微型掌上光纤飞秒激光器

Mini Palm Fiber Femtosecond Laser

 

超快激光源具有脉宽窄、峰值功率高、脉冲能量大等特点,在精密测量和探测、通讯与信息处理、3D打印、以及超快光学诊断等方面有广泛的应用价值。在过去十几年内,钛宝石超短脉冲激光器统治着超快激光源的市场,但钛宝石激光器体积大、价格贵、维护难、对环境敏感等。以美国Coherent公司的钛宝石飞秒激光器系统为例,其体积约为3000×1500×500 mm3(如图1所示),价格在几十万至几百万,对工作环境要求高,设备的调试和维护比较复杂。相对于钛宝石超短脉冲激光器,光纤超短脉冲激光器具有诸多优点,例如结构紧凑、可靠性高、光束质量好、价格便宜、能耗低等。目前,市场上已有多家公司推出了超快光纤激光器产品,但他们一般都包括两个部分,即激光头和控制器,整个激光系统尺寸大、成本较高。例如瑞士Onefive公司的Genki HP超快光纤激光器:激光头尺寸420×260×125 mm3,控制器尺寸483×400×133 mm3 (如图2(a)所示);德国Menlo Systems公司的C-Fiber超快光纤激光器:激光头尺寸413×178×90 mm3,控制器尺寸448×437×132 mm3 (如图2(b)所示)。


1. 美国Coherent公司的钛宝石飞秒激光器系统实物图(包括控制器、激光器、放大器)


2. (a) 瑞士Onefive公司的Genki HP超快光纤激光器实物图(包括激光头和控制器)

(b) 德国Menlo Systems公司的C-Fiber超快光纤激光器实物图(仅激光头)

 

浙江大学刘雪明教授课题组对高稳定性微型化的光纤飞秒激光器进行了深入的研究,利用集成化的光学器件、性能优越的锁模器、以及合理设计的驱动电路,研制出了实用性强的光纤超快激光器系列产品。该系列产品不仅几何尺寸小,而且性能稳定,实际应用潜力大。近日,该课题组研制的超快光纤激光器产品尺寸已突破到6英寸手机的三分之一,几何尺寸为75×55×15 mm3,如图3所示。同时,该激光器产品具有高稳定性,对环境不敏感,抗干扰能力强,可长期稳定工作,无需维护,只需插上220V电源即可使用,一键式开启工作,且便于携带。


3. 微型掌上光纤飞秒激光器产品实物图.

(a) 与华为Mate 7手机尺寸对比,(b) 整套激光器

 

截至目前,该课题组已开发出三种超快光纤激光器系列产品传统孤子耗散孤子、以及高重复频率超快光纤激光器

(1) 传统孤子超快光纤激光器:中心波长~1560 nm,光谱宽度6~10 nm可调,重复频率~30 MHz, 脉冲宽度0.1~1 ps。图4所示为典型激光器输出特征,中心波长为1565.7 nm,谱宽6.5 nm,脉宽810 fs,重频32.7 MHz


4. 传统孤子超快光纤激光器输出特征:(a) 光谱,(b) 自相关曲线

 

(2) 耗散孤子超快光纤激光器:中心波长~1560 nm,光谱宽度10~20 nm可调,重频~20 MHz,脉宽可压缩至200 fs以下. 如图5所示,典型激光器输出特征为:中心波长1561 nm,谱宽17.5 nm,脉宽4.59 ps(压缩后180 fs),重频17.2 MHz


5. 耗散孤子超快光纤激光器输出特征:(a) 光谱,(b) 自相关曲线

 

(3) 高重复频率超快光纤激光器:中心波长~1570 nm,谱宽~8.5 nm,脉宽760 fs,重频~110 MHz,信噪比~60 dB,典型特征如图6所示。


6 高重复频率超快光纤激光器输出频谱:(a) 基频,(b) 大量程