[论文解读] Directly diode-pumped, Kerr-lens mode-locked, few-cycle Cr:ZnSe oscillator

Nathalie Nagl, Sebastian Gröbmeyer+4 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 60被引用 56

一句话总结

该论文首次展示了直接由激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Cr:ZnSe激光振荡器，采用单个1650 nm InP激光二极管，实现了超过500 mW的平均输出功率和45 fs的脉冲宽度——在2.4 µm波长下不足六个光周期——相较于以往的二极管泵浦系统，峰值功率提升了六十倍，性能与光纤泵浦振荡器相当。

ABSTRACT

Lasers based on Cr$^{2+}$-doped II-VI material, often known as the Ti:Sapphire of the mid-infrared, can directly provide few-cycle pulses with super-octave-spanning spectra, and serve as efficient drivers for generating broadband mid-infrared radiation. It is expected that the wider adoption of this technology benefits from more compact and cost-effective embodiments. Here, we report the first directly diode-pumped, Kerr-lens mode-locked Cr$^{2+}$-doped II-VI oscillator pumped by a single InP diode, providing average powers of over 500 mW and pulse durations of 45 fs - shorter than six optical cycles at 2.4 $\mu$m. These correspond to a sixty-fold increase in peak power compared to the previous diode-pumped record, and are at similar levels with respect to more mature fiber-pumped oscillators. The diode-pumped femtosecond oscillator presented here constitutes a key step towards a more accessible alternative to synchrotron-like infrared radiation, and is expected to accelerate research in laser spectroscopy and ultrafast infrared optics.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低成本且高效的中红外飞秒激光器替代方案，以替代光纤泵浦系统。
• 通过实现高光束质量的直接二极管泵浦，克服Cr:ZnSe激光器中低功率、低亮度二极管泵浦的局限性。
• 利用直接二极管泵浦的增益介质，通过克尔透镜锁模技术实现中红外波段的超短几周期脉冲。
• 展示适用于高精度光谱学与频率梳应用的低幅度噪声性能。

提出的方法

• 使用单个1650 nm InP激光二极管（最大输出功率达3.6 W）泵浦一根5 mm长的多晶Cr:ZnSe晶体。
• 通过非球面镜和圆柱透镜对二极管光束进行整形，使聚焦光斑尺寸达到约50 µm × 90 µm。
• 采用具有曲面镜和YAG板的非对称X形折叠腔结构，以最小化像散并有效管理腔内色散。
• 通过机械移动镜片启动软孔径克尔透镜锁模，实现超短脉冲的自启动。
• 利用3 mm厚的蓝宝石板在布儒斯特角设置以补偿群速度延迟色散（GDD），并通过定制设计的色散镜校正三阶色散（TOD）。
• 通过使用低噪声电流源、InGaAs光电探测器和带直流滤波功能的射频谱分析仪，对倍频后的脉冲序列进行幅度噪声测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 直接二极管泵浦的Cr:ZnSe振荡器能否实现与光纤泵浦系统相当的飞秒脉冲宽度？
• RQ2 采用单发射器激光二极管进行直接二极管泵浦时，最大平均输出功率与脉冲宽度可达多少？
• RQ3 直接二极管泵浦的KLM Cr:ZnSe振荡器的幅度噪声性能与成熟的光纤泵浦系统相比如何？
• RQ4 在紧凑、单体化腔体中实现色散管理，能否在2.4 µm波段实现几周期脉冲并保持高光束质量？
• RQ5 二极管光束的各向异性和热载荷对锁模稳定性和效率有何影响？

主要发现

• 振荡器实现了超过500 mW的平均输出功率与45 fs的脉冲宽度，对应于2.4 µm波长下不足六个光周期。
• 与以往二极管泵浦记录相比，峰值功率提升了六十倍，性能与技术更成熟的光纤泵浦振荡器相当。
• 在20 Hz至1 MHz带宽范围内，测得的集成RMS相对强度噪声（RIN）低于0.068%，表明具有优异的低噪声性能。
• 系统在3小时内表现出小于0.12%的RMS功率波动，证实了长期运行的稳定性。
• 采用单发射器二极管实现了高光束质量与高效锁模，克服了二极管巴条的局限性。
• 通过蓝宝石板与定制色散镜实现的色散管理，成功实现了孤子锁模并使脉冲压缩至变换极限状态。