高质量与高功率飞秒激光脉冲,时间短,和低噪声在前沿科学和空间技术有着重要的应用,如光学频率梳,相干脉冲合成、高阶谐波发生,飞船网络,和编队飞行 1- - - - - - 3]。(Yb)掺镱光纤自相似放大器特性等方面产生显著的优势(高质量的飞秒激光脉冲 4- - - - - - 8]。然而,当前的飞秒光纤放大器性能正遭受有限增益带宽放大器在高收益( 9),泵的噪声放大激光二极管(LD)波动( 10),受激拉曼散射(SRS),放大自发辐射(ASE)干扰。许多进步了在非线性飞秒放大尤其是抛物线自相似演化,高功率和时间短。然而,仍然有缺乏努力减少过量的噪音中产生高增益非线性飞秒光纤放大器。

在本文中,一种新颖的自相似放大方法通过优化泵浦波长高质量提出了飞秒激光脉冲的一代。自相似脉冲进化是有效地加速在高增益短光纤放大器与降低噪声强度。通过系统的实验和数值模拟泵下波长976 nm和915 nm,抛物线自相似放大动态和噪声抑制机制探索。种子的影响结果表明,电源噪声和泵波长波动的摩门教的脉冲放大和噪声强度性能可以有效地抑制由于更广泛和奉承吸收横截面约915海里。在同一放大增益为20 dB,优化泵浦波长915 nm会导致压缩脉冲质量增加约20%,均方根(RMS)相对强度噪声(RIN)减少约31%的综合从1.5千赫至5 MHz,即使该泵LD RIN超过4倍。使用这种方法,变压器限制(TL)脉冲∼50 fs压缩后,生成的RMS RIN放大器∼0.03%。我们都知道,泵波长进行了优化,提高自相似脉冲的公差放大输入信号功率和泵首次波动。目前的研究提供了一个简单的方法来生成高质量与低噪声pedestal-free飞秒脉冲,从而表明潜在的相关前沿科学应用光学相干和高信噪比高。特别是,这个方案可以降低低噪声的要求自相似飞秒光纤放大器种子功率振荡器的稳定性和热控制的稳定泵有限的结果,它会导致不同的卫星在太空中飞秒激光系统的高精度应用。

实验光纤放大系统的原理图如图 1。它主要由1040纳米超短脉冲种子来源,一个双层(DC) large-mode-area (LMA)光纤放大器,和grating-pair压缩机。种子来源是由自制stretched-pulse锁模Yb光纤激光器,一双衍射光栅衍射光栅和600线/毫米,和一段单模光纤(SMF)。锁模激光振荡器的输出重复率是74 MHz,平均功率是80千瓦。光栅对在双向工作方式广泛调整脉冲的啁啾和持续时间发出的振荡器。受益于这一点,相位调制(SPM)效应之间的交互和群速度色散(它)在SMF优化形状脉冲放大器之前暂时和幽灵似地。在这个阶段,negative-chirped脉冲的光谱可以缩小与SPM和平滑的互动,和时间期限也可以通过积极的它被压缩( 11, 12]。end-pumped 2 m的放大器是由直流Yb纤维20 μm核心。信号的放大器是拼接的SMF辫子非线性脉冲preshaper融合损失(1%)。放大器的泵端拼接组合器。摩门教是20 w的最大输出功率为976 nm和915 nm。压缩机是由利特罗双向600线/毫米光栅对确保∼75%传播。

高分辨率光谱仪被用来监测和记录脉冲光谱从每个阶段。与自相关器(AC),脉冲的时域特性测量和分析。典型的自相似放大脉冲测量的特点是高对比度小台阶压缩AC跟踪产生一对标准光栅( 13, 14]。光学的RIN指噪声强度归一化平均价值,它可以统计特征与功率谱密度(PSD)。本文测量RIN的特点是使用标准方法( 15]。RIN的均方根值计算的定量比较。高速光电探测器和10 MHz低通滤波器是用来检测激光放大信号。为了确保采样精度,低频(< 100 kHz) RIN通过快速傅里叶变换测量光谱分析仪,和高频(> 100 kHz)光谱测量射频频谱分析仪。

首先,使用976 nm LD泵源的实验。的泵浦功率调整放大增益为大约20 dB。相应的放大脉冲频谱和压缩AC跟踪蓝色固体曲线在图所示 2(一个)和 2 (b)。在那之后,使用915 nm LD泵源。实验在相同的初始条件下进行,除了泵功率,确保相同的20分贝增益增加。测量放大脉冲光谱和压缩AC痕迹绿色固体曲线在图所示 2(一个)和 2 (b)。比较的结果表明,合适的泵的波长915 nm确保平滑放大谱和一个较小的脉冲压缩后基地,这表明一个更充分的自相似放大。在此基础上,我们将检索压缩脉冲在976 nm和915 nm波长泵只从相关性和光谱相位和强度(PICASO)算法( 16在数据 2 (c)和 2 (d),分别。和相应的TL资料计算了光谱测量假设一个平坦的阶段。脉冲之间的抵消了PICASO TL概要文件是反映线性啁啾。显然,应用压缩脉冲宽度为915海里略宽的情况下(∼52 fs),但偏离TL质量要小得多。

量化TL质量的偏差,因此对自相似放大的演变,Strehl比率定义为之间的相对峰值功率压缩脉冲采用TL脉冲和计算 年代 R = 1 / ∫ − ∞ ∞ 一个 P C t 2 d t / 1 / ∫ − ∞ ∞ 一个 F T t 2 d t 。 一个 P C t 的规范化颞信封PICASO-retrieved压缩脉冲。 一个 F T t 就是从零相位的傅里叶变换获得TL脉冲光谱测量。Strehl率达到最大值1最好的TL质量,符合理想的抛物线放大的特点。数据显示 2 (c)和 2 (d),计算Strehl比率是0.87和0.93的976 nm和915 nm波长泵,分别。最佳波长915纳米泵的合并导致Strehl比率的增加,因此,脉冲质量的20%。我们这些结果主要归因于不同的吸收周围的Yb纤维水平这两个泵的波长。获得相同的放大增益,要求输入泵浦功率为915海里远高于976海里,由于吸收横截面小的多。因此,沿着放大器增益分布是不同的。沿着前获得更高水平的一部分放大器backward-pumped在915海里可以导致更高的脉冲峰值功率,从而更快的收敛的自相似政权。

然后,我们研究飞秒光纤放大器的噪声性能下泵波长976 nm和915 nm。测量放大器RIN光谱比较图 3。很明显,该放大器RIN水平在976 nm(蓝色固体曲线)远高于915海里(绿色固体曲线)的高频政权。图的底部 3展示了集成电路放大器RMS RIN。值超过1.5千赫至5 MHz的频率范围是0.042%和0.029%的976 nm和915 nm波长泵,分别。事实上,公司的最佳波长915纳米泵的结果在一个大约976海里的RIN值减少31%。

进一步确认泵的好处波长优化放大器噪声抑制,相应的RIN两泵摩门教的测量和比较图的插图 3。结果显示915海里的RMS RIN LD固体(红色曲线)超过4倍的976 nm LD(灰色固体曲线)。RIN更高水平的915纳米泵RIN LD的确会导致高一级放大器的低频区域(< 1.5 kHz),见图 3虽然高频区域,LD泵的强度噪声是应该对该放大器RIN性能几乎没有影响。较低的放大器RIN抽水条件下在915海里可能部分源于增强宽容波长波动的LD泵由于更广泛和奉承吸收截面轮廓约915海里。沿着放大器可以承诺相应的低增益波动较小的噪声放大信号和ASE噪声的积累。另一方面,沿着前更高的脉冲峰值功率放大器泵浦的一部分915海里LD的影响可以减少种子脉冲放大信号功率噪声。此外,高效的自相似脉冲演化也在这种情况下属性固有的噪声性能稳定。

在下面,进行数值模拟可视化放大器内部的脉冲演化来洞察有效自相似脉冲和减少RIN演化机理。我们构建一个frequency-resolved数值模型向后cladding-pumped非线性Yb-doped光纤放大器。稳态两级速度和力量传播方程包括ASE用来描述wavelength-dependent获得配置文件。非线性薛定谔方程(NLSE)是利用模型放大脉冲演化与SPM和它。方程( 1)- ( 6)是均匀扩大传播方程假设CW-pumping没有激发态吸收,没有背景的损失: (1) N 2 z = λ p / 一个 p h c σ 一个 λ p P p z + 1 / 一个 年代 h c ∑ k λ k σ 一个 λ k P 年代 λ k , z + P 一个 f λ k , z + P 一个 b λ k , z N Y b λ p / 一个 p h c σ 一个 λ p + σ e λ p P p z + 1 / τ + 1 / 一个 年代 h c ∑ k λ k σ 一个 λ k + σ e λ k P 年代 λ k , z + P 一个 f λ k , z + P 一个 b λ k , z , (2) N 1 z = N Y b − N 2 z , (3) − d P p z d z = σ e λ p N 2 z − σ 一个 λ p N 1 z P p z Γ p , (4) d P 年代 z d z = ∑ k σ e λ k N 2 z − σ 一个 λ k N 1 z P 年代 z , λ k Γ 年代 , (5) d P 一个 f z d z = ∑ k σ e λ k N 2 z − σ 一个 λ k N 1 z P 一个 f λ k , z η 年代 + ∑ k σ e λ k N 2 z h c 2 λ k 3 d λ η 年代 , (6) − d P 一个 b z d z = ∑ k σ e λ k N 2 z − σ 一个 λ k N 1 z P 一个 b λ k , z η 年代 + ∑ k σ e λ k N 2 z h c 2 λ k 3 d λ η 年代 。

在这里, N 2 z 和 N 1 z 激光的人口的命运是地面和上层州沿着纤维,分别。 P p z , P 年代 z , P 一个 f , b z , t 表示泵的平均功率、信号和ASE(向前和向后传播),分别。计算光谱范围分为渠道,它的波长集中在 λ k 。 P 年代 z , λ k , P 一个 f z , t , λ k , P 一个 b z , t , λ k 力量呢 kth通道。与纤维长度 l 分为段,计算功率放大后的每个光谱通道 d z 段、脉冲时间信封 一个 z , t 从信号脉冲光谱功率分布是reobtained吗 P 年代 λ , z 通过 (7) 一个 z , λ = P 年代 λ , z λ 2 c f d λ 经验值 我 φ z , λ , (8) 一个 z , t = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ 一个 z , ω 经验值 − 我 ω t d ω , 在哪里 ω = 2 π c / λ 和 φ z , λ 是脉冲的相位。结果,脉冲演化在SPM和它所描述的 (9) 我 ∂ 一个 z , t ∂ z = β 2 2 ∂ 2 一个 z , t ∂ t 2 − γ | 一个 z , t | 2 一个 z , t 。

通过这种方式,模拟脉冲非线性放大的增益光纤遵循 1)( 9)。四阶龙格-库塔公式用于解决方程( 1)( 6),它是位置的耦合的线性微分方程 z。和分步傅里叶算法是解决NLSE的常用方法(9)。通过使用一个迭代过程,( 1)( 9)可以计算。相应的边界条件设定的初始泵功率增益光纤的输出端和输入端信号脉冲光谱功率分布。排放横截面 σ e λ 和吸收横截面 σ 一个 λ 的Yb纤维来自 17]。根据实验参数设置在这个模型。测量种子脉冲图 4利用作为输入信号。图 4是PICASO-reconstructed脉冲后光栅prechirper(黑色固体曲线)和SMF固体(红色曲线)。非线性预先成形后的线性调频(蓝色短划线)几乎是零。定量估计自相似抛物型脉冲演化的效率,不适应环境的参数 米 = ∫ 一个 2 − 一个 p 一个 2 2 d t / ∫ 一个 4 d t 表示intensity-profile计算脉冲之间的差异吗 一个 2 和一个抛物线 一个 p 一个 2 相同的脉冲能量和峰值功率。一个更小的 米对应于一个更好的抛物线,和一个完全抛物线脉冲形成通常可以确定的时候 米0.04∼。

执行模拟两个泵下波长与输入泵浦功率仔细调整为同一20 dB放大增益。图 4显示了模拟脉冲演进不合群的参数 米沿着光纤放大器,对泵的波长976纳米固体(蓝色曲线)和915 nm(绿色固体曲线)。很明显,915 nm波长泵确实会导致一个相当快速降低错配的参数 米沿着光纤放大器,减少∼30%的市值为976 nm的情况下输出。图 4(d)显示了脉冲峰值功率的演进,正如在实验部分所讨论的,泵在915海里的确承诺更高的脉冲峰值功率沿光纤放大器。由于wavelength-dependent吸收横截面,得到沿光纤分布泵在976 nm和915 nm)是不同的,即使在相同的放大增益。低吸收约915 nm和backward-pumped配置导致更高的收益在前纤维的一部分。这反过来导致更高的脉冲峰值功率,这有利于更快的抛物线自相似演化,确认图 4。

最后,各种各样的RMS初始相对波动(IRF)介绍了信号脉冲功率和泵单独波长,对泵的波长976 nm和915 nm模拟。相应的演进的RMS输出信号的相对波动(ORF)功率放大器的计算和比较图 5。信号的均方根IRF权力(图 5(一个))从0.1%变化到1%,ORF的信号功率增加近两个泵的波长的单调。然而,开放的增量对他们来说是不同的。更少的迅速增加和较小的信号功率值并被发现在所有信号功率IRF波长915纳米泵(绿色)。这种增强种子信号噪声容忍度是更高的脉冲峰值功率的结果在放大和自相似脉冲的固有稳定性进化,如前所述。在不同的波长泵IRF的状况(图 5 (b)),信号功率ORF演进的两个泵波长明显不同。976 nm波长泵(蓝色),信号功率ORF与波长增加泵IRF大幅增加,而对于波长915纳米泵(绿色),展览有一个相对温和的增加信号功率的ORF,由于更广泛和奉承吸收截面比976海里。特别是,信号功率泵约915纳米波长波动引发的ORF可以超过30倍小于976纳米的值的情况。此外,图 5显示了信号功率ORF区别这两个泵条件增加信号功率和泵的增加IRF波长。上面的结果可以看作是我们实验的数值验证演示速度脉冲的自相似演化,以及更好的放大器噪声强度性能,使泵的波长优化。在这种情况下,显然更高的峰值功率可以加快自相似脉冲进化,减少敏感种子信号功率。同时,更广泛和奉承吸收截面轮廓周围915海里的公差可以提高脉冲泵浦波长的波动进化。因此,受益于一个最佳波长915纳米泵,高效的自相似脉冲演化和减少种子的影响信号功率和波长泵波动显然导致了低噪声的操作。

我们已经演示了一个简单的被动方案生成与超短飞秒脉冲pedestal-free持续时间从短的长度光纤放大器和低强度噪声。它是基于有效的自相似脉冲演化和减少放大器RIN启用的波长泵优化。结果表明,在相同20 dB放大增益,最佳波长915纳米泵不仅可以加速自相似演化也提高种子的宽容的波动信号功率和波长泵,导致增加∼20%压缩脉冲质量和减少∼31% RMS RIN(1.5千赫至5 MHz)。与∼∼50 fs transform-limited脉冲生成RMS RIN的0.03%。我们所知,泵波长进行了优化实验和数值首次提高自相似脉冲的公差放大到种子信号功率和泵波长波动。特别是,该方案可以降低低噪声的要求自相似飞秒光纤放大器在种子脉冲功率振荡器的稳定性和热控制LD泵,因此表示各种太空高精度飞秒激光的应用潜力。