超短脈沖光纖激光器的應(yīng)用

超短脈沖激光器最直接的應(yīng)用就是作為超快光源，形成多種時間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)，作為飛秒固體激光放大器的種子光源，可用于光纖型光參量振蕩器與放大器系統(tǒng)，并可使用周期性極化鈮酸鋰(ppln)進行高效倍頻或頻率轉(zhuǎn)換。它的發(fā)展帶動了物理、化學、生物、材料與信息科學的研究進入微觀超快過程領(lǐng)域。超短脈沖光纖激光器在通信、軍事、工業(yè)加工、醫(yī)學、光信息處理、全色顯示和激光印刷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

由塊狀工作物質(zhì)及各種光學元件組成的傳統(tǒng)固體激光器存在體積大、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)松、可靠性差等缺點%而光纖激光器有以下特點: 1 增益介質(zhì)長， 能方便地延長增益長度使抽運光充分吸收，光-光轉(zhuǎn)換效率超過60% 2 光纖激光器表面積/體積比大，其工作物質(zhì)的熱負荷相當小，光纖中的場主要約束在纖芯內(nèi)，使纖芯中的場強很大，加之光纖的低損耗又使這種高光強可以保持很長距離，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率 (140nw/cm2) 3 易實現(xiàn)單模、單頻運轉(zhuǎn)和超短脈沖 4 光纖激光器體積小且結(jié)構(gòu)簡單，工作物質(zhì)為柔性介質(zhì)，使用方便 5 激光器可在很寬光譜范圍內(nèi)(455~3500nm)設(shè)計與運行，使光纖激光器可調(diào)%由于光纖激光器具有以上特點，因此采用光纖作為振蕩器產(chǎn)生超短脈沖激光比傳統(tǒng)固體激光放大器更具優(yōu)勢。

目前開發(fā)的光纖激光器主要采用摻稀土元素的光纖作為增益介質(zhì)+ 比較成熟的有源光纖中摻入的稀土離子有er3+、yb3+、nd3+、pr3+、tm3+、ho3+。%光纖激光器由泵浦源& 增益介質(zhì)腔鏡組成。 基本結(jié)構(gòu)如圖(所示)其中l(wèi)d發(fā)出的泵浦光經(jīng)光纖耦合器進入光纖，使光纖中摻雜元素原子激發(fā)%腔鏡為二色鏡，反射輸出激光，對泵浦光增透% 與固體激光器相同，光纖激光器也是根據(jù)鎖模原理產(chǎn)生短脈沖激光輸出的% 光纖激光器在增益帶寬內(nèi)的大量縱模上運轉(zhuǎn)時，當各縱模相位同步，任意相鄰縱模相位差為常數(shù)時實現(xiàn)鎖模，諧振腔內(nèi)循環(huán)的單個脈沖經(jīng)過輸出耦合器輸出能量%根據(jù)鎖模方式不同，可分為主動鎖模光纖激光器和被動鎖模光纖激光器%由于主動鎖模調(diào)制能力有限，限制了鎖模脈沖的寬度，脈沖寬度通常為+ ,量級%被動鎖?；蜃枣i模光纖激光器是利用光纖或其它元件中的非線性光學效應(yīng)實現(xiàn)鎖模的，激光器結(jié)構(gòu)簡單，在一定條件下不需要插入任何調(diào)制元件就可以實現(xiàn)自啟動鎖模工作。通常自啟動被動鎖模光纖激光器可以輸出/,量級的超短脈沖。

時域上, 超短脈沖激光產(chǎn)生是開展時-頻域精密控制的前提和基礎(chǔ). 至今,小于 5 fs 的鎖模鈦寶石激光器已有報道,經(jīng)過腔內(nèi)色散啁啾補償,脈沖寬度達到光周期量級. 這樣的超短脈沖,可以廣泛應(yīng)用于研究高功率脈沖情況下的各種非線性現(xiàn)象.然而, 由于受本身結(jié)構(gòu)和成本的制約,超短脈沖固體激光器大多用于科學研究. 自 1960 年 實現(xiàn)將鉺,釹,銩等稀土離子摻進玻璃中后,光纖激光器的研制就成為了可能.不久 以后,釹離子成功的被摻雜到了光纖波導(dǎo)的芯徑中.由于釹離子作為激光增益介質(zhì)具 有很高的效率,所以,早期的光纖激光器都是以釹離子為基礎(chǔ),工作波長為 1064 nm. 直到 1980 年,鉺離子摻雜技術(shù)的成熟,基于摻鉺離子的光纖激光器越來越受到人們的 關(guān)注.最主要的原因就是摻鉺光纖激光的工作波長在 1550 nm 附近,正好對應(yīng)于單模 光纖的最小損耗波段,非常適用于光纖通信系統(tǒng).之后,其它波段的摻稀土離子,例 如摻鈥,摻銩,摻鐿,摻鐠的光纖同樣研制成功,將光纖激光器的輸出波長擴展到其 它波段.近幾年來,得益于半導(dǎo)體泵浦激光器和光纖高摻雜技術(shù)的發(fā)展,基于摻稀土 離子的超短脈沖光纖激光器越來越受到人們的重視.光纖激光器由于其在結(jié)構(gòu),成本 上的優(yōu)勢,已經(jīng)在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用.目前為止,報道的最窄 的光纖激光器的脈沖寬度為 28 fs. 相對于傳統(tǒng)的固體激光器,光纖激光器具有不可比擬的優(yōu)勢.光纖激光器摻雜技 術(shù)簡單,激光傳輸損耗低,與泵浦光耦合效率高.光纖激光器采用光纖作為傳輸介質(zhì), 可以與其它光纖器件兼容,減少了激光器所占的空間.而且光器件之間采取直接熔接 的方式,相對于固體激光器而言無需復(fù)雜的光路調(diào)整系統(tǒng).由于光通信器件的成熟, 激光器成本也可以大大降低.一般單模光纖的芯徑為 8 μm, 所以光在芯徑內(nèi)傳播時的 功率密度通常很高,非線性作用很強,非常適合用于產(chǎn)生鎖模振蕩器.