光纤激光器：VECSEL放大产生高重复频率飞秒激光脉冲

作者：Gail Overton

        掺镱（Yb）光纤放大器和光纤激光器，采用固体激光器或激光二极管作为种子注入式振放功放结构，可以产生高功率皮秒和飞秒脉冲，应用于材 料处理领域。由于受非线性效应影响，这些激光器的输出脉冲质量和最大输出功率均受到限制。英国南安普敦大学的研究人员开发了一种新的替代技术，即采用锁模垂直外腔面发射激光器（ML-VECSEL）输出500 fs的种子光，然后经放大后获得脉冲宽度为110 fs、平均功率达53W的近变换极限激光输出。
        在实验中研究人员使用了两种不同的ML-VECSEL光源：一个是波长1043nm、脉宽0.5ps的脉冲，另一个是波长1055nm、脉宽4.6ps的脉冲。研究人员对比了两种情况下输出脉冲的平均功率和脉冲压缩特性。

        与使用固态激光器或激光二极管作为种子注入式激光器相比, 使用锁模垂直外腔面发射激光器（ML-VECSEL）作为种子注入式掺镱光纤放大器，可以产生具有更高功率和近变换极限光束质量的超短脉冲激光。

        ML-VECSEL产生的种子光经过光隔离器后，通过一个或两个前置掺镱光纤放大器，将功率预放到一定水平，使终端放大器的输出激光能够达到饱和（见附图）。预放后自由空间光束经准直和1/2波片偏振控制后注入另一个隔离器。然后，光束再次准直后注入终端功率放大器——一段双包层掺镱D形光纤，具有400祄的覆层厚度。975nm激光二极管阵列输出激光从末端注入功率放大光纤并对其进行泵浦，泵浦光和信号光通过位于功率放大光纤两端的分光镜分离。

        使用4.6ps的ML-VECSEL脉冲作为种子光注入时，能产生脉宽5.8ps、平均功率达200W、相应于峰值功率38kW的激光脉冲。在这种条件下，受激拉曼散射大为减少。虽然可能将脉冲压缩到430ps，但由于自相位调制产生啁啾，将导致脉冲出现基底。更短的种子脉冲使得正常色散、增益、自相位调制相互作用从而产生线性啁啾。

       使用0.5ps的ML-VECSEL脉冲作为种子光注入时，研究人员较为关注的问题是：因为短脉冲种子具有较大的峰值功率，是否将产生受激拉曼散射。ML-VECSEL能够以千兆赫兹的重复频率产生抛物形状脉冲放大。0.5ps的ML-VECSEL种子以1.1GHz重复频率注入能产生平均功率53W、脉宽4.8ps的近变换极限激光脉冲，而且可以进一步压缩至110fs。使用波长接近1070nm的ML-VECSEL种子光，由于其与高功率区域镱的增益光谱相匹配，因此能够获得更高功率的激光脉冲。

       英国南安普敦大学光电子研究中心前研究人员Pascal Dupriez表示：“研究项目显示了超快VECSEL和高功率光纤放大器这两种先进技术近年来的协调发展，新型光纤激光器的进一步发展将加速平均功率达到数百瓦的商用飞秒激光器的诞生。

参考文献
1.H. Altug et al., Nature Physics 2, 484 (July 2006).