拉曼單頻可見光纖激光
高功率單頻可見激光在天文探測(cè)、量子信息技術(shù)、激光遙感、原子物理等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,一直是激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光纖激光器特別是拉曼光纖激光器,具有波長(zhǎng)靈活、輸出功率高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。近紅外光纖激光器的單通和頻或倍頻為可見激光的產(chǎn)生提供了一種緊湊、可靠的解決方案。單頻可見激光的功率通常受限于相應(yīng)的基頻光功率。然而,光纖激光器纖芯截面小、相互作用距離長(zhǎng),易產(chǎn)生各種非線性效應(yīng),尤其是受激布里淵散射(SBS)嚴(yán)重限制了單頻光纖激光的輸出功率,這也是單頻可見激光功率無法進(jìn)一步提升的主要原因。對(duì)于拉曼光纖激光器,其增益與泵浦功率相關(guān),要實(shí)現(xiàn)特殊波長(zhǎng)應(yīng)用的功率需求,在高功率泵浦條件下依然需要較長(zhǎng)的拉曼光纖,這將導(dǎo)致SBS閾值進(jìn)一步減小,難以實(shí)現(xiàn)高功率單頻拉曼激光。目前,已有多種方法用于抑制光纖激光放大過程中的SBS,如對(duì)增益光纖施加梯度溫度或縱向應(yīng)力梯度、設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的增益光纖、使用大芯徑小數(shù)值孔徑的增益光纖、高摻雜增益光纖等。其中,相位調(diào)制是抑制SBS最典型的方法,是目前獲得千瓦量級(jí)高功率光纖激光最有效的技術(shù),具有簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)點(diǎn),通過展寬單頻激光線寬,降低激光功率譜密度以抑制SBS,在光纖激光器中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過3 kW近衍射極限的單模保偏激光輸出。值得注意的是,相位調(diào)制后的激光通過倍頻等過程,僅管可以實(shí)現(xiàn)千瓦功率的可見激光運(yùn)轉(zhuǎn),但獲得的可見激光光譜展寬,不再是單頻激光,無法滿足單頻激光應(yīng)用需求,這是相位調(diào)制激光通過頻率變換產(chǎn)生高功率單頻可見激光所面臨的困難。1988年Strickland和Mourou提出的啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA),已廣泛應(yīng)用于解決放大器中的非線性光學(xué)損傷問題,使脈沖激光能量得到巨大飛躍,是實(shí)現(xiàn)大能量脈沖激光輸出的典型方法。然而,在高功率連續(xù)單頻激光領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光光譜壓縮的方案十分有限,且均存在輸出功率低等一系列問題。因此,通過光纖激光非線性頻率變換過程,實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)靈活的高功率單頻可見激光,所面臨的光譜展寬問題亟待解決。
基于相位求和產(chǎn)生的單頻上轉(zhuǎn)換激光 近日,國(guó)科大杭州高等研究院物理與光電工程學(xué)院陳衛(wèi)標(biāo)教授工作室曾鑫博士,及中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所馮衍研究員團(tuán)隊(duì),為解決相位調(diào)制激光在非線性頻率變換過程中所面臨的光譜展寬問題,提出了相位求和的連續(xù)激光光譜壓縮技術(shù),并通過理論仿真與實(shí)驗(yàn)研究獲得證實(shí)。實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)激光有效的光譜壓縮,并獲得高光譜純度的單頻可見激光。該方法在基于拉曼光纖放大器的激光系統(tǒng)中開展實(shí)驗(yàn),對(duì)兩個(gè)用于拉曼放大的單頻激光種子通過相位調(diào)制進(jìn)行光譜展寬,以抑制光纖拉曼放大器中的SBS,獲得高功率激光輸出,并進(jìn)一步在周期性極化的化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體(PPSLT)中進(jìn)行單通和頻。當(dāng)兩個(gè)單頻激光種子的相位調(diào)制信號(hào)具有相同的頻率,還具有產(chǎn)生相同調(diào)制深度的幅值,但信號(hào)間相位相反時(shí),和頻產(chǎn)生的上變頻激光恢復(fù)為單頻,最終實(shí)現(xiàn)了17.3W的高光譜純度的單頻590 nm激光,倍頻效率高達(dá)39.3%。在不考慮單頻可見激光輸出時(shí),實(shí)現(xiàn)了21.4 W窄線寬激光運(yùn)轉(zhuǎn),倍頻效率43.3%。該方案的提出突顯出相位變換在精密激光技術(shù)混頻過程中的重要性。 成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第11期的文章
利用相位求和產(chǎn)生的高功率單頻上轉(zhuǎn)換激光原理,如圖1所示。兩個(gè)單頻種子激光器被相位調(diào)制以具有更寬的光譜,從而降低光譜密度并抑制光纖放大器中的SBS。當(dāng)兩束光的相位調(diào)制具有相同頻率和調(diào)制深度,但相位反相時(shí),和頻光的相位調(diào)制項(xiàng)和為0,此時(shí)和頻激光恢復(fù)為單頻。在相位求和的連續(xù)激光光譜壓縮技術(shù)中,相位調(diào)制可以使用任何符號(hào)相反的兩個(gè)調(diào)制函數(shù),只要能滿足和頻后的相位調(diào)制項(xiàng)和為0。由于任何周期性的函數(shù)都可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開為多個(gè)正弦函數(shù)的疊加。因此,實(shí)驗(yàn)演示中采用正弦函數(shù)進(jìn)行相位調(diào)制。單頻激光正弦調(diào)制與和頻的相位演化如圖1所示。
圖1 和頻過程中相位求和產(chǎn)生單頻頻率上轉(zhuǎn)換激光原理,以及激光在不同階段的光譜和相位演變的示意圖。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示?;诶饫w激光放大的單通和頻方案,利用頻率100 MHz正弦信號(hào),以及10 GHz帶寬的電光相位調(diào)制器(EOM)進(jìn)行相位調(diào)制,分別展寬兩束波長(zhǎng)位于1180 nm附近的半導(dǎo)體分布式反饋(DFB)單頻激光光譜,單頻激光器線寬分別為380 kHz和120 kHz,調(diào)制后的激光通過50:50耦合器進(jìn)入兩級(jí)拉曼光纖放大器共同放大,最終進(jìn)入PPLST單通和頻。
圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,包括兩個(gè)相位調(diào)制的激光種子,一個(gè)兩級(jí)拉曼光纖放大器,以及和頻單元。EOM:電光相位調(diào)制器;WDM:波分復(fù)用器。
對(duì)于正弦調(diào)制的拉曼激光放大輸出功率最大為45.2 W,此時(shí)1120 nm的泵浦功率為87.6 W,放大器后向回光功率為0.22 W。相比于單頻光纖拉曼激光放大結(jié)果,相位調(diào)制與共同放大實(shí)現(xiàn)了大于11倍的激光放大輸出。其原因得益于相位調(diào)制對(duì)單頻激光線寬的展寬,以及雙種子激光進(jìn)一步降低了拉曼激光的功率譜密度。
圖3 通過拉曼放大器和和頻產(chǎn)生的單頻激光器的功率曲線。(a)拉曼光纖放大器前后向的輸出功率與1120nm泵浦功率的關(guān)系曲線。(b)和頻上轉(zhuǎn)換單頻激光輸出功率、轉(zhuǎn)換效率與拉曼激光功率的關(guān)系。插圖:590.3nm激光的光譜。
通過調(diào)整正弦信號(hào)間的相位,可以實(shí)現(xiàn)不同的和頻光譜輸出;當(dāng)信號(hào)間的相位相差π時(shí),即可實(shí)現(xiàn)和頻過程的非線性光譜壓縮,從而獲得高光譜純度單頻590 nm激光。理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,其中圖4(b)為自由光譜范圍(FSR)4 GHz的法布里珀羅干涉儀測(cè)量的光譜。
圖4 頻率上轉(zhuǎn)換激光在正弦信號(hào)之間不同相位偏移處的光譜演變。(a)模擬的頻率上轉(zhuǎn)換激光光譜。(b)用FPI測(cè)量的頻率上轉(zhuǎn)換激光光譜。強(qiáng)度均通過單頻激光強(qiáng)度歸一化處理。
拉曼激光在最大功率45.2 W時(shí),通過空間隔離器后經(jīng)過PPSLT單通和頻,獲得了17.3 W的單頻590 nm激光,其線寬和光譜純度與單頻拉曼激光和頻的結(jié)果對(duì)比如圖5所示。相位求和壓縮后的高功率單頻的線寬與光譜純度可以與單頻情況下的結(jié)果相比擬。
圖5 和頻輸出的頻譜。(a)相位調(diào)制的拉曼激光通過和頻相位求和得到的輸出功率17.3W的單頻590 nm激光與(b)單頻拉曼激光和頻,得到的單頻590 nm激光精細(xì)光譜和FPI掃描信號(hào)。
總結(jié)與展望 相位求和的連續(xù)激光光譜壓縮技術(shù),利用和頻過程中的相位求和效應(yīng),避免了單頻激光功率放大過程中的非線性限制,通過對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行非線性光譜壓縮,在基于正弦相位調(diào)制激光拉曼光纖放大的和頻系統(tǒng)中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,產(chǎn)生了20 W級(jí)的高光譜純度單頻590nm激光。該技術(shù)通過特定的相位調(diào)制方式,一方面能夠展寬單頻激光光譜,抑制拉曼光纖激光放大過程中的SBS,實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出;另一方面根據(jù)和頻過程中激光相位求和效應(yīng),對(duì)相位調(diào)制的高功率拉曼激光光譜進(jìn)行壓縮,獲得高功率單頻可見激光。這種用于高功率單頻激光產(chǎn)生方法類似于CPA,但區(qū)別在于該方法針對(duì)連續(xù)激光光譜進(jìn)行展寬、放大以及壓縮。該方法在產(chǎn)生用于高精度應(yīng)用的高功率、高光譜質(zhì)量的單頻可見光或紫外激光器方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì);同時(shí)也進(jìn)一步為類似的相位變換方法在差頻(相位相減)、四波混頻(相位相加和相減)等非線性混頻過程實(shí)現(xiàn)光譜壓縮提供了有力支撐,突顯該類相位變換方法在非線性光學(xué)和高功率激光技術(shù)中的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。 國(guó)科大杭高院物理與光電工程學(xué)院博士后曾鑫為本論文的第一作者,中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所馮衍研究員為本論文的通訊作者。該項(xiàng)目獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金支持。
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