在飛秒脈沖激光技術(shù)中，如何獲得更短的脈寬是一個(gè)在業(yè)內(nèi)持續(xù)熱門(mén)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(shí)域脈寬與光譜寬度密切相關(guān)，而受增益介質(zhì)能級(jí)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(guò)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(huì)引起激發(fā)放大過(guò)程的光譜增益窄化效應(yīng)；脈沖在放大過(guò)程的增益飽和效應(yīng)會(huì)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(duì)信號(hào)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(guò)特殊鍍膜的濾光片對(duì)不同光譜成分產(chǎn)生不同透過(guò)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)寬光譜整形的有效工具，且可以通過(guò)引入局部損耗或調(diào)制來(lái)實(shí)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(shí)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(tái)上通過(guò)對(duì)光柵刻寫(xiě)工藝的調(diào)整，實(shí)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(duì)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(hào)脈沖光譜預(yù)整形，一定程度克服后續(xù)放大過(guò)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(shí)現(xiàn)有效的全光譜范圍時(shí)域展寬。啁啾脈沖在功率放大過(guò)程中亦無(wú)法避免光譜增益窄化現(xiàn)象，為了適度緩解這種效應(yīng)對(duì)最終放大脈沖光譜寬度的制約，一個(gè)簡(jiǎn)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(tái)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(guò)調(diào)整局部曝光參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)位置反射柵區(qū)的調(diào)制，這種調(diào)制引起該波長(zhǎng)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(zhǎng)1030nm附近的種子源輸出脈沖會(huì)在其中心波長(zhǎng)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(jì)團(tuán)隊(duì)在啁啾光纖光柵制作工藝中設(shè)計(jì)其反射率曲線中部呈凹陷狀，最大調(diào)制深度超過(guò)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(huì)發(fā)揮增益分布重組的功效，且損耗會(huì)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(jiàn)設(shè)計(jì)反射率曲線及實(shí)際測(cè)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(cè)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(jì)。

圖1. saddle-shaped CFBG型光纖光柵反射譜

（黑線：理論設(shè)計(jì)曲線；紅線：實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線）

圖2. saddle-shaped CFBG型光纖光柵色散曲線

為了驗(yàn)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(jí)光纖放大器和一級(jí)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(guò)程中并無(wú)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(duì)比，同時(shí)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(jiàn)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(shí)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(duì)應(yīng)的脈沖壓縮結(jié)果，可見(jiàn)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(shí)現(xiàn)了saddle-shaped CFBG輔助實(shí)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(jí)飛秒激光器及其核心器件研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。總部坐落于浙江省杭州市，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(duì)由中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核心隊(duì)伍及海歸超快激光器工程化專家共同組成，其中包括國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃專家、國(guó)際知名超快激光器企業(yè)首席設(shè)計(jì)師等，是目前國(guó)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(lái)，公司已申請(qǐng)150余項(xiàng)專利，已擁有核心技術(shù)包括NALM全光纖長(zhǎng)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(jì)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(jí)、毫焦級(jí)、超短脈寬等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，年量產(chǎn)出貨超過(guò)500臺(tái)，打破了該領(lǐng)域被國(guó)外產(chǎn)品長(zhǎng)期壟斷的局面。

文章來(lái)源：奧創(chuàng)光子

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