第1章 绪论
1.1 皮秒光纤激光概念及特点
超短脉冲激光（10–15～10–12s）技术作为激光技术的一个重要分支，自20世纪70年代诞生起便迅速成为光学领域*前沿的研究方向之一。超短脉冲激光为人类探索和研究超快现象以及创造极端物理条件提供了有力的工具，为光学特别是非线性光学开辟了新的研究领域，并促成了许多交叉领域的发展。与传统的固体激光器、气体激光器相比，超短脉冲光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、系统简单小巧、可实现全纤化、抗干扰能力强等优点。同时，皮秒脉冲光纤激光器（10–12s）与长脉冲激光器（10–9～10–6s）相比，具有更窄的脉冲宽度（PW）和更高的峰值功率，与飞秒脉冲激光器（10–15s）相比，具有结构简单、技术复杂度低等优势，被广泛应用于工业加工[1]、生物医学[2]、军事国防[3]和基础科研[4]等领域。
超短脉冲激光的产生方式主要为锁模技术，其中，被动锁模技术不需要外加信号来控制，只需要在谐振腔内插入一个可饱和吸收体作为开关器件，利用它随着光强变化的漂白作用达到锁模目的，是在光纤激光锁模技术中普遍采用的方法。在该锁模技术中应用*为广泛的开关器件为半导体可饱和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM），其具有结构简单、锁模相对稳定、锁模阈值低、自启动及已经实现商品化的优势。近年来，一些新型可饱和吸收材料因其制备简单、成本低廉、反射光谱宽度、漂白时间短等优异的性能，受到研究人员的青睐。使用石墨烯[5]、碳纳米管[6]、过渡金属硫化物[7]、拓扑绝缘体[8]、黑磷[9]等可饱和吸收材料制作的开关器件，均能实现稳定的锁模激光输出，且覆盖宽的光谱范围。等效可饱和吸收体锁模技术（包括非线性偏振演化（nonlinear polarization evolution，NPE）和非线性光学环形镜（nonlinear optical loop mirror，NOLM）[10]等）是另外一种较为常用的被动锁模技术，其调制速度快、深度大，产生脉冲激光的光谱谱线平滑且较宽，十分有利于脉冲激光的展宽与压缩。以上锁模方式均可以实现全光纤结构的超短脉冲激光输出，具有体积小、柔性好、光路封闭、自启动以及稳定性好等优点，近几年已经能够取代固体锁模激光振荡器作为前端种子源，并在高功率、大能量激光系统中发挥出了*特优势，缩小了系统的体积，同时提高了系统的抗干扰能力，为后续的放大提供稳定的锁模脉冲激光。
获得高功率、大能量皮秒脉冲激光的方法是对种子源输出的锁模脉冲进行放大，常用方法一般分为以下三种：主振荡功率放大（master oscillator power amplification，MOPA）技术、自相似脉冲放大（self-similar pulse amplification，SPA）技术和啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，CPA）技术。其中，MOPA技术和SPA技术都属于直接放大技术，主要区别在于MOPA技术是通过多级光纤级联方式实现高重复频率、较宽脉冲的直接功率放大；SPA技术是激光脉冲在光纤放大过程中，在色散、非线性和增益的共同作用下形成理想的抛物线型脉冲，有利于实现极窄脉冲的放大和压缩；而CPA技术则是通过色散管理将脉冲在时域上进行展宽，降低脉冲激光的峰值功率，在获得高增益的同时降低非线性效应，且能够避免或者减少相关的脉冲畸变和光学损伤，放大后的激光脉冲通过色散补偿的方法实现脉冲压缩，是一种获得高峰值功率超短脉冲输出十分有效的方法。在以上光纤激光放大技术中，获得高增益的同时能有效降低非线性效应，是实现高功率、高质量脉冲放大的关键。通常采用增大光纤放大器中增益光纤纤芯模场面积的方法抑制非线性效应，即大模场高掺杂双包层增益光纤，其纤芯面积可以达到百微米量级，有效地降低了非线性效应，获得高功率千瓦级甚至万瓦级激光脉冲放大输出，但其大的模场面积会使得光束质量下降。*新发展起来的光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）是一种可实现大模场面积、高光束质量的特种光纤，为提高光纤激光器的输出功率带来了新的曙光。现在商用PCF的模场面积已达到1000μm2，PCF还可利用较高的稀土掺杂浓度实现对泵浦光较高的吸收系数，这样可以利用较短的光纤研制高功率PCF激光器，减小高功率状态下光纤的非线性效应，PCF为抑制非线性效应提供了解决方法，但PCF与其他光纤之间的熔接工艺仍是要解决的难点问题。此外，光纤与固体相结合的功率放大技术是进一步提高超短脉冲激光能量和峰值功率的有效方法。将光纤激光器产生的脉冲激光利用固体介质进行功率放大，不仅可以在激光峰值功率和单脉冲能量方面实现突破，还能够保留光纤激光器紧凑稳定、光光转换效率高、光束质量好的优势。因此，光纤与固体相结合的方法在实现激光器能量突破方面具有很大潜力，同时也是超短脉冲光纤激光器未来的一种发展趋势。
色散的存在会使脉冲具有一定的啁啾特性，从而使其脉冲宽度大于傅里叶变换极限脉冲宽度，因此脉冲压缩技术在超短脉冲技术中起着至关重要的作用。对于锁模光纤激光器，脉冲压缩通常是指采用色散元件补偿脉冲的啁啾来使脉冲宽度缩短的技术。根据啁啾补偿元件出现的位置，脉冲压缩可以分为腔内脉冲压缩和腔外脉冲压缩两种方式。腔内脉冲压缩主要是指在超短脉冲锁模振荡器中，通常都含有相反的色散元件，因此存在不同程度的腔内脉冲压缩，这些压缩都是在脉冲成型的过程中实时进行的，对*终输出的脉冲宽度、光谱宽度等参数均会产生影响。而腔外脉冲压缩则是对已经输出的锁模脉冲进行集中的色散补偿，一般不会对脉冲的光谱产生影响。传统的脉冲压缩方式包含光栅对、棱镜对、啁啾镜等，它们属于分立的块状元件，衍射光栅对依赖于空间的色散效应，因此存在空间传输距离长、光路对准复杂且敏感度高、长期可靠性和稳定性难以保证等缺陷，不利于实现超短脉冲系统的全光纤化。为了克服这些限制，研究人员尝试了各种替代的压缩技术，例如，采用啁啾光纤光栅[11]、基于铌酸锂晶体的准相位匹配光栅[12]以及空心光子晶体光纤[13]等器件进行脉冲压缩，但这些压缩器仅能承受单脉冲能量在1μJ以下的脉冲压缩，而对于更高单脉冲能量的CPA系统则不适用。啁啾体布拉格光栅（chirped volume Bragg grating，CVBG）压缩器的出现打破了CPA系统对大尺寸衍射光栅对的依赖，小孔径CVBG就足够支持平均功率超过1kW、亚皮秒量级的脉冲激光输出[14]，且随着CVBG制作工艺的不断提高，CVBG的通光孔径也在不断增大。此外，CVBG还具有体积小巧、结构稳定、衍射效率高等优势，为实现高功率、高稳定性的超短脉冲激光输出提供了新的思路。
科技水平和工业水平的不断发展对激光器的性能提出了更高的要求，如更高的输出功率、更高的光光转换效率、更好的光束质量、更便捷的使用、更强的抗干扰性、更小巧的体积等，国内外研究人员对此进行了大量研究并取得了突飞猛进的进展。
1.2 皮秒光纤激光发展现状
皮秒光纤激光器因其具有结构紧凑、体积小巧、输出脉冲稳定、散热性优良等优势[15]，已经深入到工业加工、精密制造、生物医疗等各个领域。伴随着半导体激光泵浦技术、光纤激光技术以及光纤器件的快速更新迭代，皮秒光纤激光器向着更高功率、更大能量、更宽波段等方向发展。
目前，在高功率放大系统中普遍采用的是MOPA技术或CPA技术。其中，MOPA技术是直接对激光振荡器输出的信号光进行放大，原理简单、结构明了，它的主要特点是高功率脉冲激光的光谱、脉冲宽度、重复频率等特性可以由注入的信号光直接决定，通过前端多级级联放大及大模场增益光纤的功率放大，*终获得高功率全纤化激光输出。目前，在高重复频率（兆赫兹（MHz）至吉赫兹（GHz））、较低的单脉冲能量皮秒光纤放大系统中，MOPA技术应用十分广泛，用于产生高平均功率高效放大输出，但是在低重复频率、较高的单脉冲能量皮秒光纤放大系统中，进一步提升脉冲峰值功率仍然受到较强非线性效应的限制，这是由于此类激光的高峰值功率会在激光放大光纤的纤芯中产生极强的非线性作用，造成激光输出光谱加宽、频移，输出脉冲不稳、分裂，甚至会破坏整个光纤放大系统。
在皮秒光纤激光放大器中，采用MOPA级联放大技术进行了大量研究工作，并获得了百瓦级甚至更高功率脉冲激光输出。其中代表性的研究工作有：2006年，南安普顿大学Dupriez等[16]采用MOPA技术，在中心波长为1060nm处获得了平均输出功率为320W、脉冲宽度为20ps的GHz量级高重复频率脉冲激光输出。2012年，国防科技大学Chen等[17]同样采用MOPA技术，在15μm芯径的掺镱光纤中实现了平均功率为125W的GHz量级高重复频率脉冲激光输出，其光光转换效率高达86.12%，如图1.1所示。2018年，坦佩雷理工大学Filippov等[18]利用脉冲宽度为100ps的增益开关半导体激光器作为种子源，采用MOPA技术，经过两级放大器，在波长1030nm处实现了单脉冲能量1.7?J的脉冲输出以及在1064nm处实现了更高的单脉冲能量11.7?J的脉冲输出，对应输出功率分别为8.5W和11.7W。
图1.1 125W全光纤MOPA系统
LD指半导体激光器
同时，由于相干合成、光频转换等一些特殊领域的要求，除了随机偏振激光输出的超短脉冲激光器，还研制了高功率线偏振激光的保偏光纤MOPA激光器。在保偏的MOPA系统研究工作中，2010年，南安普顿大学光电子研究中心Chen等[19]报道了以增益开关激光器为种子源的三级掺镱保偏光纤级联放大系统，*终得到了平均功率高达百瓦量级的激光输出，重复频率为56MHz，脉冲宽度为21ps，对应的峰值功率为85kW，单脉冲能量为1.7μJ。2015年，国防科技大学Tao等[20]通过MOPA技术，在保偏的21/400μm大模场掺镱光纤放大器中实现了平均输出功率为1.3kW的高功率线偏振脉冲激光输出，如图1.2所示。同年，国防科技大学Huang等[21]同样采用MOPA技术，在保偏的20/400μm大模场掺镱光纤放大器中实现了平均输出功率为千瓦级（1.5kW）的高功率线偏振脉冲激光输出。
图1.2 1.3kW保偏光纤MOPA系统
PM LMA YDF指保偏大模场掺镱双包层光纤
从以上研究工作中可以看出，光纤MOPA技术一般用于高重复频率皮秒脉冲激光的直接功率放大（兆赫兹至吉赫兹量级），通过多级光纤级联放大的方式获得高平均功率的激光放大输出，通常单脉冲能量较低（微焦量级），光光转换效率高，*高可以达到90%左右，并且整个系统可以实现全纤化，因此在高功率超短脉冲光纤激光器中有着广泛的应用。
CPA技术是目前超短脉冲光纤激光器中比较成熟的一种放大技术。CPA的关键是保证系统中的正色散与压缩部分补偿的负色散保持平衡，保障单个脉冲在放大器的增益介质中进行高效放大后，可以使用压缩器将脉冲压缩至原状态，从而获得高峰值功率的超短光脉冲。其中，脉冲展宽部分主要是为了降低脉冲在光纤放大过程中由于极高峰值功率产生的各种强的非线性效应，如自相位调制（self-phase modulation，SPM）、受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）等。在光纤展宽器及压缩器中，新的全光纤器件的研制（啁啾光纤布拉格光栅（chirped fiber Bragg grating，CFBG）、色散光纤等），大模场、超大模场增益光纤和光子晶体光纤的研制成功，极大地促进了全光纤CPA系统的快速发展[22-25]。目前，利用CPA技术在单根光纤中能够获得*高单脉冲能量为毫焦（mJ）量级[26]、*大平均功率为千瓦（kW）量级[27]的超短脉冲激光输出。
1998年，美国IMRA公司[28]已经利用CPA技术搭建了光纤激
展开
