在飛秒脈沖激光技術(shù)中，如何獲得更短的脈寬是一個在業(yè)內(nèi)持續(xù)熱門的研究方向，也是飛秒激光器用戶關(guān)心的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，更短的脈寬是拔高脈沖峰值功率的關(guān)鍵因素，也是探究物質(zhì)深層次物理奧秘的重要手段。

飛秒激光的時域脈寬與光譜寬度密切相關(guān)，而受增益介質(zhì)能級決定的發(fā)射譜寬度往往有限，尤其是摻稀土離子的固體激光增益介質(zhì)，發(fā)射譜寬不過幾十納米，這種有限的譜寬以及發(fā)射譜分布的不均勻性就會引起激發(fā)放大過程的光譜增益窄化效應(yīng)；脈沖在放大過程的增益飽和效應(yīng)會導(dǎo)致啁啾脈沖前后沿增益差異，進(jìn)一步引起脈沖頻譜的窄化。這些導(dǎo)致脈沖頻譜寬度窄化的因素就制約了激光放大后能得到的最短脈寬。

雖然技術(shù)上早已提出了利用偏振光對信號脈沖光譜預(yù)整形的技術(shù)，使用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具濾波光譜的技術(shù)，以及通過特殊鍍膜的濾光片對不同光譜成分產(chǎn)生不同透過率的方法；除了這些固化的基于器件光譜整形技術(shù)，自相位調(diào)制效應(yīng)、克爾效應(yīng)等非線性光學(xué)效應(yīng)也被用于超短脈沖光譜預(yù)整形，但受制于脈沖峰值功率；靈活可調(diào)的光譜主動整形手段如液晶調(diào)制器、聲光可編程色散濾波器等器件構(gòu)成復(fù)雜、集成度不高；衍射光柵、棱鏡等色散器件也是實現(xiàn)對寬光譜整形的有效工具，且可以通過引入局部損耗或調(diào)制來實現(xiàn)選擇性濾波。啁啾光纖光柵兼具了窄帶濾光片和衍射光學(xué)器件的特點(diǎn)，其全光纖特性也易于實現(xiàn)和光纖激光器高集成度連接。奧創(chuàng)光子在成熟的大啁啾光纖光柵器件制作平臺上通過對光柵刻寫工藝的調(diào)整，實現(xiàn)了反射譜強(qiáng)度分布可控的啁啾光纖光柵制備，從而能夠滿足對寬光譜啁啾脈沖的頻譜整形，可用于啁啾脈沖放大系統(tǒng)的信號脈沖光譜預(yù)整形，一定程度克服后續(xù)放大過程的光譜增益窄化效應(yīng)，支持更短的壓縮脈寬。

奧創(chuàng)光子啁啾光纖光柵為飛秒系列激光器產(chǎn)品的脈沖展寬器件，其支持?jǐn)?shù)十納米的反射譜寬，可為種子脈沖實現(xiàn)有效的全光譜范圍時域展寬。啁啾脈沖在功率放大過程中亦無法避免光譜增益窄化現(xiàn)象，為了適度緩解這種效應(yīng)對最終放大脈沖光譜寬度的制約，一個簡單而有效的策略是直接在脈沖展寬器上設(shè)置光譜的特殊強(qiáng)度分布，以此在一定程度上抵消后續(xù)放大器中脈沖的光譜增益窄化。得益于奧創(chuàng)光子啁啾光纖光柵制作平臺的功能可擴(kuò)展性，在不改變紫外光刻光路布局的前提下，僅通過調(diào)整局部曝光參數(shù)，即可實現(xiàn)對特定波長位置反射柵區(qū)的調(diào)制，這種調(diào)制引起該波長處反射率的急劇下降。在基于摻鐿離子的光纖和固體激光放大系統(tǒng)中，中心波長1030nm附近的種子源輸出脈沖會在其中心波長前后出現(xiàn)較明顯的高增益，而前后沿增益較低，導(dǎo)致放大后的不同光譜成分增益不一致，表現(xiàn)出光譜寬度隨著增益的提升而漸窄。

因此奧創(chuàng)光子的光纖光柵設(shè)計團(tuán)隊在啁啾光纖光柵制作工藝中設(shè)計其反射率曲線中部呈凹陷狀，最大調(diào)制深度超過50%，基本位于反射譜中央位置，凹陷譜寬度占據(jù)反射譜全寬度的3/4以上。這樣大幅度的局部光譜成分“高損耗”的引入，在隨后的激光放大系統(tǒng)中將會發(fā)揮增益分布重組的功效，且損耗會被增益所彌補(bǔ)。

這種中部呈凹陷型的反射式啁啾光纖光柵，我們稱之為saddle-shaped CFBG，即馬鞍形反射譜啁啾光纖光柵。制作出的該特種光纖光柵反射譜如圖1，圖中可見設(shè)計反射率曲線及實際測得的反射率曲線，整體輪廓滿足彌補(bǔ)光譜增益窄化的要求。采用偏振相關(guān)干涉法測量推算得出的該啁啾光纖光柵色散曲線如圖2，其色散特性基本匹配后續(xù)CPA系統(tǒng)色散管理設(shè)計。

圖1. saddle-shaped CFBG型光纖光柵反射譜

（黑線：理論設(shè)計曲線；紅線：實驗測試曲線）

圖2. saddle-shaped CFBG型光纖光柵色散曲線

為了驗證該saddle-shaped CFBG的光譜特性在彌補(bǔ)激光放大器光譜增益窄化方面的有效性，將其安裝在一套標(biāo)準(zhǔn)的光纖+固體CPA系統(tǒng)中，包括兩級光纖放大器和一級固體放大器。光纖放大器為摻鐿石英光纖增益介質(zhì)，提供80倍增益；固體放大器為Yb:YAG增益介質(zhì)，提供8倍增益。由于saddle-shaped CFBG自身的色散特性，脈沖被有效展寬，因而在放大過程中并無明顯的自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)。圖3是CPA系統(tǒng)輸出的放大脈沖光譜，作為對比，同時附上了采用常規(guī)的平頂光譜形狀CFBG作為脈沖展寬器的CPA輸出光譜，可見該saddle-shaped CFBG型脈沖展寬/光譜整形器件達(dá)到了一定程度上補(bǔ)償光譜增益窄化的效果。

圖3. 配備了saddle-shaped CFBG型光纖光柵

（和常規(guī)平頂光纖光柵）

實現(xiàn)光譜整形的CPA系統(tǒng)輸出放大光光譜

圖4是這兩種放大光譜對應(yīng)的脈沖壓縮結(jié)果，可見補(bǔ)償光譜增益窄化的CPA系統(tǒng)能夠輸出更窄的去啁啾脈沖，實現(xiàn)了saddle-shaped CFBG輔助實現(xiàn)高峰值功率、窄脈寬輸出的目的。

圖4. a.基于光譜整形光纖光柵展寬器的CPA輸出飛秒脈沖自相關(guān)曲線； 圖4. b.常規(guī)平頂光纖光柵展寬器的CPA輸出飛秒脈沖自相關(guān)曲線

奧創(chuàng)光子技術(shù)有限公司是一家專業(yè)從事工業(yè)級飛秒激光器及其核心器件研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的國家高新技術(shù)企業(yè)�？偛孔�落于浙江省杭州市，目前擁有約10000平方米光學(xué)潔凈室和辦公區(qū)。公司創(chuàng)始核心團(tuán)隊由中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所國家重點(diǎn)實驗室核心隊伍及海歸超快激光器工程化專家共同組成，其中包括國家萬人計劃專家、國際知名超快激光器企業(yè)首席設(shè)計師等，是目前國內(nèi)超快激光領(lǐng)域的先行者和引領(lǐng)者。

自2018年創(chuàng)立以來，公司已申請150余項專利，已擁有核心技術(shù)包括NALM全光纖長壽命鎖模種子源量產(chǎn)工藝、高階色散可調(diào)控CFBG制作工藝、拋物脈沖高保真光纖CPA技術(shù)、高增益innoslab放大器封裝工藝及技術(shù)等，結(jié)合100%自主設(shè)計的超快種子源、溫度調(diào)諧式啁啾光纖光柵等核心器件，已成功推出千瓦級、毫焦級、超短脈寬等系列化飛秒激光器產(chǎn)品，并在國內(nèi)率先實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域批量出貨，年量產(chǎn)出貨超過500臺，打破了該領(lǐng)域被國外產(chǎn)品長期壟斷的局面。

文章來源：奧創(chuàng)光子

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