中红外片上非线性激光器研究进展(特邀)

中红外(Mid Infrared,MIR)波段在生物医学、环境监测以及强场物理等众多领域具有非常重要的应用。小型化高效率MIR激光器是近些年中红外领域的研究重点,其在MIR光谱探测和环境实时监测等应用领域具有重大的研究意义。尽管量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)可直接产生MIR输出,但受限于辐射带宽和锁模机制。因此,非线性频率下转换技术仍然是片上宽带超快MIR脉冲生成的首选方案。基于非线性频率变换的片上MIR激光器具有结构紧凑、调谐光谱范围宽、稳定性高等优势,近年来得到了快速发展和广泛应用。首先介绍了基于二阶非线性频率变换的片上MIR激光器的研究现状,然后对四种主要的片上三阶非线性MIR激光器的研究进展进行了综述总结,包括受激拉曼-斯托克斯散射(StimulatedRamanStokesScattering,SRSS)、四波混频(FourWave Mixing,FWM)、频率梳(Frequency Comb,FC)和超连续谱产生(Supercontinuum Spectrum Generation,SCG)。

纳秒声光调Q光纤激光器产生超连续谱

根据现有生成超连续谱方案的不足,搭建了一台全光纤结构的纳秒声光调Q激光器。该激光器中心波长为1 064.3nm,重复频率为20kHz,脉冲宽度为250ns；经过一级放大得到的输出功率为13.02 W。将信号光耦合进自行研制的高功率模场适配器（MFA）,得到了10.7 W的信号光输出,耦合效率高达82.2%。将MFA与光子晶体光纤（PCF）熔接,得到了平均功率为5.43 W的超连续谱输出,光谱覆盖为900～1 700nm。由于实验采用的声光调制器（AOM）脉宽较宽,导致泵浦光峰值较低,非线性效应较弱,未能使超连续谱向可见光展宽。因此,建议采用较窄脉宽的AOM作为调Q元件来实现高峰值功率输出,以改善纳秒脉冲PCF产生的超连续谱特性。

全光纤白光超连续谱实现563 W输出

受限于短脉冲泵浦源高峰值功率和高平均功率之间的矛盾,以及短脉冲泵浦源芯径与光子晶体光纤芯径的较大差异,现有的短脉冲白光超连续谱光源输出在200 W左右。基于短脉冲泵浦源工作频率和脉冲宽度的调节技术、高效的模场匹配技术等,实现了k W级全光纤短脉冲泵浦源的稳定产生,以及短脉冲泵浦源与光子晶体光纤纤芯之间的高效耦合,产生了平均输出功率为563 W的高功率超连续谱光源,为目前该领域公开报道的最高功率。

色散平坦光纤中的超连续谱

利用光纤中的超连续(SC)谱展宽技术,能够在很宽的光谱范围内同时获得多个高重复率、多波长超短脉冲,是一种有效的超短脉冲光源产生方法.本文利用重复频率为13.9MHz,脉宽1.5ps的超短脉冲泵浦色散平坦光纤(DFF),在三阶非线性效应(自相位调制、交叉相位调制、受激喇曼散射)和色散联合作用下得到总宽度510nm以上的SC光谱,并在宽150nm的谱段内获得不平坦度小于±0.25dB,且覆盖全部L波段的SC谱;用可调谐滤波器在此区段谱切片滤波,并得到脉宽基本相同的接近变换限的超短脉冲.

高非线性光子晶体光纤及其超连续谱研究

文章作者设计并制造了一种纯硅芯高非线性光子晶体光纤，该光纤纤芯直径为1．65μm，空气微孔直径为4．75μm，孔中心间距为5．35μm，零色散波长为1120nm，800nm波长的色散为-88ps／（nm·km）。将能量为5nJ、重复频率为100MHz、中心波长为800nm的30fs的钛蓝宝石激光脉冲耦合入2m长的该高非线性光子晶体光纤中.得到了450～1400nm宽波段范围内的超连续光谱。

位于第三近红外窗口的平坦光纤超连续谱产生

报道了一种基于非线性偏振旋转效应的被动锁模光纤激光器。采用980 nm分布式反馈激光器作为泵浦源,0.5 m长的高掺杂掺铒光纤作为增益介质。实现了脉冲宽度为822 fs的传统孤子锁模脉冲,输出脉冲的平均功率为2.8 mW,信噪比为55.8 dB。通过微调腔内的偏振控制器,实现了传统孤子脉冲和孤子分子脉冲间的切换,孤子分子的脉冲宽度为312 fs,信噪比为53.86 dB。孤子分子脉冲经掺铒光纤放大器放大后泵浦一段57 m长的高非线性光纤,产生了位于第三近红外窗口(1600 nm~1870 nm)的超连续谱,其20 dB谱宽为355.8 nm。

2~5μm全固态中红外高功率光纤激光源研究进展(特邀)

2~5μm中红外波段激光在科学研究、生物医疗、通信等众多领域中都有重要的应用价值,一直以来都是激光领域的研究热点。主要对目前国内外高功率2~5μm全固态中红外光纤激光源的发展现状进行了梳理,包括稀土离子掺杂的中红外光纤激光器、波长灵活可设计的拉曼光纤激光器和宽带超连续谱激光器,并对2~5μm全固态中红外光纤激光源的发展进行了展望。

不同背景下超连续谱激光对成像系统的干扰

超连续谱激光辐照可见光成像系统的干扰效应研究具有广泛的应用前景。针对超连续谱激光干扰效应,开展了不同辐亮度背景下超连续谱激光对可见光成像系统的干扰实验研究。采用白光光纤激光器产生超连续谱干扰源,搭建了超连续谱激光对可见光成像系统的干扰实验系统,得到不同辐亮度下探测器的干扰阈值数据,建立了探测器饱和像元数与干扰激光功率密度之间的数学关系模型,并对干扰阈值数据进行分析。结果表明,探测器饱和像元数与干扰激光功率密度近似呈线性对数关系,在低辐亮度背景下可见光成像系统更易受到干扰。实验结果对超连续谱激光干扰装备的设计、论证及作战使用具有一定的参考意义。

面向遥感应用的飞秒激光脉冲超长距离传输的研究进展

强飞秒激光在空气中传输时,其传输距离会远远超越衍射极限,产生高强度光丝和低密度等离子体,并伴随超连续白光的辐射,这为远距离遥感探测大气污染物提供了一种有效的技术途径。面向天基遥感应用,概述了强飞秒激光长距离传输的研究进展,包括光丝传输的基本研究方法、产生长距离光丝的方法、调控光丝特性的手段以及飞秒激光光丝超长距离的传输,并对光丝在大气遥感应用中的优越特性和需要解决的基础科学问题进行了总结。

利用光子晶体光纤产生超连续飞秒激光光谱

将单脉冲能量约为 2 .5nJ、脉宽为 2 5fs、对应峰值功率为 0 .1MW的的 80 0nm钛宝石激光耦合到长为10mm ,芯径为 1.8μm的光子晶体光纤中 ,产生了耦合效率约为 17%、谱宽覆盖可见光及近红外波段的超连续光谱。

基于光子晶体光纤的百瓦超连续谱的产生

为得到脉冲宽度为12ps、中心波长为1064nm的高功率超连续谱,提出了一种全光纤结构的超连续谱光源。将该光源作为抽运源,其输出功率在芯径为10mm的掺镱光纤中被放大至189 W。利用窄带滤波器、级间隔离器对脉冲信号进行放大,将放大后的脉冲信号注入长度为0.5 m的光子晶体光纤,产生了光谱范围为460~1700nm、输出功率为102.8 W的超连续谱。由于存在量子亏损和光谱传输损耗,当抽运功率从1.5 W提高至189 W时,超连续谱光-光斜率效率从90%降低至20%。

附加谐波脉冲生成强的39阿秒孤立脉冲

采用多周期800nm激光组合它的27次谐波脉冲生成超短、宽频的孤立阿秒脉冲.研究表明,脉宽为1fs的27次谐波脉冲可以有效地控制电子动力学过程.将其加入到单色激光场的特定时域,可以控制电离概率在半个光学周期内迅速提升,使得谐波的转化效率相对于单色场情形增强4个数量级,并实现单一的短量子路径选择,出现频宽为108eV的超连续辐射谱,叠加该连续谱140次到210次谐波获得了脉宽为39as的强、短孤立脉冲.与文献[7]中采用5fs/800nm激光附加紫外阿秒脉冲的方法相比,该方案生成的连续谱频带增宽一倍,获得的阿秒脉冲更短更强.

超连续谱干涉方法测量古依相移

利用两束超连续光干涉得到的信号,测量了透镜焦点附近飞秒激光脉冲的古依(Gouy)相移。根据得到的光谱干涉信号,利用傅里叶变换得到相对相位值。激光光束在聚焦透镜后的束腰半径可以由成像方法测得。根据测量得到的激光光束束腰半径,用非线性拟合的方法得到了古依相移曲线,拟合曲线与实验结果符合得非常好。给出了古依相位在焦点前后1 mm区域内的移动量。

量子路径控制生成宽频软X射线连续辐射谱

数值研究了双色激光脉冲与一维氩原子相互作用的谐波发射功率谱.双色激光脉冲由800nm和1600nm的两束激光组成,脉冲持续时间为9.7fs.计算结果表明,相对相位为π时,谐波截止频率从单色场情形的58eV大幅度地展宽到316eV,获得频宽为93eV的软X射线连续辐射谱.此外,还采用短程的普薛耳-特勒势和长程的软化库仑势进行比对,数值结果表明该连续辐射谱的存在具有普适性.通过半经典的"三步"模型和时频分析小波变换方法对该连续辐射谱进行分析,发现其主要由单一的"短"量子路径生成,直接叠加频率从225eV到318eV的连续谱谐波获得了脉宽为46as的孤立脉冲.与其他双色激光场控制量子路径生成孤立阿秒脉冲方案相比,本文的方法因采用脉冲持续时间较长的短激光脉冲,在实验上更具操作性.

10 GHz再生锁模光纤激光器获得光纤超连续谱的研究

报道了利用10GHz再生锁模光纤环形激光器（RML-FRL）获得波长在1528～1563nm连续可调、脉宽为4．6～5．8ps的短脉冲输出作为高稳定的光纤超连续（SC）谱泵浦源。对RML-FRL输出的脉冲直接放大泵浦4．5km色散位移光纤（DSF），得到20dB带宽46．08nm的SC谱输出，经阵列波导光栅（AWG）谱切片后，得到间隔100GHz、中心波长符合ITUT标准的30信道输出，脉宽在6．5～7．8ps，示波器显示任意信道的抖动均值小于1．4ps。

新型中红外玻璃光纤及相应激光器研究进展

中红外波段光纤激光光源在基础科学研究、光通信、生物医疗、环境监测以及国防安全领域有着重要应用。超连续谱(SC)激光光源和稀土离子掺杂光纤激光器是目前研究得较多的两类中红外波段激光光源。面向该类光源的应用需求,笔者研究组经过大量实验探索,筛选出一种具有较高稳定性和较高损伤阈值的氟碲酸盐玻璃光纤,并利用其作为非线性介质研制出了光谱范围覆盖0.6~5.4μm宽带的SC激光光源和平均功率约为20W、光谱范围覆盖1~4μm的SC激光光源;制备出具有较强抗潮解能力的Ho^3+离子掺杂AlF3基玻璃光纤,并利用其作为增益介质,获得了波长约为2868nm的激光输出;研制出具有较低声子能量的Ho^3+离子掺杂InF3基玻璃光纤,并利用其作为增益介质,获得了波长约为2875nm的激光输出。总结了氟碲酸盐玻璃光纤、AlF3基玻璃光纤和InF3基玻璃光纤的特点及相应激光器的研究进展。

腔内滤波带宽对正色散束缚态孤子形成的影响

以被动锁模正色散掺镱(Yb)光纤激光器为研究对象,实验比较研究了激光腔内滤波带宽对产生正色散束缚态孤子的影响。采用高掺Yb光纤作为增益介质,半导体饱和吸收镜作为锁模部件,获得1064 nm全光纤线型腔锁模激光器。当腔内带通滤波器选用不同带宽(0.2,1.0,1.2,2.3 nm)时,观察到不同的皮秒锁模脉冲状态。在滤波带宽较小(0.2 nm)或较大(2.3 nm)时,仅产生稳定的单脉冲耗散孤子;相反地,在滤波带宽适中(1.0 nm或1.2 nm)时,分别观察到典型的相位差为π和-π/2束缚态耗散孤子,脉宽和脉冲间隔均分别为3 ps和14 ps。将束缚态耗散孤子激光通过主控振荡功率放大技术放大至1.4 W后,将其注入到光子晶体光纤中,获得了750~1600 nm超连续谱(10 dB谱宽),输出功率约为0.7 W,相比传统耗散孤子抽运具有更好的光谱平坦性。