GHz瓦级全固态克尔透镜锁模Yb：CYA飞秒激光器（特邀）

马骏逸，赵国栋，邵晓东，韩海年，3，魏志义，3

（1 中国科学院物理研究所光物理重点实验室，北京 100190）

（2 中国科学院大学，北京 100049）

（3 松山湖材料实验室，广东东莞 523808）

0 引言

随着基于飞秒激光的光频梳技术的出现，高重频锁模飞秒振荡器变得越来越重要，光学频率梳也被应用在各个领域，例如将光学频率梳应用于天文光谱仪的校准，即天文光梳，用来寻找系外行星、宇宙学研究和确定基本常数的变化。天文光梳要求重复频率在15～30 GHz 以上，使得频率梳齿能够被光谱仪所分辨［1］。高重复频率的全固态飞秒激光器固有噪声低、腔长灵活可调，是飞秒光学频率梳的良好光源。掺镱激光增益介质能级结构简单、量子效率高、存在高功率低成本泵源，支持100 fs 以下的脉宽和高平均功率的输出，这些优势与克尔透镜锁模激光器结合非常适合光频梳应用。在过去的几年里，许多晶体已经有了非常亮眼的表现，其中包括KY（WO4）2（KYW）［2］、KGd（WO4）2（KGW）［3］以及CaGdAlO4（CALGO）［4-7］。但是在大多数基于上述材料的激光源中，使用克尔透镜锁模（Kerr Lens Mode Locking，KLM）的飞秒激光器往往无法同时兼顾1 GHz 以上的重复频率、100 fs 以下的脉冲宽度和超过1 W 的平均输出功率。

在过去的二十年中，镱掺杂材料由于其大的发射带宽、高的量子效率和优异的热性能而受到越来越多的关注［8］。特别是CALGO 激光晶体的开发［9］，因其出色的光谱性能和热性能，使得该晶体与半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM）锁模一起使用，表现出了高重频、高功率下的最短脉冲持续时间［4-7］。

采用传统Czochralski 法生长的Yb：CYA 作为Yb 掺杂铝酸盐类增益介质，和Yb：CaGdAlO4同属于四方晶系的ABCO 化合物，其中A=Sr，Ca；B=稀土元素，C=Ga、Al［10］，其特性也类似于CALGO，包括宽吸收光谱和荧光光谱、相对较高的比热容和导热性。由于其更容易生长和制造，因此成为CALGO 晶体的绝佳替代材料。基于Yb：CYA 晶体实现的飞秒激光脉冲于2011年被报道［11-12］，产生了740 mW 的平均功率和156 fs 的脉冲宽度的激光脉冲；此外，由于介质的无序结构导致发射光谱宽而平坦，2018年，江苏师范大学马杰等报道的Yb：CYA 振荡器的输出脉冲的脉宽短至21 fs［13］；而采用Yb：CYA 晶体实现的最高输出功率和最高峰值功率由西安电子科技大学田文龙等实现［8，14］。Yb：CYA 光学频率梳在2016年首次亮相，展示了1 μm 波段第一个克尔透镜锁模的固态光学频率梳［15］。2019年，本课题组首次实现了瓦级固态Yb：CYA 飞秒激光频率梳的载波包络相移频率和重复频率全锁定［16］，脉冲宽度为54 fs，平均功率为1.5 W，在100 kHz 分辨率带宽下，以40 dB 的信噪比观察到自由运行的载波包络相位偏移频率（Carrier-envelope Offset，fceo），锁定后fceo的剩余相位抖动仅为370 mrad，在锁定时长3 h 内、计数门时间为1 s 时，fceo长期频率漂移标准差仅为0.8 mHz。

本文搭建了光纤激光泵浦的基于Yb：CYA 晶体的1 GHz 飞秒激光振荡器，采用克尔透镜锁模技术，能够产生以1 051 nm 波长为中心、最大输出功率1.7 W 的锁模脉冲输出，对应的傅立叶变换极限脉宽约为207 fs，这是Yb：CYA 振荡器首次实现的GHz 飞秒脉冲输出，为寻求高重频、高平均功率的紧凑且坚固的飞秒光梳提供了一种有吸引力的光源方案。

1 实验装置

作为Yb 离子掺杂的铝酸盐晶体，Yb：CYA 晶体有着生长方便、热容高等优势，较高的热容意味着晶体有更高的损坏阈值，有望实现更高的输出功率。图1 是Yb：CYA 晶体的实物图，Yb：CYA 晶体由99.999%纯度的Yb2O3，CaCO3，Y2O3和Al2O3等前驱物在氮气的环境下由Czochralski 法所生长。

到目前为止，已经发展出多种方法来生成高重复频率的脉冲，包括KLM、SESAM、电光调制（Electro-Optic Modulator，EOM）光频梳、微型谐振腔和腔外倍频技术等，其中克尔透镜锁模因为它无源锁模的特殊机制，有着结构简单、响应速度快、自启动和自维持等优势，因此具有低相位噪声的宽带发射光谱的克尔透镜锁模激光器在包括光频梳生成等许多领域都是有吸引力的光源。一般来说，克尔效应很大程度上取决于克尔介质内的模式半径，因此，本文中高重频克尔透镜锁模飞秒Yb：CYA 振荡器的设计主要基于小腔模束腰、紧聚焦泵浦和低透过率输出耦合镜（Output Coupler，OC）的原则，用于在晶体中获得所需的高强度克尔透镜效应，以此来支持克尔透镜锁模，实验装置示意如图2。为了实现泵浦光束和谐振腔内激光模式的最佳匹配，所选择的泵浦激光器是法国Azur Laser System（ALS）公司的多模光纤泵源，中心波长为980 nm，最大输出功率为9.2 W，与常用的激光二极管（Laser Diode，LD）泵源相比光束质量更优，且强度噪声更低，适合发展低噪声全固态光学频率梳。采用的腔体是一个蝴蝶结型环形谐振腔［17］，与线性腔腔型相比，环形腔的优势主要体现在以下几个方面：首先，环形腔两个方向的激光不对称性更大，因此在更高的泵浦功率下，环形腔不容易产生额外的脉冲；其次，后续元器件的回射光是以与单向激光相反的方向注入晶体，因此环形腔中的锁模对光束回射回激光腔相对不敏感，而线性腔中激光束的任何轻微回射通常都会破坏锁模，在这种情况下，必须在输出耦合器之后插入光隔离器；环形腔的另一个好处是减少了腔中的色散，因为脉冲每次往返仅穿过增益介质一次，在不影响输出功率的情况下，在环形腔中的色散本质上比线性腔减少了两倍；最重要的是，根据重复频率与谐振腔腔长的反比关系，相同尺寸的激光器，环形腔更有助于提高重复频率。因此，环形腔小巧的结构及其独特的优势被广泛应用于高重复频率的飞秒脉冲激光器，然而，也正是出于这种原因，腔内色散补偿技术的选择性受到了一定的限制。

泵浦光通过M1透镜准直后，再通过M2 透镜聚焦到块状Yb：CYA 晶体上，两个凹面镜M3和M4的曲率半径（Radius of Curvature，ROC）为50 mm，其中一个安装在一维平移台上用于启动锁模。Gires-Tournois干涉仪镜（Gires-Tournois-Interferometer，GTI）和输出耦合镜是平面镜。该Yb：CYA 晶体大小为3 mm×3 mm×3 mm，沿a 方向切割，掺杂浓度为8 at.% 。泵浦光正入射晶体，为了减少热量累积使晶体保持恒定的温度，增益晶体被包裹在铟铂中，并通入循环水对晶体进行冷却。振荡器两臂的长度和两凹面镜间的距离对锁模状态对影响很大，通过优化锁模状态，最终确定的参数为：M3 至OC 为80.5 mm，M4 至GTI 为61 mm，GTI 至OC 为88 mm，M3 至M4 在50.5 mm 到60.5 mm 之间调节，谐振腔的总长度为29 cm，在此配置中得到的对应重复频率为1 GHz。激光器产生大约1 W 的输出功率（单向），经过仔细对准后，调节凹面镜M4，锁模将自动启动。

Yb：CYA 晶体发射光谱覆盖950～1 100 nm，如果腔内的色散补偿不合理，大量的光谱成分无法同时起振，那么也无法输出较宽的光谱及较窄的脉冲。迄今为止，绝大多数掺镱晶体被动锁模飞秒激光腔都是在大的负群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD）范围内工作。早期的飞秒激光振荡器均采用棱镜对进行腔内色散进行优化设计，其基本思想是在空间上将不同的光谱成分展开，使之经历不同的光程后，再在空间上合束，从而补偿不同光谱成分的群速度延时，其所提供的色散量由两棱镜的材料以及棱镜间的间距所决定。近年来，将色散材料与镜片集成化的啁啾镜和GTI 镜由于其结构简单、使用方便等优点得到越来越多的使用。设计中，色散补偿通过腔内平凹GTI 镜M4 和平面GTI 镜（均由Layertec 提供）组合来实现的。M4 在1 040 nm 附近波段反射率大于99.9%并提供单次反射-550 fs2±50 fs2的负色散。GTI在1 000 ～1 160 nm 的波段反射率大于99.9%并提供约为-800 fs2的负色散。OC 为无色散宽带全反镜，在透射带宽内的二阶色散为0。结合腔内Yb：CYA 晶体及色散补偿镜考虑，所设计的谐振腔在1 045 nm 附近的单程往返群延迟色散为（Group Delay Dispersion，GDD）-1 350 fs2，根据晶体的折射率以及晶体厚度等信息，计算得到Yb：CYA 晶体在1 μm 附近提供～85 fs2/mm 的材料正群速度色散［18］。

2 实验结果

为了实现稳定的锁模，首先在连续波（Continuous Wave，CW）模式下优化激光功率，振荡器在连续激光输出状态下，环形腔中的激光沿两个相反方向同时输出，然后扫描凹面镜M4 的位置，以寻找激光光谱分叉和激光功率不稳定的区域，当腔内自相位调制与自聚焦效应达到产生克尔透镜锁模的条件时，即可使腔内各个纵模模式同相起振，实现锁模输出并观察到光谱展宽。此时，一个方向的锁模序列会自动抑制另一个方向的模式运转，最终，腔内只有一个方向的稳定锁模脉冲输出。

首先使用1.6%的输出耦合镜实现锁模，当对直流操作进行优化时，激光器中1 050 nm 附近提供1.4 W的最大输出功率，激光器稳区跨越3 mm 以上。随着M4 向晶体进行小而快速的平移，最终实现锁模，当振荡器锁模后，即使没有注意将激光器与环境隔离，激光器的脉冲操作也是稳定的。

采用市售的（Menlo systems）雪崩光电二极管（Avalanche Photon Diode，APD）接收锁模后的脉冲信号。图3（a）是稳定锁模时示波器（RTM3004，Rohde & Schwarz）所测得的脉冲序列，示波器带宽为1 GHz，从图中可以看出振荡器处于十分稳定的连续锁模状态，完全没有调Q 包络出现。采用光谱仪（AQ6370C，YOKOGAWA）测量锁模脉冲的光谱，光谱范围为1 037 nm 至1 066 nm，锁模稳定时观测到的光谱宽度为7.1 nm，峰值为1 051.3 nm，如图3（b）。为了进一步验证锁模状态的稳定性，采用分辨率为100 kHz 的频谱仪（E4402B，Agilent Inc）所测得的输出光谱频谱信号如图3（c），重复频率为1.03 GHz，信噪比为50 dB，且不存在调制频率，这表明KLM 运行稳定。在最佳KLM 操作下，使用一台商用的功率计（LP-3A，北京物科光电）测量了在稳定锁模的条件下输出脉冲的功率稳定性曲线，如图3（d），在40 min 内功率抖动在0.004%以下。图3（e）中黑色虚线为得到的典型脉宽测量自相关曲线，由扫描强度自相关仪（pulseCheck，APE）测得的，结合自相关轨迹和高速实时示波轨迹，确认谐振腔是单脉冲运转。根据sech2拟合结果，能够脉冲持续时间约为207 fs 的脉冲。

在腔内峰值功率足够的前提下，将输出耦合镜更换为0.8% OC，观察到了更宽的光谱。这种情况下，CW 的最大功率下降至814 mW，锁模输出功率为857 mW。中心波长不变，半峰全宽（Full Width at Half Maxima，FWHM）为10 nm，同样假设输出脉冲为双曲正割型，计算可得该光谱对应的傅里叶变换时域脉冲波形如图4（b），其FWHM 约为118 fs。当使用不同透过率的输出耦合镜时，腔内功率的改变会引起光谱宽度的改变，又因为GTI 镜的覆盖带宽较宽，因此，可以通过改变OC 和选用不同GTI 配合调节腔内色散，来获得更宽的光谱。

3 结论

通过采用Yb：CYA 晶体作为增益介质，搭建了一套蝴蝶结型腔的光纤激光泵浦、1.03 GHz 重复频率的克尔透镜锁模振荡器。光谱宽度在1 051 nm 附近为7.1 nm，1.7 W 的输出功率允许在微结构光子晶体光纤中直接产生超连续谱，而无需放大脉冲。相较于其它千兆赫克尔透镜锁模的全固态飞秒激光振荡器，本文中的Yb：CYA 振荡器将输出功率从毫瓦量级提升至瓦特量级，为后续测量和锁定该1 GHz 飞秒脉冲的载波包络相移信号，建成梳齿频率绝对稳定的高重频光梳系统，应用于光梳测频、光梳测距，双光梳光谱学等研究领域提供了坚实的实验基础。