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技术文章
“中红外激光技术与应用”专题亮点文章
点击次数：1914 发布时间：2025/7/24 18:08:43
背景介绍
中红外氟化物光纤超短脉冲激光在半导体材料加工、超连续泵浦、多光子显微镜、强场物理等方向有着广阔的应用前景，成为近年来激光技术发展的重要前沿方向之一。
现有中红外展宽和压缩体光栅传输损耗极大，且中红外光纤光栅技术不成熟，因此近红外通用的光纤啁啾脉冲放大技术难于移植到中红外波段，这限制了中红外氟化物光纤峰值功率的提升。提升中红外氟化物光纤的输出峰值功率以满足应用需求，是国际上多个研究团队追求的目标。
上海交通大学谢国强教授课题组报道了一种能够实现高峰值功率的2.8 μm Er：ZBLAN 光纤自压缩放大器。通过数值仿真，发现在光纤放大器中由于色散和非线性的相互作用，脉冲在放大的同时可以实现自压缩，从而实现高的峰值功率。放大器采用锁模Er：ZBLAN 光纤振荡器作为种子源，锁模脉冲的宽度为240 fs、峰值功率为16.9 kW。通过单级光纤自压缩放大器，获得了脉冲宽度为110 fs、峰值功率为151 kW 的放大脉冲，从氟化物光纤中直接产生了超过100 kW的峰值功率。
创新工作
课题组设计的激光器系统由振荡器和放大器两部分组成。振荡器采用高掺杂浓度的双包层Er:ZBLAN光纤作为增益介质。实验装置如图1所示，振荡器为环形腔结构，采用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术产生飞秒脉冲激光。
图1 2.8 μm Er:ZBLAN锁模光纤振荡器及自压缩放大器示意图
飞秒种子脉冲通过ZnSe非球面透镜耦合到放大器光纤中。为了避免振荡器中发生脉冲分裂现象，将振荡器输出的脉冲峰值功率控制在约17 kW。同时，放大器选择输出端泵浦，这降低了放大器光纤中非线性相移的积累，同时提高了放大效率。
不同于传统的啁啾脉冲放大器，自压缩放大器呈现出显著的脉宽自压缩的特征。当光纤中的脉冲放大到较高的脉冲能量，自位相调制效应会造成显著的非线性光谱展宽，而氟化物光纤中的反常色散和自位相调制效应相互平衡，导致脉冲呈现出非常显著的自压缩。
通过孤子自压缩放大器，将240 fs的种子脉冲自压缩到110 fs，脉冲能量放大到16.6 nJ, 直接从自压缩放大器中获得了151 kW的峰值功率，光谱范围覆盖2.72~2.90 μm(图2)。
图2 自压缩放大系统的输出结果。(a)脉冲序列;(b)振荡器输出脉冲的自相关曲线;(c)振荡器输出脉冲的光谱;(d)放大器输出功率随泵浦功率的变化;(e)放大器输出脉冲的自相关曲线;(f)放大器输出脉冲的光谱
自压缩放大器采用脉冲非线性放大的形式，同时实现了脉冲能量的提升和脉冲宽度自压缩，而且激光器系统结构简单紧凑，为高峰值功率中红外超短脉冲的产生提供了一种新的技术途径。
总结与展望
研究报道了2.8 μm Er:ZBLAN光纤自压缩放大技术，验证了该技术能够直接产生高峰值功率中红外飞秒脉冲。相比于传统的啁啾脉冲放大器，光纤自压缩放大器无需光栅展宽和压缩器系统，具有结构简单紧凑的特点。
特别是，自压缩放大不会出现增益窄化，反而会因非线性效应而出现脉冲光谱带宽展宽现象。利用自位相调制和光纤反常色散的相互平衡，从光纤自压缩放大器中直接可产生高峰值功率脉冲。而且，利用低重频脉冲放大和采用更大芯径的氟化物光纤，通过自压缩放大可进一步提升中红外氟化物光纤激光器的峰值功率水平。
参考文献： 中国光学期刊网
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原创作者：筱晓（上海）光子技术有限公司
