超宽谱钛宝石飞秒激光器的研究进展

超宽谱钛宝石飞秒激光器的研究进展

宋明,严家骅,梁志国,杨天博,张立喆

(中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京100095)

摘　要:超宽谱钛宝石飞秒激光器的出现是近年来飞秒激光技术的重要进展之一。文章对近年来国际上出现的几种主要的钛宝石超宽谱飞秒激光器的原理、结构及优缺点进行了介绍,给出了其发展趋势。

关键词:钛宝石;飞秒激光器;倍频程;啁啾镜

中图分类号:T N713;O436 文献标识码:A文章编号:1002-6061(2008)03-0001-04

Research D evelop m en t of Super Con ti n uu m i n T i:Sapph i re Fe m tosecond La ser

S ONG M ing,Y AN J ia2hua,L IANG Zhi2guo,Y ANG Tian2bo,Z HANG L i2zhe

(Changcheng I nstitute of Metr ol ogy&M easure ment,Beijing100095,China)

Abstract:The generati on of the super continuu m in Ti:Sapphire fe m t osecond laser is one of the most i m portant advance ments in the fe m t o2 second laser technol ogy1I n this paper,the p rinci p le,structure,advantage and disadvantage of s ome main Ti:Sapphire fem t osecond lasers with super br oadband s pectra are intr oduced res pectively1Some ideas about its trend are given in the end1

Key words:Ti:sapphire;fe m t osecond laser;octave2s panning;chir ped m irr or

0　前言

近年来,飞秒激光频率梳的出现导致了频率计量领域的革命性进展[123]。典型的装置就是用掺钛蓝宝石(Ti:S,Ti:Sapphire)激光器产生10～30fs的超短脉冲。为了将激光器的光谱扩展到一个倍频程从而通过f22f法[2,426]来稳定频率梳,通常是使用光子晶体光纤进行扩频[7,8]。在这种方法中,将光谱的长波长部分倍频后与短波长部分拍频,直接可以探测到载波2包络偏移频率。通过稳定重复频率和载波2包络偏移频率可以得到超稳定的飞秒激光频率梳,这一频率梳可以实现射频和光频的直接链接。然而,将飞秒激光准确地耦合到微结构光纤的纤芯里比较困难,而且经过一段时间后光纤的输入和输出端面特别容易受到损害,同时随着输入脉冲能量的增大,就会出现宽带振幅噪声[9],从而影响到频率测量的稳定性。这个问题直接关系到光钟的发展(需要长期稳定的信号),因此直接从振荡器中产生大于一个倍频程宽的光谱非常重要。

收稿日期:2007-11-28;收修改稿日期:2008-01-03

基金项目:国防科技工业技术基础科研项目(07A401)

作者简介:宋明(1983-),女,江苏徐州人,助理工程师,从事飞秒激光及光纤光栅传感的研究。1　研究进展

由于目前还没有增益带宽覆盖一个倍频程的激光

晶体(掺钛蓝宝石的增益带宽只覆盖半个光学倍频程),所以光谱超过一个倍频程的激光主要依赖于激光器腔内的自相位调制作用产生。2001年Ell等人首次报道了直接由激光振荡器产生的超过一个光学倍频程的超宽光谱和仅有5fs的超短脉冲[10]。他们使用了双Z 型腔并在腔内加入非线性介质BK7,使激光脉冲在该介质上进行二次聚焦,增加腔内的自相位调制(SP M, Self Phase Modulati on)作用,并且使用了超宽带的双啁啾镜对[11](DC MP’s,Double2Chir ped M irr or Pairs)进行色散补偿,从而得到了超过一个倍频程的光谱。

激光器的结构原理如图1所示。217mm薄的Ti: S晶体X由一个532nm的激光器泵浦(Spectra2Physics 公司,型号M illennia X);泵浦光由两个透镜L

1

,L2聚焦到Ti:S晶体上,之所以采用两个透镜,作者认为除了聚焦的作用外也是为了更好地实现激光振荡腔

内的模式匹配,激光腔从镜M

1

到输出耦合镜OC。曲

面镜M

2

和M

5

提供了在激光晶体聚焦,第二次聚焦由M4和M6产生,其焦点处放置了一块厚214mm的BK7玻璃片P。所有镜子的曲率半径都是100mm。两个CaF2棱镜提供了正的二阶色散,并可以进行色散微调。

棱镜对之间的间隔从95c m 到115c m 可调,重复频率约为65MHz 。输出耦合镜是一个宽带的镜片,由ZnSe /MgF 2镀膜制成,其中心透过率为1%。在吸收泵浦功率为4W 时,连续波(C W ,Continuous W ave 2length )的输出功率是30mW 。在通过移动棱镜P 1启动软缝隙克尔透镜锁模(K LM ,Kerr 2Lens Mode Loc 2king )之后输出功率增加到典型值120mW 。激光器的输出脉冲通过在双啁啾镜对上的四次反射和一对CaF 2棱镜被进行了外部重新压缩,得到脉冲的强度包络的半峰值带宽为510fs,光谱范围为600～1350nm ,超过一个倍频程

。

X -钛宝石晶体;P -BK7玻璃片;M 1～M 6-双啁啾镜;

P 1,P 2-棱镜;L 1,L 2-透镜;OC -输出耦合镜

图1　双Z 型Ti:S 激光振荡器的结构原理图

这是由直接激光振荡器产生的迄今为止最宽的光谱和最短的脉冲。在一般的钛宝石激光振荡器中仅仅是将激光聚焦在Ti:S 晶体上,产生自相位调制作用来得到较宽的光谱,但是由于克尔透镜锁模的需要,脉冲的能量是受限的,这也限制了SP M 的数量,也因此限制了光谱的展宽。该振荡器使用了双Z 型腔进行二次腔内聚焦,这使得在玻璃片中进行了额外的光谱扩展,克服了上述的缺点。并且使用了超宽带的双啁啾镜对进行色散补偿,进一步优化了输出脉冲的谱宽。但是该振荡器的缺点是由于进行了腔内的二次聚焦,腔体结构较为复杂,在激光谐振腔的准直调节上比普通激光振荡腔的难度要大。同时根据色散管理机制,需要对腔内使用的双啁啾镜及BK7玻璃片和钛宝石晶体的色散值进行精心设计才能得到较宽的输出光谱。

该振荡器产生的光谱可以直接通过f 22f 法来测量和控制载波2包络相位频移,无须额外扩展光谱,这大大地简化了以钛宝石锁模激光器为基础的激光频率梳

的结构,减少了因使用光子晶体光纤扩频给系统带来的不稳定性。

2002年,Bartels 等人[12]

利用环形腔Ti:S 激光器通过将其中一个平面镜改为凸面镜增加脉冲在腔内的自振幅调制(S AM ,Self 2Amp litude Modulati on )作用,得到了一个倍频程的超连续谱,光谱范围为560～1150n m 。

如图2所示,这是个标准的蝴蝶结型的环形振荡腔,因为结构可以做的非常紧凑,通常用来实现较高的重复频率。该腔包含一个119mm 长的钛蓝宝石晶体(吸收系数α=5cm -1),由一个532n m 的倍频Nd:Y VO 4激光泵浦,透镜L 的焦距为30mm 。该晶体以布鲁斯特角摆放在镜子啁啾镜M 1和M 2之间。M 1和M 2的焦距为15mm ,腔内光束从啁啾镜M 1和M 2反射后的角度经过特殊设计,主要是为了补偿腔内像散。啁啾镜M 3是一个凸面镜,曲率半径为1m ,它增强了脉冲在腔内的S AM 作用。在1GHz 的重复频率下,每个纵模的功率可达1n W ,足以实现对功率为mW 级的连续激光的拍频测量

。

图2　环形腔钛宝石激光器的结构原理图

该振荡器采用的是环形腔结构,在环形腔中重复

频率为f =c /l,其中c 为真空光速,l 为环形腔腔长,而在线形腔中重复频率为f =c /(2l )。在腔长相同的情况下,环形腔的重复频率是线性腔的两倍。尽管环形腔的调节比线性腔要困难一些,但由于其对重复频率的加倍作用使其成为高重复频率振荡器的主要选择。该振荡器相比普通的环形激光振荡器的创新点是它用一个微凸的啁啾镜替代了普通的平面啁啾镜,增加了腔内的自振幅调制,在拥有高重复频率的同时产生了超过一个倍频程的超宽输出光谱,但是该光谱在一个倍频程上达不到足够高的光谱功率密度,因此必须使

用2f 23f 方法[6,13]

进行载波2包络相位稳定。

高重复频率的飞秒振荡器在激光光谱学、光频标技术、光通讯等方面有着重要的应用价值。这个装置将会使光频计量和将来的光学原子钟系统更简单更稳定。

2003年,Fortier 等人[14]

将棱镜和色散补偿镜结合