引用本文:
李荣华,唐城田,魏淮. 用于实现高功率超短脉冲源的关键技术[J]. 光通信技术,2019,43(12):21-26.
李荣华,唐城田,魏 淮
(北京交通大学 电子信息工程学院,北京100044)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:高功率超短脉冲源应用广泛,在信息、精密加工、医疗、国防和基础科学研究等领域备受关注。针对各个领域对高功率需求不断增长的趋势,分别从种子源、放大技术和堆叠技术3个方面介绍了实现高峰值功率的主流技术,并对目前出现的新型锁模激光器、新型放大器以及各种脉冲堆叠等重要新技术的实现方法和国内外研究进展进行了介绍。最后对未来超高功率的的实现技术进行了预测和展望。
关键词:高功率脉冲;光纤激光器;光纤放大器;脉冲堆叠
中图分类号:TN248 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2019)12-0021-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.12.005
0 引言
高功率超短脉冲激光在军事、工业和医学等领域发挥重要作用。为了获得高峰值功率需要增加激光器的腔内增益,但单纯地通过提高激光器泵浦功率和腔内增益只会导致腔内不能维持单脉冲状态,出现多脉冲或混沌不稳定状态,从而限制单脉冲峰值功率的提升。因此,为了获得稳定的单脉冲,腔内增益只能维持在低水平附近,单脉冲峰值功率提高受限[1];另外,高功率超短脉冲传输时会引发介质的雪崩问题[2],造成光纤损伤,以及高功率会引发温度过高而导致光纤热损伤。因此,实现高功率超短脉冲仅靠单纯提高作为种子源的锁模激光器的峰值功率是不够的,必须从多方面入手。目前的高功率超短脉冲系统通常由种子源、放大器和脉冲相干合成系统构成。通过适当提高作为种子源的锁模光纤激光器的峰值功率,结合放大器实现功率的进一步提高,再与各种脉冲相干合成技术相结合来综合提高最终的输出功率。本文就近几年来种子源、放大器和脉冲相干合成系统的新技术发展状况展开讨论。
5 结束语
近年来,用于实现高功率超短脉冲的技术在种子源、放大器和脉冲相干合成方面都有了新的发展,在种子源方面,Mamyshev振荡器的出现解决了激光器中非线性效应制约的问题,将激光器的峰值功率提升到MW量级;在放大器方面,CPA技术是目前获得高功率超短脉冲的主流技术,可以产生GW[35]量级的脉冲,而GMN技术的出现解决了光纤放大系统中高非线性管理和增益窄化问题,利用非线性可以产生比低于100 fs的脉冲的增益谱更宽的带宽,可以管理约 200π的非线性相移;在能量提升受光纤纤芯和压缩光栅器件等的制约时,脉冲相干合成技术可以提供单一光纤系统无法产生的能量。由此可见,只有多种技术结合起来才能达到最高脉冲能量,多模光纤结合激光器和放大器可能会产生超过传统单模的脉冲,不同模式不同维度的脉冲之间产生强烈反应,可能意味着高功率的出现。
未来,对非线性和多模光纤的研究会更加深入,更加新型的高功率超短脉冲源也将不断涌现。从激光器到放大器再到结合了激光器和放大器的各种脉冲堆积放大技术,体现了技术发展的整体性,时域、空域多维度的技术相结合才能实现更高的输出功率。