基于光子晶體光纖技術(shù)，研制了一種高功率波長(zhǎng)可調(diào)諧飛秒光纖激光器。該系統(tǒng)中的激光振蕩器和放大器級(jí)采用無展寬器結(jié)構(gòu)的二極管泵浦摻鐿單偏振大模面積光子晶體光纖，在脈沖壓縮后以50 MHz的重復(fù)率以10.4 W的平均功率、52 fs的脈寬和4 MW的峰值功率發(fā)送激光脈沖。本文報(bào)道了高重復(fù)率的硅微加工和鉻納米薄膜圖案化實(shí)驗(yàn)，證明了所開發(fā)的光纖激光源在快速微加工、微加工和微加工方面的潛力。

在長(zhǎng)度為10 m的高度非線性PCF中，LMA PCF激光源發(fā)出的1.5 W、52 fs脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜輻射。超連續(xù)譜HN-PCF輸出的光束輪廓如插圖所示。

1 介紹

快速發(fā)展的光纖激光技術(shù)為開發(fā)緊湊可靠的光源提供了誘人的策略，可用于廣泛的應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)、顯微鏡和成像、光通信和信息技術(shù)、超快科學(xué)和高場(chǎng)物理。新型光纖，如光子晶體光纖（PCF），有助于控制光纖激光系統(tǒng)中的色散和非線性，能夠產(chǎn)生緊湊實(shí)用的超短脈沖高功率光纖激光源。

大模面積（LMA）光子晶體光纖用于在不犧牲光束質(zhì)量的情況下減少光纖激光器和放大器中不需要的相位非線性偏移，從而產(chǎn)生高峰值功率、高能超短光脈沖。最近，通過使用基于LMA PCF的啁啾脈沖放大（CPA），以100 kHz的重復(fù)率產(chǎn)生毫焦耳亞皮秒脈沖。

在這項(xiàng)工作中結(jié)合了基于低非線性LMA光子晶體光纖和高度非線性小芯光子晶體光纖的獨(dú)特解決方案，展示了一種高功率波長(zhǎng)可調(diào)諧飛秒光纖激光源。該系統(tǒng)中的激光振蕩器和放大器級(jí)采用無展寬器結(jié)構(gòu)的二極管泵浦摻鐿單偏振LMA光子晶體光纖，在脈沖壓縮后以50 MHz的重復(fù)率以平均功率10.4 W、脈寬52 fs和峰值功率4 MW的激光脈沖。在高度非線性PCF中對(duì)此類激光脈沖進(jìn)行非線性變換，然后產(chǎn)生可在以下范圍內(nèi)平滑調(diào)諧的光脈沖波長(zhǎng)范圍為1.0至1.4μm，可產(chǎn)生450至1750 nm的超連續(xù)譜。

2、結(jié)果與討論

本工作中開發(fā)的光纖激光源包括基于單偏振LMA光子晶體光纖的光纖振蕩器和光纖放大器（圖1），并在其他地方進(jìn)行了詳細(xì)描述。簡(jiǎn)而言之，振蕩器采用1.5米長(zhǎng)的商用摻Y(jié)b LMA PCF，端部由光纖耦合二極管激光器泵浦，并提供500–600 fs的光脈沖，光譜中心為1040 nm，平均功率高達(dá)900 mW，重復(fù)頻率為50 MHz。在隔離器之后，這些脈沖通過無展寬器配置直接發(fā)射到放大器的LMA-PCF中。放大器使用3.5米長(zhǎng)的摻鐿雙包層LMA PCF，這與振蕩器中使用的光纖相同。

圖1基于高功率波長(zhǎng)可調(diào)諧光子晶體光纖的振蕩器放大器移頻器飛秒激光系統(tǒng)的示意圖：LMA PCF，大模面積光子晶體光纖；HN-PCF，高度非線性光子晶體光纖。

激光脈沖在LMA光子晶體光纖中的放大伴隨著自相位調(diào)制（SPM）引起的光譜展寬和非線性相移積累。這種脈沖放大的非線性區(qū)域通常有助于產(chǎn)生高峰值功率超短光脈沖，因?yàn)楣饷}沖的有限非線性相移可以通過在放大階段使用適當(dāng)?shù)呢?fù)色散分量來補(bǔ)償。然而，這種短脈沖產(chǎn)生策略需要在振蕩器-放大器系統(tǒng)中的增益、非線性和高階色散之間實(shí)現(xiàn)精確平衡，需要采取特殊措施優(yōu)化振蕩器和放大器中的光纖長(zhǎng)度，以及振蕩器中的激光脈沖積累和放大器中的脈沖放大。

為了進(jìn)行這樣的優(yōu)化，檢查了LMA-PCF放大器輸出的頻譜和脈沖形狀，在不同的激光二極管泵浦功率水平下，不同的輸入脈沖功率。在優(yōu)化的工作模式下，光纖振蕩器輸出的啁啾脈沖寬度為510 fs（圖2中的虛線），啁啾補(bǔ)償后可壓縮至約200 fs，平均功率為500 mW。由于LMA PCF振蕩器提供的激光輻射通過光隔離器和其他光學(xué)元件傳輸，光纖放大器輸入端的激光脈沖功率降低到180 mW。然后在LMA PCF放大器中以非線性脈沖放大方式放大這些510 fs、180 mW的脈沖，產(chǎn)生平均功率約為20 W、帶寬為48 nm的光脈沖，延伸至2.1 ps（圖2中的虛線），泵浦功率水平為32 W。使用光柵對(duì)進(jìn)行啁啾補(bǔ)償后，這些脈沖被壓縮至52 fs的脈沖寬度（圖2中的實(shí)線）。在最佳工作狀態(tài)下，壓縮52 fs脈沖的平均功率為10.4 W，對(duì)應(yīng)于4 MW的峰值功率。在振蕩器和放大器中，在較高的泵浦功率水平下產(chǎn)生了具有較高平均值和峰值功率的激光脈沖。

圖2測(cè)量的光纖振蕩器脈沖（點(diǎn)線）、LMA-PCF放大器脈沖（虛線）和壓縮后LMA-PCF放大器輸出的強(qiáng)度自相關(guān)軌跡（實(shí)線）。輸入激光脈沖的平均功率為180 mW，脈沖寬度為510 fs。激光二極管泵浦功率為32 W。

為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧頻率轉(zhuǎn)換和超連續(xù)譜的產(chǎn)生，來自LMA-PCF激光器的壓縮和衰減脈沖被發(fā)射到芯徑為2.5μm的高度非線性PCF中（圖3a）。在這種光纖中，當(dāng)激光脈沖在反常色散區(qū)傳播時(shí)，它們傾向于向孤子方向發(fā)展。在圖3b中，將光譜解析的HN PCF輸出映射為輸入脈沖平均功率的函數(shù)。對(duì)于更高的輸入能量，PCF可以作為高效的超連續(xù)uum源。對(duì)該光子晶體光纖（圖4中插圖）輸出處寬帶輻射光束剖面的檢查表明，超連續(xù)譜主要是在基本光子晶體光纖模式下產(chǎn)生的。圖4顯示了由LMA PCF激光源產(chǎn)生的1.5 W 52 fs脈沖產(chǎn)生的單模PCF超連續(xù)輸出的規(guī)格，從450 nm延伸至至少1750 nm。

圖3 a）高度非線性PCF的SEM圖像。（b）作為L(zhǎng)MA-PCF激光源輸出的輸入脈沖平均功率的函數(shù)測(cè)量的高度非線性PCF的光譜分辨輸出。

圖4長(zhǎng)度為10 m的高度非線性PCF中，LMA PCF激光源產(chǎn)生的1.5 W、52 fs脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜輻射。超連續(xù)譜HN-PCF輸出的光束輪廓如插圖所示。

光纖激光源可用于各種介質(zhì)和半導(dǎo)體材料以及金屬表面和薄膜的快速微細(xì)化和微加工。在圖5中展示了一個(gè)90◦ 使用450 mW、50 MHz LMA-PCF激光輸出制作硅片微圖案的扇區(qū)。所開發(fā)的光纖激光源具有高重復(fù)率和高功率，可實(shí)現(xiàn)材料的高速微加工，并為半導(dǎo)體、電介質(zhì)和金屬的并行微加工和微機(jī)械加工指明了方向。圖6顯示了由1.35 W、50 MHz LMA-PCF激光脈沖在50 nm厚的鉻膜上產(chǎn)生的方形微圖案。圖5和圖6所示的高質(zhì)量微圖案反映了光纖激光器輸出的出色光束質(zhì)量，而這又是由于所開發(fā)光纖系統(tǒng)的振蕩器和放大器級(jí)中摻鐿LMA光子晶體光纖的真正單模操作。

圖5 90◦ 硅片上450 mW、50 MHz LMA-PCF激光輸出產(chǎn)生的微圖案扇區(qū)。

圖6由1.35 W、50 MHz LMA-PCF激光脈沖在50 nm厚的鉻膜上產(chǎn)生的方形微圖案的光學(xué)顯微照片。

本文展示了一種基于低非線性LMA光子晶體光纖和高非線性小芯光子晶體光纖的高功率波長(zhǎng)可調(diào)諧飛秒光纖激光器。短脈沖光纖光源通過結(jié)合緊湊的無展寬器設(shè)計(jì)、由于在振蕩器和放大器模塊中使用LMA PCF而實(shí)現(xiàn)的單模操作以及在高度非線性PCF中實(shí)現(xiàn)的高效可調(diào)諧頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)現(xiàn)有的先進(jìn)光纖激光器和放大器系統(tǒng)進(jìn)行了有利的補(bǔ)充。已證明，所開發(fā)的光源在高脈沖重復(fù)率下為快速硅圖標(biāo)微處理和鉻納米薄膜圖案化提供了很大的前景。雖然其他類型的激光器已成功應(yīng)用于材料微加工和微機(jī)械加工，包括硅組件和金屬表面的加工，但開發(fā)的光纖系統(tǒng)為這些應(yīng)用提供了與高脈沖重復(fù)率相關(guān)的重要優(yōu)勢(shì)，允許快速材料加工、高光束質(zhì)量，提供高質(zhì)量的加工和微細(xì)加工，以及光纖設(shè)計(jì)，提供有吸引力的光纖機(jī)頭延伸。

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