利用泵浦波长优化提高飞秒光纤放大器性能

摘要

提出了一种基于泵浦波长优化的自由运行飞秒光纤放大器自相似脉冲演化和强度噪声抑制的有效方案。实验和仿真表明，脉冲自相似放大对种子信号功率和泵浦波长波动的容忍度增强，最佳泵浦波长为915 nm。即使泵浦激光二极管(LD)的RIN比976 nm高4倍以上，也观察到压缩脉冲质量增加了20%，放大器的均方根(RMS)相对强度噪声(RIN) (1.5 kHz至5 MHz)降低了31%。使用~ 0.03%的放大器RMS RIN可产生~ 50 fs的限变脉冲。该方案可以降低低噪声自相似飞秒光纤放大器对种子振荡器功率稳定性和泵浦激光器热控制的要求，为飞秒激光在空间中的各种卫星高精度应用提供了可能。

1.介绍

高品质的飞秒激光脉冲具有高功率，短持续时间和低噪声在前沿科学和空间技术具有重要应用，如光学频率梳，相干脉冲合成，高阶谐波发电，航天器网络和地层飞行[1- - - - - -3.］．YTTERBIUM（YB）掺杂光纤自相似放大器在产生这种高质量的飞秒激光脉冲方面具有显着的优势[4- - - - - -8］．然而，飞秒光纤放大器在高增益时，增益带宽有限，使其当前性能受到影响[9[泵激光二极管（LD）波动的噪声放大[10]，受激拉曼散射（SRS），并且放大的自发发射（ASE）的干扰。进步的许多已在非线性放大飞秒已经证明尤其是抛物线自相似进化，高功率和持续时间短。然而，仍然缺乏的努力，以减少在高增益非线性飞秒光纤放大器中产生的过大的噪音。

在本文中，通过优化所述泵浦波长为高质量的飞秒激光脉冲产生一个新的自相似扩增方法提出。自相似脉冲进化被有效地与所述降低的强度的噪声的高增益短光纤放大器加快。Through systematic experiments and numerical simulations under the pump wavelengths of 976 nm and 915 nm, the parabolic self-similar amplification dynamics and noise suppression mechanisms are explored. The results show that the influence of the seed power noise and the pump wavelength fluctuations of LDs on the pulse amplification and the intensity noise performance can be effectively suppressed due to the wider and flatter absorption cross sections around 915 nm. At the same amplification gain of 20 dB, an optimal pump wavelength of 915 nm can result in a compressed pulse quality increase of about 20% and a root-mean-square (RMS) relative intensity noise (RIN) reduction of about 31% integrated from 1.5 kHz to 5 MHz, even though the pump LD RIN is more than 4 times higher. With this approach, transformer limit (TL) pulses of ∼50 fs are generated after compression, and the RMS RIN of the amplifier is ∼0.03%. For all we know, the pump wavelength has been optimized to enhance the tolerance of pulse self-similar amplification to input signal power and pump fluctuations for the first time. The present study provides a simple method for generating high-quality pedestal-free femtosecond pulses with low noise, thus demonstrating the potential for frontier scientific applications related to high optical coherence and high signal-to-noise ratio. In particular, this scheme can lower the requirements of low-noise self-similar femtosecond fiber amplifiers on the seed power stability from the oscillator and the thermal control for the stabilization of the pump LD. As a result, it would contribute to the various satellite-based high-precision applications of femtosecond laser systems in space.

2.实验设置和结果

实验纤维放大系统的示意图如图所示1．它主要由1040种纳米超短脉冲种子源，双包层（DC）大模场面积（LMA）光纤放大器，和一个光栅对压缩机。种源是由一个自制的展宽脉冲锁模Yb光纤激光器，衍射光栅对和600线/毫米的衍射光栅对，并且单模光纤的一个片段（SMF）组成。The output repetition rate of the mode-locked laser oscillator is 74 MHz, and the average power is 80 mW. The grating pair works in a double-pass way to widely adjust the chirp and duration of the pulse emitted by the oscillator. Benefitting from this, the interaction between self-phase modulation (SPM) and group velocity dispersion (GVD) in SMF is optimized to shape the pulses temporally and spectrally before the amplifier. At this stage, spectrums of the negative-chirped pulse can be narrowed and smoothed by the interaction with SPM, and temporal durations can also be compressed by the positive GVD [11，12］．该放大器由一端泵浦的2米直流Yb光纤和20μ.米芯。所述放大器的所述信号端拼接到在非线性脉冲preshaper（1％融合损失）的SMF尾纤。放大器的泵端拼接到一组合器。The maximum output power of the LDs is 20W for both 976 nm and 915 nm. The compressor is conducted by a Littrow double-pass 600 lines/mm grating pair to ensure a ∼75% transmission.

使用高分辨率光谱仪来监测和记录每个阶段的脉冲谱。通过自相关器（AC），测量并分析脉冲的时域属性。自相似放大脉冲的典型测量特征是从标准光栅对产生的高对比度小基座压缩轨迹[13，14］．的RIN指归一化到其平均值的光强度的噪声，并且它可以在统计表征功率谱密度（PSD）。RIN的本文中的测量的特征在于通过使用标准方法的[15］．计算RIN的均方根值进行定量比较。采用高速光电探测器和10mhz低通滤波器对放大后的激光信号进行检测。为保证采样精度，低频(<100 kHz) RIN频谱由快速傅里叶变换分析仪测量，高频(>100 kHz)频谱由射频频谱分析仪测量。

在实验中，首先采用976 nm LD作为泵浦源。泵浦功率调整为放大增益约20 dB。图中蓝色实心曲线表示了相应的放大脉冲谱和压缩交流迹线2（a）和2（b）．之后，使用915nm LD作为泵源。实验在相同的初始条件下进行，除了泵功率，增加以确保相同的20 dB增益。测量的放大脉冲谱和压缩的交流迹线被图中的绿色固体曲线所示2（a）和2（b）．比较结果表明，915nm的适当泵浦波长可确保压缩后的更平滑的放大频谱和较小的脉冲碱基，这表明了更足够的自相似放大。在此基础上，我们通过相位和强度从相关性和频谱（Picaso）算法（Picaso）算法中的相位和强度检索压缩脉冲和915nm泵波长[16在数据2（c）和2（d）,分别。在假设相位平坦的情况下，通过实测光谱计算出相应的TL谱线。由PICASO获得的脉冲与TL轮廓之间的偏移是啁啾线性度的反射。显然，在915 nm的情况下，FWHM压缩脉冲持续时间略宽(约52 fs)，但与TL质量的偏差要小得多。

为了量化光束质量的偏差以及由此向自相似放大的演变，采用了定义为压缩脉冲与光束脉冲之间的相对峰值功率的Strehl比，并通过 ． 为picaso检索压缩脉冲的归一化时间包络。是从测量光谱的零相傅立叶变换获得的TL脉冲。Strehl比最大为1的最佳TL质量，与理想抛物型扩增的特征一致。根据图2（c）和2（d），对于976nm和915nm泵浦波长，计算的斯特勒比分别为0.87和0.93。掺入最佳的915nm泵波长导致刻痕比的增加，因此脉冲质量约为20％。我们将这些结果主要归因于这两个泵波长周围的YB光纤的不同吸收水平。为了获得相同的放大增益，由于较小的吸收横截面，所需的输入泵功率远高于976nm的情况。结果，沿放大器的增益分布是不同的。沿着放大器的前一部分以915nm向后泵送的更高的增益水平可以导致更高的脉冲峰值功率，因此更快地收敛到自类似的方案。

然后，我们研究了976nm和915nm的泵浦波长下飞秒光纤放大器的噪声性能。测量的放大器载体谱比较了图3.．可见，在高频波段，976 nm(蓝实曲线)的放大器RIN水平远高于915 nm(绿实曲线)。图的底部3.显示集成放大器RMS RIN。对于976nm和915nm泵浦波长，频率范围内的值范围为1.5kHz至5MHz为0.042％和0.029％。实际上，掺入最佳的915nm泵波长导致载体值的约31％的降低976nm。

为了进一步确认泵波长优化对放大器噪声抑制的好处，在图中的插图中测量并比较了两个泵LD的相应载体3.．结果表明，915 nm LD(红色固体曲线)的RMS RIN比976 nm LD(灰色固体曲线)的RMS RIN高4倍以上。915 nm泵浦LD较高的RIN水平确实会导致放大器在低频区(<1.5 kHz)的RIN水平较高，如图所示3.在对于高频区域的同时，泵LD的强度噪声应该几乎没有对放大器载体性能的影响。在915nm泵送条件下的较低放大器载体可以部分地归因于由于较宽和更平坦的吸收横截面轮廓约为915nm的泵Ld波长波长的容差。沿放大器的相应较低增益波动可以从放大的信号和ASE噪声承担较小的噪声累积。另一方面，沿着715nm LD泵送的放大器的前一部分的较高脉冲峰值功率可以降低种子信号功率噪声对脉冲放大的影响。此外，在这种情况下，在这种情况下有效的自相似脉冲演化也是由于固有的稳定性导致的噪声性能。

3.数值模拟

在下文中，执行数值模拟以可视化放大器内的脉冲演化，以获得有效的自我相似脉冲演化和载入减少机制的洞察力。我们构造了倒置式泵送非线性YB掺杂光纤放大器的频率分辨的数值模型。采用包括ASE的稳态两级速率和功率传播方程来描述波长相关的增益轮廓。非线性Schrödinger方程（NLSE）用于使用SPM和GVD来模拟扩增的脉冲演化。方程式（1) - (6）是均匀地扩大的传播方程，假设CW泵送，没有兴奋的状态吸收，没有背景损失：

在这里,和分别为激光基态和上能级沿光纤的粒子分布。 ， ，和 分别表示泵，信号和ASE（前向和向后传播）的平均功率。计算光谱范围被分成通道，每个通道以波长为中心 ． ， ，和 权力在哪里K.- 频道。纤维长度分成段后，计算出各光谱通道中的功率放大量 -段，脉冲时间信封 从信号脉冲谱配电中重新组织 通过 在哪里 和 为脉冲相位。因此，在SPM和GVD下的脉冲演化描述为

以这种方式，沿增益光纤脉冲非线性放大的模拟遵循（1） 到 （9）。第四阶runge-kutta公式用于解决方程（1） 到 （6），其耦合线性微分方程的位置Z.．而分步傅里叶算法是求解NLSE(9)的常用方法。通过使用迭代过程，(1） 到 （9)可以计算。相应的边界条件由增益光纤输出端初始泵浦功率和输入端信号脉冲谱功率分布设定。发射截面吸收横截面yb纤维源自[17］．在这个模型中的参数根据实验设置。在图所测量的种子脉冲4用作输入信号。数字4在光栅预洗（黑色固体曲线）和SMF（红色固体曲线）之后是Picaso重建脉冲。非线性预热后的啁啾（蓝色虚线曲线）几乎为零。定量估计自相似抛物线脉冲演化的效率，MISFIT参数 是用来表示脉冲之间的强度分布差异的和一个抛物线具有相同的脉冲能量和峰值功率。一个小米对应于更好的抛物线配合，并且可以通常可以确定完全抛物线脉冲形成米~0.04。

在两个泵浦波长下进行仿真，仔细调整输入泵浦功率，以获得相同的20 dB放大增益。数字4显示了MISFIT参数的模拟脉冲演进米along the fiber amplifier, with respect to the pump wavelength of 976 nm (blue solid curve) and 915 nm (green solid curve). It is obvious that the 915 nm pump wavelength indeed leads to a fairly rapid decrease of the misfit parameter米沿着光纤放大器，在输出976 nm的情况下，其值减少了约30%。数字4（d）显示了脉冲峰值功率演进，如实验部分所讨论的，在915nm处泵送实际上是沿着大部分光纤放大器的较高脉冲峰值功率。由于波长依赖性吸收横截面，即使在相同的放大增益下，沿着976nm和915nm泵送的纤维的增益分布也不同。沿着纤维的前部部分延长915nm和后向泵浦的构造的较低吸收。它又导致更高的脉冲峰值功率，这有利于更快的抛物线自我相似的进化，如图所示4．

最后，相对于模拟中的976nm和915nm的泵浦波长，各种RMS初始相对波动（IRF）被单独地引入信号脉冲功率和泵波长。计算来自放大器的信号功率的RMS输出相对波动（ORF）的相应演进，并比较了图5．使用信号功率的RMS IRF（图5（a）)的变化范围为0.1%到1%，两个泵浦波长的信号功率ORF几乎单调增加。但是，它们的ORF增量是不同的。在915 nm泵浦波长(绿色)的所有信号功率IRF中，信号功率ORF的增长速度较慢，值也较小。这种增强的种子信号噪声容忍是放大过程中更高的脉冲峰值功率和前面提到的自相似脉冲演化的固有稳定性的结果。而在泵浦波长变化的情况下(图5（b）），两个泵波长的信号功率ORF演进显然是不同的。对于976nm泵波长（蓝色），信号功率ORF随着泵浦波长IRF的增加而显着增加，而对于915nm泵波长（绿色），由于大量的信号功率ORF表现出相对中等的增加的增加比976nm的情况更广泛，更平坦的吸收横截面。特别地，由泵波长波长波动引起的信号功率ORF约为915nm的波长波动可以大于976nm案例的值小于30倍。此外，图5结果表明，随着信号功率和泵浦波长IRF的增加，两种泵浦条件下的信号功率ORF差值增大。上述结果可以看作是我们的实验演示的数值验证，更快的脉冲自相似演化，以及更好的放大器强度噪声性能，使泵波长优化。在这种情况下，明显较高的峰值功率可以加速自相似脉冲演化，降低演化对种子信号功率的敏感性。同时，在915 nm附近更宽、更平坦的吸收截面可以提高脉冲演化对泵浦波长波动的容忍度。因此，得益于最佳的915 nm泵浦波长，有效的自相似脉冲演化和降低种子信号功率和泵浦波长波动的影响，明显导致低噪声操作。

4.结论

我们演示了一种简单的无源方案来产生飞秒脉冲，该方案具有超短无基座持续时间和短长度光纤放大器的低强度噪声。它基于有效的自相似脉冲演化和泵浦波长优化使放大器RIN降低。结果表明，在相同的20 dB放大增益下，最佳的915 nm泵浦波长不仅能加速种子信号功率和泵浦波长的自相似演化，还能增强种子信号功率和泵浦波长波动的耐受性。压缩脉冲质量提高了约20%，RMS RIN (1.5 kHz至5 MHz)降低了约31%。通过~ 0.03% RMS RIN可产生~ 50 fs的限变脉冲。据我们所知，泵浦波长首次进行了实验和数值优化，以提高脉冲自相似放大对种子信号功率和泵浦波长波动的容忍度。特别地，该方案可以降低低噪声自相似飞秒光纤放大器对振荡器的种子脉冲功率稳定性和泵浦LD的热控制的要求，为飞秒激光器的各种空间高精度应用提供了潜力。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包括在文章中。

信息披露

本手稿中描述的一部分研究是在2017年的会议上提出的，激光会议和电气 - 光学太平洋边缘（Cleo-Pr）。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了中国国家科技创新专业区，中国太空科技院自主创新项目，中国航天科技公司科技创新研发项目。

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