器達到百毫瓦， 然后通過主放大系統(tǒng)中的第一級雙包層光纖放大器達到10瓦，最后光頻梳激 光通過主放大系統(tǒng)中的第二級雙包層光纖放大器的平均功率提高到超過百 瓦。
全文摘要
本發(fā)明提供一種獲得高功率光學(xué)頻率梳的方法，該方法采用至少四級光纖級聯(lián)放大的方法，包括預(yù)放大系統(tǒng)、主放大系統(tǒng)，所述預(yù)放大系統(tǒng)包括至少兩個摻鐿單模光纖放大器，所述主放大系統(tǒng)包括至少兩個大模場摻鐿雙包層光纖主放大器，將信號激光注入到一根普通的單模光纖中，然后連接波分復(fù)用器(WDM)后將激光引入預(yù)放大系統(tǒng)、主放大系統(tǒng)中進行放大，其優(yōu)點在于可以將極低平均功率的光頻梳激光放大到超過百瓦量級，大大降低了對種子光頻梳激光功率的要求，結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。
文檔編號H01S3/06GK101436749SQ200810203268
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者曾和平, 李文雪, 潘海峰, 強 郝 申請人:華東師范大學(xué)