单晶光纤在超短脉冲激光器中放大功率

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在激光微加工应用中，短脉冲提供精确的高平均功率，能够实现更高的处理速度，而高能量则提高了加工吞吐量。短脉冲可以容易地实现，但是在能量或平均功率方面的提升更具挑战性。例如，光纤内的非线性效应限制了放大期间的峰值功率。
在短脉冲或超短脉冲（USP）激光器中实现更高功率的公认解决方案，是通过主振荡器功率放大器（MOPA）架构，使用各种技术和材料来影响放大。下一代USP激光器依赖于新颖的基于光纤的架构，以克服传统块体和光纤放大器的不足。
放大比较
由于在增益介质内部产生强烈畸变的热透镜效应，块体晶体放大器受到光束退化的影响。由于这个基本限制，高功率放大器的几何形状已经发展演进，以改善这些材料内部的热管理。
由于增益介质的厚度较薄（约100μm），薄碟片单程的增益有限。因此，只能通过多程或再生技术实现有效放大。

多程放大器使用精细的光路使光多次穿过激光晶体，而再生放大器则使用昂贵的电光调制器作为复杂光束切换过程的一部分。尽管存在缺点，但是薄片放大器可以产生非常高的千瓦级输出功率，并且是最终放大级的理想选择。
虽然由于其高增益，可以在板条放大器中实现高达千瓦级的极高平均功率，但所使用的之字形光路会引入椭圆度并降低光束质量。
除了用于产生短脉冲的块体替代方案之外，基于光纤的放大器通常使用大模场面积光纤（LMA）或大模场面积光子晶体光纤（PCFLMA），而棒状PCF可实现更高的峰值功率。
市售光纤的最大芯径为85μm，传播模式为650μm，即使掺杂水平较高，长度也约为1m。超大纤芯和极低数值孔径的光纤设计，输出衍射极限光束，但会导致系统体积较大，灵活性降低。
引导泵浦和引导激光模式之间的重叠，产生良好的光学效率。可以实现平均功率高达200W、光束质量良好的输出；尽管在更高功率下，热光效应可以显著影响波导机制。这些扰动导致LMA光纤在高功率下还支持高阶模式，这使得光束质量劣化，并最终使输出光束在毫秒级上波动（横模不稳定性）。在工业激光系统中，棒状光纤的峰值功率通常限制在1MW左右，以避免非线性效应。
在飞秒光纤激光器中，啁啾脉冲放大（CPA）减缓了这一局限性，并能实现基于400μm纤芯柔性PCF光纤的高功率系统。然而，峰值功率限制迫使采用相应的压缩器实现大的展宽比，这又增加了成本和系统尺寸。
单晶光纤
单晶光纤（SCF）通常为单晶钇铝石榴石（YAG），长度大，直径小，导光性能好。
激光加热基座生长（LHPG）技术可以生产小直径光纤（约1000μm），并且通过不断改进，目标是实现与用于高平均功率激光系统的经典光纤类似的纤芯/包层结构。然而，这种结构的制造是尚未实现的艰难挑战，特别是在需要维持线偏振的情况下。尽管与传统光纤相比，相互作用长度减小，但是在任何情况下，所得到的结构在高峰值功率脉冲方面仍然受到与石英光纤相同的限制，并且由于YAG材料更高的非线性性质，这些问题将进一步恶化。显然，这并不是超快高功率放大器的解决方案。
采用微下拉技术，已经生产了直径为1~2mm的较大SCF，能够维持兆瓦峰值功率，使其成为高能量短脉冲放大的理想选择。
SCF放大器
用于放大的优选配置使用直径1mm、长度约30~50mm的掺钕或掺镱的YAGSCF。Yb：YAG介质是USP激光系统的首选，因为它具有更大的吸收和发射带宽、更高的上激光能级寿命和每单位泵浦功率较低的热负荷。
商业SCF放大器，如Taranis激光增益模块，使用一种特定的泵浦方案：泵浦光束聚焦在晶体内部（而不是其表面上）直径为400μm的点处，并且深度足以使放大器输出最大化。然后通过全内反射引导高度发散的光束，并在增益介质中重新聚焦（见图1）。
根据泵浦的亮度，泵浦的初始聚焦点沿光纤长度成像数次。为了获得优异的光束质量，泵浦光束在增益介质中传播时与激光束保持共线，从而避免了出现在板条或薄碟片中的离轴像差，如像散。
与块体晶体相比，掺杂水平通常低一个数量级，而长度通常大一个数量级。没有泵浦导，由于泵浦的高度发散，这些差异是无效的。然而，通过泵浦导引，这种大长度/低掺杂程度比，使得沿着晶体光纤整个长度的泵浦吸收增加，从而降低了增益介质中的热应力。

MOPA配置中的单晶光纤，已经在现场证明了它们的效率和灵活性。实际上，Fibercryst公司生产的Yb：YAGSCF增益模块在940nm下被泵浦到600W，没有损坏，远远高于通常块体晶体的典型泵浦水平。
冷却在数百瓦的泵浦功率下的1mm直径YAG棒并不容易，但Tarranis模块完成了这一壮举，该技术专利是由Fibercryst公司和CNRSLaboratoireCharlesFabry（LCF）公司的专利实现的，将晶体光纤直接集成入金属底座。冷却效率非常高，热交换系数为5W/cm2/K，比典型的铟压方案高5倍（见图2）。
泵浦晶体光纤中的热梯度是径向对称的，即使在高功率下也能保证优异的光束质量。已经展示了140W的高平均功率，这还没有达到SCF技术的极限。
高平均功率和高能量
在棒状放大器中，激光模式的典型表面为3000μm2。包括自相位调制（SPM）或拉曼干涉在内的非线性效应，会在高峰值强度在长相互作用长度下的如此小的表面传播时，迅速出现。
然而，在典型的SCF放大器中，由激光模式覆盖的表面大50倍，因此可实现高得多的峰值功率。高增益、小长度和大光束直径的组合已经展示了大约30dB的小信号增益，以及高达50MW的峰值功率。

作为改进的“块体晶体”放大器，SCF技术保持了通常块体放大器的所有优点，特别是它们在许多不同的重复频率、脉冲持续时间和种子功率下独立运行的能力。可以使用相同的SCF放大器，无需调整，放大从几千赫兹至≥20MHz的脉冲种子激光，或从几十纳秒到几百飞秒的种子激光。已经成功地展示了从几百毫瓦的种子功率放大到几十瓦（见图3）。
典型的工业单程Yb：YAGSCF放大级，只有六个光学元件组。这与碟片或板条技术相比是有利的。SCF放大器已经与各种种子激光器一起使用，以显示设置的灵活性和简单性。例如，我们报告一种基于SCF和分离脉冲放大（DPA）设置联用的架构，专用于高能量，能以12.5kHz的重复频率提供能量为2mJ的6ps脉冲。
对于高平均功率应用，已经获得了具有20MHz重复频率和750fs脉冲宽度的无CPA的100W系统。在两种配置中，输出光束质量优异，M2值小于1.2。（文/DanielGuillot，JulienDidierjean，PatrickBeaureD'augeres;Fibercryst公司）