4.3 GHz fundamental repetition rate passively mode-locked fiber laser using a silicate-clad heavily Tm³⁺-doped germanate core multimaterial fiber

Abstract

We report a silicate-clad heavily Tm3+-doped germanate core multimaterial fiber that is successfully drawn by using a rod-in-tube method. This new fiber has a high gain per unit length of 6.11 dB/cm at 1.95 µm, which is, to the best of the authors’ knowledge, the highest gain per unit length reported so far for Tm3+-doped glass fibers. By virtue of this high-gain glass fiber, an all-fiber-integrated passively mode-locked fiber laser with a fundamental repetition rate up to 4.3 GHz is demonstrated. Remarkably, the generated pulse operating at 1968 nm exhibits a signal-to-noise ratio of >76 dB in the radio-frequency domain. These results suggest that the silicate-clad heavily Tm3+-doped germanate core multimaterial fiber can act as a key building block for high repetition rate mode-locked fiber lasers at 2 µm.

大功率GHz重复频率飞秒光纤激光技术及前沿应用

“…括号内参数为中心波长 Figure 1 (Color online) Progress of ultrafast pulsed lasers with GHz repetition rates. Numbers in the brackets are the central wavelength GHz重复频率被动锁模光纤激光的产生主要涉及环形腔和线性腔结构。在基于环形腔结构的高重复频率 飞秒光纤激光方面，北京大学张志刚教授课题组基于NPR技术开展了大量研究。2011年，该课题组 [30] 通过将 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2024-0191 空间器件和光纤增益介质巧妙集成，成功实现了503 MHz的重复频率飞秒光纤激光。2015年，该课题组 [31] 通 过进一步优化腔内色散管理的集成器件，在环形腔内首次实现了重复频率为1 GHz、脉冲宽度为64 fs的掺镱 飞秒光纤激光。此后，该课题组 [32] 通过"光积木"的方式搭建了类似结构的高重复频率"固态光纤激光器" ， 将GHz重复频率光纤激光器的时间抖动降低至阿秒量级。2023年，上海理工大学袁帅教授课题组 [33] 采用类似 的环形腔结构，通过进一步优化腔内色散管理，直接产生48 fs的超短脉冲，实现了1 GHz基本重复频率的"固 态光纤激光器" 。 这些成果表明NPR技术结合腔内器件优化的方式在GHz重复频率飞秒光纤激光器研究中取得 了显著进展。有别于NPR技术，南方科技大学沈平教授课题组 [34] 设计了一种无隔离器、基于SESAM被动锁模 的环形腔结构， 获得了基本重复频率为1.048 GHz、 脉冲宽度为177 fs的掺镱飞秒光纤激光。 另一方面， 在NALM 光纤激光器中，谐振腔需要一定长度的光纤来积累足够的非线性相移差以实现锁模。因此，目前报道的全光 纤NALM激光器，通常只能实现约200 MHz的基本重复频率 [35] 。直到最近，中国科学院上海光学精密机械研 究所冯衍研究员课题组 [36] 提出了一种嵌套光纤环形腔结构，此结构在NALM内采用由两个光纤耦合器熔接构 成的环形内腔进行模式滤波，通过巧妙地匹配内、外腔的自由光谱范围，将"9"字腔光纤激光器的重复频 率成功倍增至GHz量级，并呈现出高相干、低噪声的特性，为实现GHz基本重复频率的光纤激光器提供了一 种新的有效途径。基于NPR、NOLM/NALM环形腔结构的GHz基本重复频率光纤激光器由于在环形腔内方便 进行精细的色散管理，通常能够实现更低的激光噪声性能。然而，由于环形腔内集成器件(如法拉第旋转器) 的体积受限，因此环形腔结构进一步实现更高重复频率飞秒光纤激光仍有较大挑战。 为了进一步实现大于1 GHz基本重复频率锁模，采用超短线性腔结构是优选技术路线。在基于线性腔结 构的光纤激光器中，超短谐振腔通常由可饱和吸收体、高掺杂浓度增益光纤和高反射率腔镜组成。脉冲的 重 复频率与腔内光纤长度成反比，通过缩短光纤可以有效提高锁模激光的重复频率。这种谐振腔结构为实现高 重复频率锁模激光提供了一种简单而有效的途径。东京大学Yamashita教授课题组利用碳纳米管作为锁模器件 并基于线性谐振腔结构高重复频率光纤激光器进行了一系列研究。2005年，该课题组 [37] 基于2 cm长的法布里 -珀罗(Fabry-Pé rot , FP)谐振腔结构实现了5 GHz亚飞秒锁模脉冲输出。2011年，该课题组 [38] 将1.5 μm波段 的脉冲基本重复频率提升至19.45 GHz，研究了GHz重复频率脉冲产生超连续谱的现象。2014年，该课题组 [39] 基于保偏铒镱共掺光纤，实现了基本重复频率为12 GHz的保偏谐振腔光纤激光器，其光谱中心波长为1535 nm、输出脉宽为2 ps、输出功率为5 mW。除了碳纳米管等可饱和吸收体，SESAM作为一种成熟的商用锁模 器件， 具有使用便捷、 易实现锁模自启动等优势， 受到广泛青睐。 2007年， 美国国家标准与技术研究院Newbury 等人 [40] 基于SESAM锁模在1.54 μm实现了2 GHz基本重复频率的铒镱共掺光纤激光器。2009年，美国麻省理工 学院Kartner教授课题组 [41] 进一步优化了谐振腔结构和铒镱共掺光纤长度，实现了积分范围1 kHz~10 MHz内 时间抖动为48 fs的3.2 GHz锁模脉冲序列。2012年，该课题组 [42] 与华南理工大学杨中民教授团队合作，进一 步在1.0 μm波段获得了3 GHz重复频率飞秒光纤激光输出。为了产生更高重复频率的脉冲，必须充分利用有 源光纤的高增益特性。在过去20多年间，华南理工大学杨中民教授团队一直致力于高增益光纤的研发，特别 是在掺镱、掺铒和掺铥增益光纤方面投入了巨大努力，他们通过采用多组分玻璃作为主体，成功将光纤增益 系数提高到1.0 μm波段5.7 dB/cm [43] 、1.5 μm波段9.13 dB/cm [44] 、2.0 μm波段6.11 dB/cm [45] ，为实现更高重复频 率的超短脉冲提供了激光光纤材料基础。2019年，该课题组 [46] 采用高增益磷酸盐光纤构建谐振腔，成功获得 了基本重复频率约为12.5 GHz的锁模脉冲输出，是在1.0 μm波段全光纤锁模激光器中已报道的最高基本重复 频率。 2022年， 该课题组 [47] 通过调整SESAM的参数和增益光纤的增益系数，并 优化谐振腔结构设计， 将2.0 μm 光纤激光的重复频率提升至11.3 GHz，同样是目前已报道的最高重复频率掺铥光纤激光器，如图2所示。 [44] and Fig. 2 in Ref.…”

Environmentally stable, spectral-shape-controllable, GHz femtosecond Yb-doped fiber laser

“…However, fundamental modelocking is more reliable for some certain applications owing to its high spectral purity and stability. During the last two decades, candidates of active media providing optical gain for gigahertz fundamental repetition rates have been restricted to semiconductors [15][16][17] , rare-earth-(RE) doped ceramic/crystals [18][19][20] , Ti:sapphire crystals [21,22] , and glass fibers [23][24][25][26] . In contrast, the laser setup constructed with active fibers, i.e., fiber lasers, stands out for its compactness, lack of susceptibility to misalignment, and efficient thermal dissipation.…”

Comparison of spectral beam combining based on reflecting volume Bragg grating, with and without collimating lenses

“…High energy laser has been widely used in many applications, including laser cutting, welding, and cladding. [1][2][3][4][5][6][7][8] Spectral beam combining (SBC) is a promising method for achieving high-power laser. [9][10][11][12] In SBC, a key component used is a diffraction grating, which can diffract light into one (or several) beam(s) traveling in different directions.…”

“…High energy laser has been widely used in many applications, including laser cutting, welding, and cladding 1–8 . Spectral beam combining (SBC) is a promising method for achieving high‐power laser 9–12 .…”