GCS-UPFL 超短脉冲掺镱光纤激光器实验

超短脉冲激光器作为激光领域的一个重要发展方向，在近三十年间得到了飞速发展。由于其具有输出脉冲宽度 窄以及峰值功率高等特点，因此超短脉冲激光在高次谐波产生、超快化学、阿秒脉冲产生等前沿基础科学研究以及 材料精密加工、光学测量、THz 产生、生物医疗以及成像等领域都有重要的应用价值。目前超短脉冲激光器主要包 括固体自由空间激光器以及光纤激光器。基于光纤的超短脉冲激光器具有结构简单紧凑，成本较低，光束质量好， 热管理性能优良等特点，作为第三代激光器的代表，近年来发展势头迅猛，成为了光电子技术领域中的研究热点之一。

当前现代光电技术制造业和光生物科技发展迅猛，相关行业对熟悉飞秒脉冲激光基本特性的人才需求越来越大， 然而国内高校和相关科研院所针对学生开展的普及性飞秒激光实验条件却显得不足。其原因主要是目前高校和科研 单位的飞秒激光器主要为基于块状激光晶体和光学器件的固体激光器 ，且大都专用于某个具体科研领域。这类飞秒 激光系统往往价格昂贵，操作复杂，维护繁琐，这决定了其很难应用到通常的以教学为目的的光学实验中。在此背 景下，研制适合于日常高校光学或光电技术专业的研究生和高年级本科生熟悉、了解飞秒激光的教学实验和演示的 飞秒激光器便显得尤为必要。基于此，我们推出的超短脉冲光纤激光器套件便是结合目前脉冲动力学发展与被动锁 模技术的适合高校以及相关科研院所实验以及教学的飞秒激光系统。该系统应具有可操作性强、维护方便、稳定性 好等特点。

◆ 知识点：

基于非线性偏振旋转的掺镱光纤锁模激光器实验图

超短脉冲、被动锁模技术、耗散孤子、激光振荡器、脉冲压缩、脉冲宽度测量、激光单脉冲能量、激光脉冲峰 值功率

◆ 涉及课程：

光纤光学、激光原理与技术

◆ 实验内容：

·熟悉 NPR 被动锁模光纤激光器构成，了解各部分光学元件功能及用途

·脉冲锁模调试，调试过程中通过示波器观察调 Q 锁模、CW 锁模、多脉冲锁模等现象

·输出脉冲脉宽及光谱测量

·腔外脉冲压缩

·测量锁模光纤激光器输出光功率随泵浦功率的变化，并计算相应的斜率效率

·根据测得的平均功率、重复频率计算脉冲峰值功率

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◆ 实验原理：

激光腔模式实现相位锁定（在某些点上实现相长干涉，其他位置相消干涉）

锁模是激光器中获得超短脉冲的一种常用技术。锁模脉冲各纵模之间间隔固定并且初始相位保持固定的相位差， 腔内纵模进行相干叠加，实现超短脉冲输出。锁模技术依照实施方式的不同通常可分为主动锁模、被动锁模以及主 被动混合锁模。其中主动锁模光纤激光器是通过外加周期信号对谐振腔内的参量进行控制，实现纵模之间相位固定 的一种锁模手段。其特点是在腔内加入调制器件，由外部注入光脉冲，从而实现对腔内光波的主动调制进而实现锁模。 与之相比，被动锁模技术是利用腔内被动锁模器件产生超短光脉冲。被动锁模光纤激光器可以产生飞秒量级脉冲， 峰值功率可以达到千瓦甚至兆瓦量级，并可以实现全光纤结构，提升了被动锁模光纤激光器在环境中的稳定性。另外， 被动锁模器件不需要像主动锁模器件那样需要外加调制信号，而是通过光纤内非线性效应或者可饱和吸收体自身的

吸收特性来实现锁模功能，成本也得到大幅度降低。被动锁模根据不同的锁模方式可分为非线性偏振旋转锁模（NPR）、 可饱和吸收体锁模、非线性光学环镜锁模等。用于被动锁模的可饱和吸收体主要有半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、 石墨烯、拓扑绝缘体、以及黑磷等。

不管是何种形式的锁模，其本质均为可饱和吸收体的透过率与光强相关。锁模过程的工作原理可以理解为：初 始激光噪声具有大致等于荧光带宽的光谱含量，同时具有随机相位关系的纵模之间的干涉，导致光强度起伏。脉冲 的总量很大，其中存在少量超过平均强度的峰值在放大过程中得到平滑和加宽。当腔内光强超过可饱和吸收光强时， 可饱和吸收体对光的吸收变为非线性。这个过程中脉冲中心部分强度高的部分漂白了可饱和吸收体，低损耗经过可 饱和吸收体，而脉冲边沿强度较小的部分受到可饱和吸收体较大的吸收而被有效抑制，这个过程使得脉冲时域变窄。 强度较大的脉冲在激光腔内获得大的净增益，而强度较低的边沿部分在腔内循环过程中基本完全被抑制，最终初始 噪声在激光谐振腔内演化为超短脉冲输出。

非线性偏振旋转工作原理

本教学实验中采用的锁模技术是非线性偏振旋转锁模，该被动锁模技术是利用光脉冲在腔内的偏振态变化来实 现可饱和吸收体作用。其基本工作原理为：脉冲首先经过起偏器，起偏器使脉冲光场变为线性偏振光，通过偏振控 制器后，线性偏振光变成椭圆偏振光，当脉冲在光纤中传输时，由于光纤中的自相位调制和交叉相位调制作用，使 得脉冲不同位置的偏振态发生变化，脉冲能量较大的部分受到的非线性作用大，发生偏振旋转的角度相对较大，而 能量小的部分对应的偏振态改变较小，这样当在脉冲经过检偏器时，适当旋转检偏器的角度，使检偏器角度恰好旋

转到对应脉冲能量高的方向，使得脉冲能量高的部分可以完全通过，而能量低的部分不能通过，这样就起到了可饱 和吸收体的作用。实验中通常采用两个四分之一波片、一个二分之一波片、偏振相关隔离器以及偏振分光器来构成 可饱和吸收体。

根据环形腔腔内色散不同，NPE 锁模可以分为：孤子类锁模、展宽脉冲类锁模、全正色散自相似类锁模等。不 同类型的激光器具有不同的特征，如：孤子类容易实现稳定锁模，但是单脉冲能量低；展宽脉冲类脉冲锁模光谱宽， 可支持较短的压缩后脉冲宽度，但是其需要对腔内色散进行一定的设计；全正色散耗散孤子类脉冲能量大，但是脉 冲较宽，需要额外的脉冲压缩装置实现窄脉宽激光输出。

被动锁模光纤激光器及脉冲压缩光路构成示意图

◆ 技术指标：

·半导体泵浦激光光源：中心波长 976nm，带 FBG 锁波长，最大输出功率不低于 8W，105um 多模光纤耦合输出；

·半导体激光控制电源：5.6 ＂全彩触屏，加载电流 0-9999mA 连续可调，TEC 温控范围 15-35 度连续可调，带限流保护 设置功能；

·被动锁模光纤激光器套件：输出重复频率 30-80MHz，脉冲宽度＜ 10ps，脉冲能量＞ 5nJ；

·腔外光栅对压缩后脉冲宽度＜ 200fs；

·自相关仪：脉宽测量范围 >50fs，适用激光波长范围 900-1200nm，适用激光重频范围 10kHz 及以上，最大入射光强度 1W（振 荡器），2uJ（放大器），入光口直径 2mm，入射光偏振方向竖直，连接方式 USB，软件安装及使用在 Windows 操作 系统下，电源供电 AC220V50Hz；

·光纤激光器实验外箱：外形大小 500×300×100mm，300×200×80mm，M6 点阵螺孔，孔间距 25mm，透明有机玻璃盖板；

·激光功率计：主机 5.6 ＂全彩触屏操作，配有大功率热电探头最大量程 20W，波长范围 200nm-25um，配有小功率高灵 敏光电探头最大量程 30mW，波长范围 400-1100nm；

·快速光电探测器：测量光谱范围 900-1700nm，带宽 100MHz，上升沿 10ns；

·小型数字光谱仪：SMA905 光纤接口，光谱测量范围 350-1100nm，波长分辨率 1.2nm；

·红外激光显示片：激发波段 800-1400nm，发射波长 585nm；

·激光防护镜：防护波长 1064&532nm；

·光纤端面清洁器：特殊超净纤维带芯，清洁次数＞ 500，可更换带芯；

·锁模光纤激光器输出带隔离器保护，防止返回光损伤；

·精密机械调整架：角度精度 ±4′，分辨率 0.005mm，调节机构保证同轴等高，横向偏差 1′，纵向偏差 1′；

·光学元件 : BK7 A 级精密退火材料，焦距 ±2%，直径 -0.2mm，中心偏差 3′，光圈 1-5；局部误差 0.2-0.5，面粗糙度 60/40（Scratch/Dig），MgF2 单层增透膜，有效孔径 90%；

◆ 系统主要构成：

半导体激光控制电源，被动锁模掺镱光纤激光器实验箱，自相关仪，激光功率计主机，热电激光功率探头，光 电激光功率探头，快速光电探测器，示波器，小型数字光谱仪，激光红外显示片，激光防护镜，配套支撑调整架