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文章编号：1005-5630(2020)06-0066-07DOI : 10.3969/j.issn.1005-5630.2020.06.011掺铒单模光纤飞秒脉冲激光器和放大器曹 顺1，郝 强1，曾和平2（1．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2．华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062）摘要：为了获得一种被动锁模掺铒光纤振荡器及功率放大器，数值模拟出超短脉冲在光纤中的传输和演化过程，并基于此搭建了一种被动锁模掺铒光纤飞秒振荡器及功率放大器。
实验获得了中心波长1 560 nm 、重复频率100 MHz 、输出功率30 mW 、脉冲宽度85 fs 超短脉冲。
通过采用PPLN 晶体进行倍频，进一步获得了输出功率5 mW ，中心波长780 nm 的飞秒脉冲。
该光纤激光器为全保偏光纤结构，具有体积小巧、可靠性高、稳定性好的特点。
关键词：掺铒光纤激光器；锁模激光器；超短脉冲；倍频中图分类号：TN 248 文献标志码：AErbium-doped single-mode fiber femtosecondpulse laser and amplifierCAO Shun 1，HAO Qiang 1，ZENG Heping2（1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University ofShanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China ）Abstract: Based on the numerical simulation of the transmission and evolution of ultrashort pulses in the fiber, a passively mode-locked erbium-doped femtosecond fiber laser was developed.Ultrashort pulses with 1 560 nm central wavelength of, 100 MHz repetition rate, 30 mW output power, and 80 fs pulse width was obtained. By using a PPLN crystal, the femtosecond pulse is frequency-doubled to 780 nm with 5 mW average power. The fiber laser system with all polarization-maintaining fibers could be compact in a small box facilitating high reliability and stability.Keywords: erbium-doped fiber laser ；mode-locked laser ；ultrashort pulse ；frequency doubling收稿日期 ：2020-04-17基金项目 ：国家重点研发计划（2018YFB0407100）作者简介 ：曹 顺(1995—)，男，硕士研究生，研究方向为超快激光技术方面的研究。
第31卷第2期强激光与粒子束V o l.31,N o.2 2019年2月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S F e b.,2019高功率半导体激光器倍频实现紫外光输出*胡列懋,李志永,刘松阳,宁方晋,谭荣清(1.中国科学院电子学研究所高功率气体激光技术部,北京100190;2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院,北京100049)摘要:采用中心波长780n m㊁线宽0.13n m的体布拉格光栅外腔半导体激光作为基频光,基于Ⅰ类相位匹配的三硼酸锂晶体(L B O),获得了中心波长为390n m的倍频光输出,输出功率30μW,转换效率0.01%,为高功率紫外光束的实现提供了新的技术路线㊂关键词:半导体激光器;倍频;紫外光;高功率中图分类号: T N248.2文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201931.190025S e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o no f u l t r a v i o l e t l a s e r b a s e do nh i g h p o w e r l a s e r d i o d e a r r a yH uL i e m a o, L i Z h i y o n g, L i uS o n g y a n g, N i n g F a n g j i n, T a nR o n g q i n g(1.D e p a r t m e n t o f H i g hP o w e rG a sL a s e r,I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c s,C h i n e s eA c a d e m y o fS c i e n c e s,B e i j i n g100190,C h i n a;2.S c h o o l o f E l e c t r o n i c,E l e c t r o n i c a l a n dC o mm u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t y o fC h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s,B e i j i n g100049,C h i n a)A b s t r a c t: A780n mc o n t i n u o u s-w a v e,w h i c h i so u t p u tb y e x t r a-c a v i t y s e m i c o n d u c t o r l a s e rw i t hab u l kb r a g gg r a t i n g,i su s e da s t h e f u n d a m e n t a l i n p u t l i g h t s o u rc eo f t h eS e c o nd H a r m o n i cGe n e r a t i o n(S H G)s y s-t e m.L i n ew i d t ho f t h e f u n d a m e n t a l l i g h t i s0.13n m.B a s e do n t h e t y p e I p h a s e-m a t c h i n g a n dL i t h i u m T r i b o-r a t e(L B O)c r y s t a l,390n ms e c o n dh a r m o n i c i so b t a i n e d.T h e e m i t t e da v e r a g eo u t p u t p o w e r i s30μW(S H Ge f f i c i e n c y i s0.01%).W e p r o v i d e an e wt e c h n i c a l r o u t e f o r t h e a c h i e v e m e n t o f h i g h-p o w e rU Vb e a m s.K e y w o r d s:l a s e r d i o d e;s e c o n dh a r m o n i c g e n e r a t i o n;u l t r a v i o l e t l i g h t l a s e r;h i g h p o w e rP A C S:42.55.-f;42.55.P x由于紫外波段激光具有波长短㊁分辨率高等特点,因此在材料加工与处理㊁生物学和医学㊁光数据存储等领域都有较广泛的应用㊂目前,该波段激光通常基于三倍频的技术实现[1]㊂2005年,V e s a r a c h等[2]通过半导体激光器(L D)输出波长为660n m的基频光,偏硼酸钡晶体(B B O)作为非线性晶体,利用三倍频技术输出功率为2.9μW的紫外光㊂近年来,随着外腔技术和外延片刻蚀光栅技术的发展,半导体激光器在窄线宽㊁波长精密调控等方面取得了较大发展,目前已能够实现k W级平均功率10G H z量级线宽的高功率窄线宽L D[3]㊂通过选择合适的倍频晶体,使基频光的聚焦参量和线宽与晶体的接收角和接收线宽相匹配,这一技术路线在获得高功率紫外光方面具有较好的应用前景㊂本文采用高功率窄线宽L D作为基频光实现L B O倍频光输出,实验装置如图1所示㊂L D采用的是基于c m巴条的体布拉格光栅(V B G)外腔L D,填充因子50%,19个发光单元,中心波长780.02n m,线宽0.13n m,可通过调节V B G的温度调节波长,中心波长随V B G的调谐速率为7p m/ħ,调谐范围799.30~780.02n m,输出功率30W㊂半波片用于调节L D的偏振方向㊂为了减少倍频晶体由于热累计引起的走离效应,放置了光阑,滤除未用于倍频的基频光㊂光阑的通光孔径3.5mm,通过光阑后,基频光光斑形状如图2所示㊂为提高基频光的功率密度,使用焦距75mm的透镜进行聚焦㊂倍频晶体为L B O,选用Ⅰ类相位匹配(o+ oңe),切割角(θ,φ)为(90.0ʎ,33.7ʎ),尺寸3mmˑ3mmˑ8.4mm,两端镀双波长增透膜(透射率>99.5%@*收稿日期:2019-01-25;修订日期:2019-02-24基金项目:国家自然科学基金项目(61875198);军委装备发展部领域基金项目(61404140107)作者简介:胡列懋(1995 ),男,硕士,从事非线性光学研究;h u l i e m a o17@m a i l s.u c a s.a c.c n㊂通信作者:谭荣清(1966 ),男,研究员,博士生导师,从事气体激光器技术及其应用等方面的研究;r q t a n@m a i l.i e.a c.c n㊂020101-1020101-2 F i g .1 E x p e r i m e n t a l s e t u p of S H G 图1 倍频装置示意图390n m ;透射率>99.8%@780n m )㊂基频光和倍频光经过滤光片后分离,使用光谱仪或硅基光电探测器测量倍频光的参数㊂倍频光的光谱图如图3所示,中心波长为390n m ㊂在距离滤光片0.2m 处放置承接屏,倍频光的光斑如图4(a )所示,在相同位置使用C C D 相机测得的倍频光光斑的图样如图4(b )所示,大小为4.8mmˑ0.6mm ㊂在基频光功率0.336W 时,获得了30μW 的倍频光输出㊂F i g .2 F u n d a m e n t a lw a v e 图2基频光光束F i g .3 S p e c t r u mo f S H G 图3倍频光光谱图F i g .4 S p o t o f S H Ga n d 2De n e r g y d i s t r i b u t i o n i m a g e o f S H Gs po t 图4 倍频光光斑和倍频光2维空间能量分布图目前已经实现了窄带宽L D 作为基频光,利用L B O 晶体倍频技术,直接输出390n m 的倍频光,但是转化效率低,约为0.01%㊂后续工作将从聚焦参量和晶体接收角的匹配㊁减弱走离效应等方面进行优化,进一步提高紫外光的各项技术指标㊂参考文献:[1] 崔建丰,高涛,张亚男,等.高效率㊁高峰值功率351n m 准连续紫外激光器[J ].红外与激光工程,2017,46(6):35-38.(C u i J i a n f e n g,G a o T a o ,Z h a n g Y a n a n ,e t a l .H i g he f f i c i e n c y a n dh i g h p e a k p o w e r 351n m q u a s i -c o n t i n u o u s u l t r a v i o l e t l a s e r .I n f r a r e da n dL a s e rE n g i n e e r i n g ,2017,46(6):35-38)[2] V e s a r a c hP ,N o n a k aK ,O h a r aK.T u n a b l eU V g e n e r a t i o n f r o me x t e n d e d c a v i t y D V D l a s e r d i o d e a n d n o n l i n e a r o p t i c a l c r y s t a l [C ]//2005P a -c i f i cR i m C o n f e r e n c e o nL a s e r s&A m p ;E l e c t r o -O p t i c s .2005:877-878.[3] P i t zG A ,S t a l n a k eD M ,G u i l dE M ,e t a l .A d v a n c e m e n t s i n f l o w i n g d i o d e p u m p e d a l k a l i l a s e r s [C ]//H i g hE n e r g y /A v e r a g eP o w e rL a s e r s &I n t e n s eB e a m A p p l i c a t i o n s I X.2016.强激光与粒子束。
第53卷第4期2024年4月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.4April,2024简㊀㊀讯半导体晶圆检测关键连续波深紫外激光光源研制徐国锋,王正平,王树贤,武㊀奎,梁㊀飞,路大治,张怀金,于浩海(山东大学晶体材料研究院,晶体材料国家重点实验室,济南㊀250100)深紫外激光是半导体领域的关键光源㊂基于非线性频率变换的全固态深紫外激光具有结构紧凑㊁价格低廉等优势,有广泛需求㊂受限于晶体非线性系数较线性介电常数小数个数量级,深紫外激光通常以具有高峰值(千瓦级)的脉冲形式获得,连续波深紫外激光效率较低,其实用化极其困难㊂高峰值的紫外激光通常会对半导体表面及内部产生损伤,限制了半导体晶圆缺陷等装备的应用和发展㊂当前,晶圆检测用关键瓦级连续波深紫外激光器制备技术被国外极少数几家企业高度垄断,我国相关研究和产业化技术急需发展㊂在我国多个项目的持续支持下,基于前期研究,山东大学晶体材料国家重点实验室于浩海教授㊁张怀金教授相关团队提出了瓦级连续波深紫外激光器设计方案,并解决了稳定性㊁高效输出及紫外损伤的系列工程化难题,研制出国内首台瓦级连续波深紫外激光器整机(见图1),激光波长为261nm,功率波动RMS <1%,达到实用化要求,稳定性等关键指标达到国际文献报道最优水平㊂与国外高度垄断的266nm 激光器相比,该激光器具有结构更紧凑㊁波长更短㊁效率更高㊁分辨率更高等优势,填补了国内市场空白,为我国晶圆检测装备的全国产化自主研发奠定了关键光源基础㊂同时,针对SiC㊁GaN 等宽禁带半导体的检测需求,也研制出了瓦级320nm 连续波深紫外激光器整机(见图2),可服务于我国第三代半导体产业的高速发展㊂目前,上述成果的核心技术已转让到有维光电有限公司,着力开展批量化生产㊂图1㊀瓦级261nm 连续波深紫外激光器㊂(a)整机照片;(b)激光光谱及功率稳定性(RMS =0.66%)图2㊀瓦级320nm 连续波深紫外激光器㊂(a)整机照片;(b)激光光谱及功率稳定性(RMS =0.81%)。
超连续光谱光源超连续谱光源在众多科学领域具有广泛而重要的应用，近年来一直是国际研究热点。
此调研回顾了利用连续光激光器和脉冲光激光器抽运光子晶体光纤产生超连续谱广元的形成机制以及近几年来两种机制下高功率超连续谱光源所取得的进展，分析了在提高超连续谱光源输出平均功率过程中所需要克服的难题。
报道了国防科学技术大学通过优化超连续谱光源的整体结构，攻克了低损熔接、光纤端面抗损伤、热处理以及非线性效应的有效控制等关键技术，成功研制出一种全光纤结构、输出平均功率为177.6w的超连续谱光源，光谱范围覆盖1064-2000nm，10db光谱带宽约740nm，光-光转换效率高达56%，功率水平为国际领先。
背景窄带入射脉冲在介质中由于极度的非线性光谱展宽效应而产生的宽带连续谱被称为超连续谱(super continuum)，如图1.1所示。
超连续谱的产生由Alfano和shapiro[1,2]在块状玻璃中发现并首次报道，他们发现当波长为530nm、脉冲能量为5mJ的皮秒脉冲在块状BK7玻璃中传播后，可以获得波长从400到700nm的覆盖整个可见光范围的白光光谱。
之后超连续谱被广泛地研究，包括固体、有机和无机液体、气体以及各种类波导中产生超连续谱。
图1.1 超连续谱光源90年代后期光子晶体光纤形式的新型光波导的产生吸引了科学界广泛的兴趣，引发了一场通过超连续谱的产生来获得超宽带高亮度光谱的革命[3-5]。
1992年彻Russell等人首次提出PCF(Photonic Crystal Fiber ,PCF)的概念，1996年J.C.Knight等人成功拉制出世界上第一根PCF[6],之后对PCF的特性的研究迅速展开。
图1.2是PCF的横截面示意图，灰色区域是二氧化硅，白色区域是空气孔(air holes)，黑色区域是聚合体涂覆层(polymer coating)，d是空气孔的直径，Λ是空气孔的间距。
由图可看出PCF的包层由周期性排列的微米量级空气孔所组成。
780nm倍频激光器的研究李贝贝;张翠平;王晓佳【摘要】为了获得结构简单、成本相对低廉的高功率780nm激光,采用了单块倍频晶体的腔外倍频方法.分布式反馈半导体激光器产生的连续激光注入光纤放大器后,通过周期极化铌酸锂晶体进行准相位匹配,取得了铷原子的饱和吸收光谱.结果表明,该激光器产生了1.2W的倍频光,具有较高的输出功率.这一结果对铷原子钟、原子干涉仪等冷原子物理实验的小型化是有帮助的.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2019(043)005【总页数】4页(P646-649)【关键词】激光光学;倍频;准相位匹配;周期极化铌酸锂晶体;铷原子【作者】李贝贝;张翠平;王晓佳【作者单位】太原理工大学机械工程学院车辆工程系,太原 030024;太原理工大学机械工程学院车辆工程系,太原 030024;太原理工大学机械工程学院车辆工程系,太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TN242引言780nm激光广泛应用于原子物理学[1]和光谱学[2]、大气传感[3]和光通信[4]。
可以通过两种方法得到窄线宽、高功率的780nm激光。
一种是780nm外腔半导体激光器直接通过半导体锥形放大器放大功率来产生实验需要的780nm激光；另一种是将通讯波段1560nm激光作为基频光，通过光纤放大器放大功率后，进入周期极化非线性倍频晶体，在准相位匹配的情况下获得高功率的倍频光[5-8]。
后者的实验装置结构简单、价格相对低廉，在国内外已经有很多的研究。
早在1968年，BOYD等人详细分析了倍频效率的影响参量，并计算出倍频过程的聚焦参量值[9]。
之后的几十年，涌现了大量围绕提高倍频效率和光功率的实验，FENG等人采用外腔谐振倍频的方法，波长为1560nm的基频光多次穿过周期极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate,PPLN)晶体，从而将倍频效率提高至58%[10]。
SANE等人采用提高基频光功率的办法，窄线宽光纤激光器产生的1560nm连续光通过光纤放大器至30W后，经过PPLN倍频晶体进行准相位匹配后得到11.4W的780nm激光、倍频效率为36%[11]。
利用铷吸收线的法拉第效应实现半导体激光器的稳频Shinichi ItO*a, Toshiya iffl?fla Akihiko Sawamuraa, Takashi SatobMasashi Ohkawa, Takeo Maruyama'ado Sato 实验室, 科技研究院，Niigata大学工程学院教师，Niigata大学8050 Ikarashi 2-no-cho, Niigata 市, 950-2 1 8 1 , 日本摘要：我们通常把精确的电流反馈到激光器的电流输入端，以实现半导体激光器的稳频。
采用这种方法通常需要在激光器的电流输入端上加上一个小的调制电流，以便获得误差信号。
这在一定程度上加大了激光器的输出线宽，也许某些时候是有利的，比如激光通信，但是大多时候我们需要的是较窄的线宽。
为了获得误差信号，稳定激光器的频率使其具有较窄线宽，我们应用铷吸收线的法拉第效应。
下面的任务就是如何实现稳频，1. 简介半导体激光器在通信与测量中得到了广泛的应用，这在一定程度上是由于改变激光器的输入电流和工作温度，可以方便、精确地调节激光器的输出频率。
在目前最先进的应用中，这些方面的灵活都是很有用的，下一代相干光通信系统，对激光的线宽要求更窄，我们使用Rb-D2吸收线作为外部参考频率，可以把半导体激光器的频率稳定在780nm (384THz)。
这样，半导体激光器的频率和参考频率的差异就作为误差信号，并把误差信号反馈到激光器的输出入端。
误差信号是通过对Rb-D2吸收线作鉴相而得。
我们就可以大地改善激光器的频率稳定，通过给电流输入端加上调制。
因为从这里，我们得到误差信号。
然而，这种方法有着某些缺点，在应用过程中增加了频率的不稳定性，加大了激光器的输出线宽。
为了避免这种情况，我们采用基于法拉第效应的碰场调制方法，通过调制外部参考频率，代替对激光器振荡频率的直接调制，从而避免了对激光器线宽的加宽。
从而，实现激光器输出可控和稳定的频率。
