飛秒激光具有窄脈寬、寬光譜、高峰值功率等特點(diǎn)，是科學(xué)研究和工業(yè)加工的理想工具。光纖飛秒激光系統(tǒng)憑借著輸出功率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展，然而受到光纖纖芯面積小和增益帶寬有限的固有限制，很難直接輸出高質(zhì)量、窄脈寬的高能量脈沖。

利用啁啾脈沖放大技術(shù)雖然可以獲得較高的單脈沖能量，但是由于其放大過(guò)程中不存在光譜展寬的過(guò)程，同時(shí)強(qiáng)烈的增益窄化作用還會(huì)導(dǎo)致輸出脈沖寬度變寬，其輸出的脈沖寬度往往在百飛秒量級(jí)。自相似放大技術(shù)通過(guò)控制放大過(guò)程中的非線性效應(yīng)使其積累線性啁啾，能夠在脈沖功率放大的同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖光譜的展寬，支持高脈沖能量，且輸出結(jié)果與入射脈沖的形狀無(wú)關(guān)。另外，在脈沖放大過(guò)程中產(chǎn)生的線性啁啾能夠通過(guò)光柵對(duì)進(jìn)行壓縮，為獲得高功率、高能量的飛秒脈沖激光輸出提供了條件。

與啁啾脈沖放大技術(shù)努力降低光纖中的非線性效應(yīng)以保證脈沖的形狀和光譜形狀不被自相位調(diào)制影響而發(fā)生畸變不同，自相似放大技術(shù)就是要利用自相位調(diào)制的特性來(lái)展寬光譜。通過(guò)時(shí)間帶寬積理論可知，光譜越寬對(duì)應(yīng)的極限脈沖就越窄。但是，如果任意一個(gè)脈沖放任自相位調(diào)制展寬光譜，最終的結(jié)果一定是出現(xiàn)脈沖畸變、產(chǎn)生裙底、信噪比降低等問(wèn)題。

對(duì)自相似脈沖放大理論研究表明，在不考慮光纖吸收損耗和高階色散的情況下，脈沖在沒(méi)有長(zhǎng)度限制的正色散增益光纖中傳輸及放大時(shí)，非線性薛定愕方程就能夠求出帶有線性啁啾的自相似漸近解，其包絡(luò)形狀最終會(huì)演化成拋物線型。由于自相位調(diào)制積累的非線性相位是與脈沖相同形狀的函數(shù)，因此對(duì)于拋物線型脈沖，不論自相位調(diào)制如何積累，其對(duì)應(yīng)的啁啾都是常數(shù)，這就將非線性啁啾變成了線性啁啾，那么這樣積累出來(lái)的非線性相位就也能像線性啁啾那樣利用具有線性啁啾的脈沖壓縮器對(duì)其進(jìn)行壓縮。

這無(wú)疑為光纖放大系統(tǒng)的壓縮過(guò)程提供了新的方式，為得到高功率、無(wú)啁啾的超短脈沖激光提供了新的可能。和啁啾脈沖放大不同，在自相似脈沖放大系統(tǒng)中，光譜在自相位調(diào)制的作用下跟時(shí)域脈沖一起被展寬，根據(jù)時(shí)間帶寬積，就容易實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮后的脈寬比種子脈寬更窄。在放大器的參數(shù)固定不變時(shí)，自相似放大只與入射脈沖的初始能量有關(guān)，不受入射脈沖形狀、寬度等參數(shù)的影響。

圖1 (a)脈沖在時(shí)域傳輸時(shí)的波形

(b)脈沖在頻域傳輸時(shí)的波形

隨著奧創(chuàng)光子不斷攻堅(jiān)克難，已成功掌握了1030 nm波段自相似放大技術(shù)。使用奧創(chuàng)光子自制的SESAM鎖模光纖激光振蕩器作為種子源，通過(guò)增益控制和色散管理的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)的自相似放大器。色散補(bǔ)償后的脈沖自相關(guān)曲線如圖2所示，此時(shí)的脈沖寬度接近變換極限。較窄的脈沖寬度有利于在增益過(guò)程中獲得較高的峰值功率，并由此更好地利用自相位調(diào)制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光譜展寬。色散補(bǔ)償后的脈沖進(jìn)入自相似放大階段，放大后脈沖光譜的包絡(luò)呈顯著的拋物線型，光譜中心波長(zhǎng)位于1030 nm附近，沒(méi)有發(fā)生明顯的偏移，光譜帶寬大于20 nm，且自主可控（如圖3）。對(duì)應(yīng)的自相關(guān)曲線表明，時(shí)域脈沖已經(jīng)同樣演化為拋物線型（如圖4）。此時(shí)，脈沖能夠被輕易壓縮至小于100 fs。

圖2 色散補(bǔ)償后的自相關(guān)圖像

圖3 自相似放大后光譜形狀

圖4 自相似放大后自相關(guān)圖像

奧創(chuàng)光子掌握的自相似放大技術(shù)具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。首先，為下一級(jí)功率放大和能量放大提供穩(wěn)定、高線性啁啾度、高功率的種子源。目前，奧創(chuàng)光子通過(guò)將自相似放大技術(shù)與啁啾脈沖放大技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量大于100 uJ、脈沖寬度小于170 fs的高能飛秒脈沖激光器（如圖5）。其次，為非線性脈沖壓縮技術(shù)提供高能量的拋物線形脈沖，提高展寬光譜的線性啁啾度，為輸出高質(zhì)量的單周期飛秒激光脈沖帶來(lái)了新機(jī)遇。最后，自相似放大輸出的線性啁啾拋物線脈沖還在高相干度超連續(xù)譜產(chǎn)生、任意脈沖時(shí)域形狀合成和光學(xué)信息處理等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 單脈沖能量大于100 uJ時(shí)對(duì)應(yīng)的自相關(guān)圖像

奧創(chuàng)光子自2018年創(chuàng)立以來(lái)，公司已申請(qǐng)140余項(xiàng)專利，已掌握了高能高功率飛秒脈沖放大技術(shù)、啁啾體布拉格光柵色散補(bǔ)償技術(shù)、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵核心技術(shù)，結(jié)合自主設(shè)計(jì)制造的超快種子源、溫度調(diào)諧式啁啾光 纖光柵等核心器件已成功推出系列化飛秒激光器產(chǎn)品，并在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域批量出貨，打破了該領(lǐng)域被國(guó)外產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷的局面。目前奧創(chuàng)光子不斷迎合當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于航天航空，新能源鋰電，電子消費(fèi)等高端精密行業(yè)的發(fā)展節(jié)奏壯大自身，不斷為先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)夯實(shí)基礎(chǔ)，促進(jìn)發(fā)展。

來(lái)源：奧創(chuàng)光子