超快光纤激光技能之四十二 根据多模光纤的再生扩大器

  面世以来，的使用遍及各行各业。其间，超短超强脉冲在工业加工、量子资料和强场物理等范畴发挥着共同的效果。在各类中，激光扩大级一般用于完成高能量输出。为客服固体单通扩大增益低（一般小于1 dB）的缺乏，再生扩大（或多通扩大）技能随之鼓起。

  再生扩大技能利用光开光将脉冲“困”在腔内，脉冲屡次通过增益介质后再被从腔内“开释”，输出能量能够超越毫焦量级。别的，与固体扩大器并行开展的光纤扩大器因优异的散热功能，输出远超固体激光器。较长的增益介质答应其具有较高的单通增益（约20 dB）。可是，长相互效果间隔堆集很多的非线性相位，约束了小芯径光纤扩大器的输出脉冲能量（一般10 J）。

  为了提高输出脉冲的能量，被大范围的使用在光纤扩大器中，其较大的芯径可下降非线性相位堆集，可是多模传输导致输出光束质量和脉冲质量较差；此外，多模光纤较大的增益区域使得扩大自发辐射（ASE）显着高于单模光纤扩大器，约束了其在小信号扩大中的使用。最近，来自Cornell大学的Frank Wise课题组建立了根据多模光纤的再生扩大器，在有用按捺ASE的一起，通过调理再生腔内不同形式的反应，基模信号通过屡次循环之后慢慢地加强，高阶形式不断削弱，终究输出挨近改换极限和的高质量脉冲光束。

  试验设备如图1所示，种子脉冲能量为0.1 nJ，中心波长为1035 nm。体布拉格光栅展宽脉冲后进入由PBS、1/2波片和法拉第旋光器组成的环形器。再生腔坐落环形器的反射端，由EOM、两头腔镜、多模增益光纤以及一系列光纤耦合器材组成，其间EOM作为光开光操控脉冲收支再生腔。当EOM仅作为透射元件作业时，再生腔与环形器联通，脉冲被答应收支再生腔；当EOM作为1/4波片作业时，再生腔与环形器阻隔，腔内脉冲被“困”住，腔外脉冲被阻挠。多模增益光纤（Nufern XLMA-YTF-100/400/480）芯径为100 m，答应超越200个横模输出，长度为35 cm，端面切角1，并放置于V型槽内下降耦合损耗。再生腔输出的脉冲从环形器另一端输出，进入同一个别布拉格光栅紧缩脉宽，并终究通过光栅对补偿额定的色散，输出高能量超短脉冲。

  为了在多模光纤再生扩大器中完成高光束质量输出，作者模拟了再生腔内光束的单模成分占比随脉冲在腔内往复次数的改变曲线。当疏忽腔内光束传输的像差时，单模占比保持在10%不变。当引进15 m离焦或5 m高斯含糊，或两者一起引进时，单模反应将高于多模反应，光束屡次通过增益光纤后，单模占比显着地添加。试验中观察到了相似的现象。在腔内引进必定的像差，脉冲通过6次往复后，光斑质量明显优于只通过一次往复的成果。通过15次往复之后，光斑形式挨近于单模，由中心较强的单模和周围弱小的低阶形式布景组成。

  通过对EOM施加周期性高电压信号，再生腔输出脉冲序列重频为10 kHz，脉冲通过12通（6个来回）扩大之后能量从100 pJ提高至55 J，增益57 dB。输出脉冲光谱、光斑形式以及FROG复原脉冲形状如图4所示，光谱中心波长为1040 nm。光M21.3因子小于1.3，保持着较高的单模能量占比。选用FROG丈量脉冲宽度为304 fs，挨近光谱对应的改换极限脉宽。

  总归，作者建立的根据多模光纤的再生扩大器，结合多模光纤较强的功率扩大才能及再生腔对扩大自发辐射天然的按捺才能，能轻松完成能量从100 pJ到55 J、光束质量M21.3、宽度为300 fs的近改换极限脉冲扩大成果，为高增益、高能量、高功率以及高光束质量超短脉冲扩大供给了新思路。