專利名稱：一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖放大器，特別涉及一種具有高脈沖重復(fù)率、高功率、超短激光 脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，適用于半導(dǎo)體器件、金屬材料精密加工、精密光刻等工業(yè) 領(lǐng)域，生物醫(yī)學(xué)成像、精密牙眼外科等生命科學(xué)技術(shù)和用于超快光學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)場科學(xué)技 術(shù)實(shí)驗(yàn)、激光核聚變等的基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域，屬光信息技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來由于飛秒激光啁啾脈沖放大技術(shù)[Chirped Pulses Amplification, CPA] 的迅速發(fā)展及寬帶增益優(yōu)質(zhì)激光介質(zhì)的不斷出現(xiàn)，使臺面超短激光脈沖的峰值功率在短短 幾年內(nèi)提高了 6-7個(gè)數(shù)量級，從而為科學(xué)家探索自然科學(xué)提供了一種強(qiáng)有力的新型實(shí)驗(yàn)手 段，并帶動(dòng)了物理學(xué)許多新領(lǐng)域的形成和發(fā)展，如實(shí)驗(yàn)室天體物理、慣性約束核聚變、A射線 激光、加速器物理、強(qiáng)場物理等。目前采用這一技術(shù)，人們在實(shí)驗(yàn)室利用鈦寶石增益介質(zhì)產(chǎn) 生的激光峰值功率已超過了 100TW，而將鈦寶石激光的超短脈沖特性與傳統(tǒng)釹玻璃激光的 高能量特性相結(jié)合，則可達(dá)到PW以至更高的峰值功率。通常這種高峰值功率的獲得最直接 的辦法是增加抽運(yùn)能量，但是，由于這種方法需要較高的成本，因此通過有效縮短放大激光 的脈寬，不僅對許多實(shí)驗(yàn)室來講是更為經(jīng)濟(jì)有效的手段，而且還具有先進(jìn)的超快特性。然 而，脈寬很短的飛秒脈沖同時(shí)還伴隨著極寬的帶寬，這種寬帶脈沖在放大過程中一方面存 在著復(fù)雜的色散延時(shí)，另一方面也存在有著更加嚴(yán)重的增益窄化效應(yīng)，從而使得放大脈寬 小于30fs的激光脈沖成為具有挑戰(zhàn)性的課題。近年來高功率光纖激光技術(shù)的飛速發(fā)展為發(fā)展基于光纖技術(shù)的高功率超短光脈 沖激光技術(shù)光源提供了新的機(jī)遇和可能性(Tino Eidam, Stefan Hanf, Enrico Seise, Thomas V. Andersen,Thomas Gabler,Christian ffirth,ThomasSchreiber,Jens Limpert, and Andreas Tiinnermann, Femtosecond fiber CPAsystem emitting 830 W average output power,94 OPTICS LETTERS/Vol. 35, No. 2/January 15,2010) 高功率超短脈沖 的光纖激光器和放大器因其獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有簡單、高效率、堅(jiān)固、輕量、一體化、高可靠 性、高穩(wěn)定性。而最近具有寬帶激光振蕩的摻Nd3+、Pr3+，Yb3+、Er3+和Tm3+光纖激光器及放大 器的進(jìn)展提供了產(chǎn)生波長大于1 μ m的超短脈沖激光的可能性。而摻Nd3+、Yb3+、Er3+和Tm3+ 光纖(Tm3+> 200nm，Er3+> 80nm)，特別是摻Tm3+光纖，因其具有很寬增益帶寬，因此，也是 產(chǎn)生飛秒激光脈沖振蕩潛在的介質(zhì)(M. Engelbrechtet al，Opt. Lett.，Vol. 33，No. 7，670， 2008) (Axel Ruehl et al，0SA/ASSP，WB21，2008))。摻 Yb3+光纖具有> IOOnm 的增益帶寬 和極高的增益以及輸出數(shù)kW級的平均功率，是目前激光技術(shù)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界極為重視的 高功率超短脈沖的產(chǎn)生和放大介質(zhì)，并有大量的文獻(xiàn)報(bào)道和商業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)。但是由于摻稀土(如摻Y(jié)b3+和Tm3+等)光纖固有的極高的增益系數(shù)，因此利用摻 稀土(如摻Y(jié)b3+和Tm3+等)光纖作為放大器碰到的一個(gè)重要問題是放大過程中的增益窄化 效應(yīng)(Gain Narrowing) (Dimitrios N. Papadopoulos, MarcHanna, Fr' edf eric Druon, and Patrick Georges， Compensation of GainNarrowing by Self-Phase Modulationin High-Energy Ultrafast FiberChirped-Pulse Amplifiers,182 IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUMELECTRONICS, VOL.15，NO. 1，JANUARY/FEBRUARY 2009 ； Lyuba Kuznetsova, Andy Chong, and Frank W. Wise, Interplay of nonlinearity and gain shapingin femtosecond fiber amplifiers,2640 OPTICS LETTERS/Vol.31, No. 17/ September 1, 2006 ； Jens Limpert, Fabian R “ oser, Damian N. Schimpf, Enrico Seise, Tino Eidam,Steffen H “ adrich, Jan Rothhardt, C' esarJauregui Misas, and Andreas T “ unnermann, High Repetition Rate GigawattPeak Power Fiber Laser Systems Challenges, Design, and Experiment, IEEEJOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15，NO. 1，JANUARY/FEBRUARY 2009，159)。增益窄化效應(yīng)的起因是飛 秒激光脈沖的光譜中心部分由于處在放大光纖的增益峰值而得到更大的增益，而光脈沖 的兩翼部分得到更小的增益，從而使得放大后的光脈沖光譜變窄。增益窄化的存在嚴(yán)重 降低了經(jīng)過放大后飛秒啁啾激光脈沖的光譜帶寬，從而經(jīng)過放大后光脈沖的時(shí)域光脈沖 的寬度被展寬，這將大大降低放大后被壓縮激光脈沖的峰值功率，從而降低了飛秒光纖激 光放大器的性能。從鎖模飛秒光纖激光器中輸出的光脈沖寬度可以達(dá)到100飛秒，光譜 半寬度可以達(dá)到30納米到50納米左右，而經(jīng)過光纖放大器后光譜往往由于增益窄化效 應(yīng)被壓縮到10多納米甚至幾個(gè)納米(LyubaKuznetsova and Frank W. Wise, Scaling of femtosecond Yb—doped fiberamplifiers to tens of microjoule pulse energy via nonlinear chirped pulseampIification September 15,2007/Vol.32, No. 18/0PTICS LETTERS2671 ；)。增益窄化效應(yīng)是高功率飛秒脈沖啁啾脈沖放大器(如固體鈦寶石激光 放大器等)通常遇到的一個(gè)嚴(yán)重問題。在飛秒固體激光放大器中，為了克服增益窄化最 基本的想法是將放大器的增益曲線平坦化，通常采用在再生放大器的腔中加入薄膜標(biāo)準(zhǔn) 具在放大器增益峰值產(chǎn)生透過率最小(C. P. J. Barty, G. Korn, F. Raksi, C. Rose-Petruck, and J. Squier, Α. -C. Tien, K. R. Wilson, V. V. Yakovlev, and K. Yamakawa, Regenerative pulse shaping andamplification of ultrabroadband optical pulses, February 1， 1996/Vol. 21, No. 3/0PTICS LETTERS 219 ；)或采用空間色散放大腔技術(shù)(Je ' ro'me Faure, Jiro Itatani, Subrat Biswal, Gilles Che' riaux a, Leah R. Bruner a, GlenC. Templeton a, Ge' rard Mourou, A spatially dispersive regenerativeamplifier for ultrabroadband pulses, Optics Communications 159,1999. 68-73)或采用種子激光脈沖 藍(lán)移以放大長波種子激光脈沖克服增益窄化效應(yīng)(J. P. Chambaret et al，Opt Lett. ,21, 1996，1921)。在文獻(xiàn)“整形種子脈沖克服放大過程中增益窄化效應(yīng)的研究”(物理學(xué)報(bào)，Vol. 49， No. 6, 2000,1202)中，提出了一種用于固體激光放大器增益窄化光譜修整消除的理論計(jì)算 方法，具體計(jì)算過程可以簡述如下在光譜帶寬為120納米(半高全寬)的種子激光脈沖的 光譜分布曲線中引入一個(gè)光譜振幅依賴于頻率ω和控制調(diào)制深度參數(shù)ζ的種子激光脈沖 調(diào)制函數(shù)Τ(ζ，ω)T ( ζ，ω) = ζ -0. 999Cos [15. 708 ( χ+0. 01)]式中，χ = Jic/δθω, Ji為圓周率，c為真空中的光速；文獻(xiàn)對種子激光進(jìn)行光譜調(diào)制后減小增益窄化的固體CPA放大理論進(jìn)行了分析， 該理論結(jié)果是針對固體放大器的一些數(shù)值模擬。
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JC “Laser pulse spectral shaping based on electro-opticmodulatio η”(November 10，2008/V01. 6，No. 11/CHINESE OPTICS LETTERS841)中，報(bào)道了 一種采 用電光調(diào)制器進(jìn)行光譜整形從而消除高功率飛秒啁啾脈沖固體放大器放大過程中產(chǎn)生 的增益窄化效應(yīng)的理論研究研究結(jié)果。美國專利US2007/1003056A1公開了一種采用空 間光譜濾波器克服增益窄化的超短激光脈沖放大器。在超短脈沖光纖放大器中，最近一 些文獻(xiàn)和專利也報(bào)道了采用光纖中非線性自相位調(diào)制補(bǔ)償放大過程中的增益窄化效應(yīng) (Dimitrios N. Papadopoulos, Marc Hanna,Fr' ed' eric Druon, and Patrick Georges, Compensation of Gain Narrowing by Self-Phase Modulation in High-EnergyUltrafast Fiber Chirped-Pulse Amplifiers,182 IEEE JOURNAL OF SELECTEDTOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15，NO. 1，JANUARY/FEBRUARY 2009 ；Frankff. Wise, Lyuba Kuznetsova, Chin Yu Chong, Nonlinear chirped pulse fiberamplifier with pulse compression, US Patent Application 20090002808)。但現(xiàn)有方法只能適應(yīng)能量比較低的飛秒光纖放 大器，對更高能量(如幾百微焦?fàn)柕胶两範(fàn)栆陨?飛秒超短光脈沖的放大不適應(yīng)?，F(xiàn)今報(bào) 道的高功率超短脈沖光纖激光放大器中增益窄化效應(yīng)尚未有好的解決辦法[Tino Eidam, SteffenH “ adrich, Fabian R “ oser, Enrico Seise, Thomas Gottschal1, JanRothhardt, Thomas Schreiber, Jens Limpert, and Andreas T “ unnermann A325-ff-Average-Power Fiber CPA System Delivering Sub-400 fs Pulses, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15，NO. 1，JANUARY/FEBRUARY 2009187 ；F. Roser, Τ. Eidam, J. Rothhardt, 0. Schmidt, D. N. Schimpf, J. Limpert, and A. Tiinnermann, Millijoule pulse energyhigh repetition rate femtosecond fiber chirped—pulse amplificationsystem, December 15,2007/Vol.32, No. 24/0PTICS LETTERS 3495 ； JensLimpert, Fabian R “ oser, Damian N. Schimpf, Enrico Seise, Tino Eidam, Steffen H “ adrich, Jan Rothhardt, C' esar Jauregui Misas, and AndreasT “ unnermann, High Repetition Rate Gigawatt Peak Power Fiber LaserSystems Challenges, Design, and Experiment,IEEE JOURNAL OF SELECTEDTOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.15，NO. 1， JANUARY/FEBRUARY, 2009,159]。為了解決寬帶飛秒激光脈沖高功率光纖放大造成的增益窄 化效應(yīng)，從而從放大器中得到更短、峰值功率更高的飛秒激光脈沖，迫切需要研究發(fā)展一種 實(shí)用化的克服高功率放大過程中增益光譜窄化效應(yīng)的技術(shù)用于高功率飛秒激光啁啾脈沖 光纖放大器中。最近幾年長周期光纖光柵由于其帶通特性被用于光纖激光器的腔內(nèi)起偏器 (Kurkov, Α. S. , et al，“Fibre Laser with an Intracavity PolariserBased on a Long-Period Fibre Grating，，，Quantum Electronics, vol. 31, no. 5，2001)、帶阻濾波 器從而進(jìn)行激光波長選擇(Supriyo Sinha, KarelUrbanek, Jonathan Alden，Carsten LangrockiMichel J. F. Digonnet,Martin Μ. Fejer,and Robert L. ByeriEfficient yellow light generationby frequency doubling an 1150—nm Yb :silica fiber system, MD4 20060SA/ASSP 2006)；在2008年報(bào)道了采用長周期光纖光柵用于平頂皮秒和飛秒激光脈 7中產(chǎn)生(Radan Slavik, Yongwoo Park，Jose Azana Long-PeriodFiber-Grating-Based Filter for Generation of Picosecond andSubpicosecond Transform-Limited Flat-Top Pulses, 806 IEEE PH0T0NICSTECHN0L0GY LETTERS，VOL 20，NO. 10，MAY 15,2008) 0

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，且具有高重復(fù)率、高功率性能的、全 光纖化的啁啾飛秒激光脈沖放大器。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾 脈沖放大器，泵浦激光光源為波分復(fù)用器或合波器提供泵浦激光，作為輸入泵浦激光，它還 包括采用凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器對種子激光脈沖進(jìn)行光譜整形，作為超 短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的種子激光光源；鎖模的寬光譜帶寬種子激光、光 脈沖展寬器和光脈沖選擇器、光纖激光增益介質(zhì)和激光脈沖壓縮器；所述的光纖激光增益介質(zhì)為摻稀土的單模光纖或大模場單模光纖或大模場光子 晶體光纖；所述的波分復(fù)用器或合波器為單模光纖或大模場光纖的多端口泵浦激光輸入的 信號激光/泵浦激光合路器。所述的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器，其特征在于采用單模光纖或大 模場光纖或大模場光子晶體光纖為基材，其上刻飾以超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放 大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵；所述的凹型衰減的長周期光纖光 柵的周期函數(shù)為一種光譜振幅依賴于頻率ω和控制調(diào)制深度參數(shù)ζ的種子激光脈沖調(diào)制 函數(shù)，其表達(dá)式為Τ(ζ，ω) = ζ -0. 999Cos [15. 708 ( χ +0. 01)]；式中x = Jic/δθω, Ji為圓周率，c為真空中的光速；ω為光脈沖的頻率；ζ為 1. 05 1. 2。提供一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，它的具體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)寬帶鎖模超短脈沖激光器[1]輸出的飛秒激光脈沖進(jìn)入到光脈沖展寬器和 激光脈沖選擇器[2]產(chǎn)生激光脈沖啁啾，光脈沖時(shí)域展寬，光脈沖重復(fù)頻率降低以獲得大 的放大激光脈沖能量；啁啾的低重復(fù)頻率激光脈沖通過一個(gè)光纖耦合的隔離器[3]，隔離器的功能是隔 離后續(xù)高功率光纖放大器與前級飛秒激光脈沖種子光源，防止逆向放大激光信號反饋對前 級種子激光光源系統(tǒng)的破壞；經(jīng)過隔離器后的種子激光脈沖進(jìn)入一個(gè)具有以高功率光纖放大器峰值增益波長 為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[5]進(jìn)行光譜整形；光譜整形后的種子激光脈沖與一個(gè)泵浦激光和信號激光合波器[6]的信號輸入 端光纖通過低損耗熔接連接，合波器的功能是將泵浦激光[41，42]和種子激光共同耦合進(jìn) 增益光纖中；光纖耦合的泵浦激光[41，42]與合波器[6]的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連 接，泵浦激光進(jìn)入到合波器輸出端光纖中，泵浦激光在增益光纖中產(chǎn)生激光放大增益；合波器輸出端光纖與一段增益光纖[7]通過低損耗熔接連接，增益光纖在泵浦激 光的作用下在種子激光波長處產(chǎn)生激光增益形成激光放大；第二對泵浦激光器[43，44]與第二個(gè)合波器[61]的泵浦激光輸入端光纖通過熔 接連接，將泵浦激光[43，44]從增益光纖[7]的另一端輸入到增益光纖中，第二對泵浦激光器[43，44]的作用是增加泵浦功率從而提高光纖放大器的增益，增大輸出激光功率；經(jīng)過高功率光纖激光放大器放大的激光脈沖通過合波器[6]后再通過一個(gè)輸出 耦合透鏡[8]準(zhǔn)直耦合輸出；準(zhǔn)直后的放大激光脈沖進(jìn)入一對標(biāo)準(zhǔn)的平行衍射光柵壓縮器[11，12,9,10]后產(chǎn) 生壓縮的激光脈沖輸出。提供另一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，它的具體結(jié)構(gòu)包括一臺寬帶鎖模激光器[1]輸出的飛秒激光脈沖進(jìn)入光脈沖展寬器和激光脈沖選 擇器[2]產(chǎn)生激光脈沖啁啾，光脈沖時(shí)域展寬，重復(fù)頻率降低；啁啾的低重復(fù)頻率激光脈沖通過第一個(gè)光纖耦合的隔離器[31]，隔離器的功能是 隔離后續(xù)高功率放大器與前級飛秒激光脈沖種子光源，防止逆向放大激光信號對前級種子 激光光源系統(tǒng)的破壞；經(jīng)過隔離器后的種子激光脈沖進(jìn)入第一個(gè)以超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖 放大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[51]進(jìn)行光譜整 形；光譜整形后的種子激光脈沖與一個(gè)泵浦激光/信號激光合波器[61]的信號輸入 端光纖通過低損耗熔接連接，合波器的功能是將泵浦激光[41]和種子激光信號耦合進(jìn)增 益光纖中；光纖耦合的泵浦激光[41]與合波器的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連接，泵浦 激光進(jìn)入合波器輸出端光纖中在增益光纖中產(chǎn)生激光增益；合波器輸出端光纖與一段增益光纖[71]通過低損耗熔接連接，增益光纖在泵浦 激光作用下在種子激光波長處產(chǎn)生激光增益形成激光放大；第二個(gè)光纖耦合的隔離器[32]的輸入端光纖與增益光纖[71]輸出端通過低損耗 熔接連接，隔離器的功能是防止逆向放大激光信號對前級放大器系統(tǒng)的破壞；隔離器[32]的輸出端光纖與第二個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[52] 的輸入端光纖通過低損耗的熔接連接，通過隔離器[32]的光脈沖進(jìn)入到第二個(gè)以超短激 光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光 譜濾波器[52]進(jìn)行光譜整形；整形后的激光脈沖通過合波器[62]后進(jìn)入增益光纖[72]進(jìn)行放大；光纖耦合的泵浦激光器[42，43]與合波器[62]通過熔接連接將泵浦激光輸入到 增益光纖[72]中產(chǎn)生激光放大增益；隔離器[33]的輸入端光纖與增益光纖[72]的輸出端通過低損耗熔接連接，經(jīng)過 第二級光纖放大器放大后的激光脈沖通過隔離器[33]后進(jìn)入第三個(gè)以超短激光脈沖輸 出的光纖啁啾脈沖放大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器 [53]進(jìn)行光譜整形；長周期光纖光柵光譜濾波器[53]的輸出端光纖與第三段增益光纖[73]通過低損 耗熔接連接，整形后的激光脈沖進(jìn)入增益光纖中進(jìn)行放大；光纖耦合的泵浦激光[44，45，46，47，48，49]與合波器[63]的泵浦激光輸入端通 過熔接連接將泵浦激光輸入到增益光纖[73]中產(chǎn)生增益；經(jīng)過第三級光纖放大器放大的激光脈沖通過合波器[63]后再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡[8]準(zhǔn)直耦合輸出；準(zhǔn)直后的放大激光脈沖進(jìn)入一對標(biāo)準(zhǔn)的平行衍射光柵壓縮器[11，12,9,10]后輸
出ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的特點(diǎn)1.采用光纖型凹型衰減的長周期光纖光柵作為高功率啁啾飛秒激光脈沖放大器 種子激光脈沖的光譜整形元件，易于與飛秒激光種子光源和前后級高功率光纖放大器通過 光纖熔接連接，易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的全光纖高功率飛秒激光脈沖放大器的集成化。2.全光纖化凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器可承受大的功率，既可以使用 在前級放大器中，也可以使用在后級功率型放大器之前，可以在克服放大過程中增益窄化 的條件下得到高功率(包括高平均功率和高峰值功率)放大輸出。3.光纖型凹型衰減的長周期光纖光柵成本很低，制作工藝相對簡單，為被動(dòng)全光 纖型器件，使用過程中不需要精密調(diào)整和復(fù)雜的電路系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。4.抗破壞閾值高，器件穩(wěn)定性好。


圖1是本發(fā)明提供的超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的設(shè)計(jì)原理示意 圖；圖中曲線(1)為本發(fā)明實(shí)施例提供的凹型衰減的長周期光纖光柵透射光譜；曲線(2)為鎖模激光脈沖(高功率光纖放大器的種子激光脈沖)的光譜；曲線(3)為經(jīng)本發(fā)明實(shí)施例提供的凹型衰減長周期光纖光柵整形后的種子激光 脈沖光譜；曲線(4)為普通(未采用增益光譜整形)的高功率光纖啁啾脈沖放大器的增益光 譜曲線；曲線(5A)為采用現(xiàn)有技術(shù)放大后激光脈沖的光譜(半高全寬)；曲線(5B)為采用本發(fā)明實(shí)施例提供的長周期光纖光柵濾波器消除增益窄化效應(yīng) 放大后激光脈沖的光譜(半高全寬)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的結(jié) 構(gòu)組成示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的 結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖中1、鎖模的飛秒激光脈沖種子脈沖光源；2、飛秒激光脈沖展寬器和激光脈沖選擇器；3 (31，32，33)、光纖隔離器;41 (42，43，44，45，46，47，48，49)、光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦激光器；5 (51，52，53)、不同尺寸凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器；6(61,62,63)、光纖泵浦激光波分復(fù)用器或泵浦激光合束器；7 (71，72，73)、摻 Yb3+增益光纖;
8、激光耦合輸出透鏡；9、平面全反射鏡；10、全反射輸出鏡；11(12)、反射或投射式衍射光柵。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例一本實(shí)施例提供一種單級超短激光脈沖摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大器的結(jié)構(gòu)。采用一 段凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器作為光纖放大器的種子激光脈沖的光譜整形元 件。其結(jié)構(gòu)是—個(gè)鎖模的飛秒激光器(如鎖模的固體激光器或鎖模的光纖激光器)作為高功率 啁啾脈沖光纖放大器的種子激光光源，種子激光光源的光譜帶寬為40納米(半高全寬)，中 心波長為1040納米，輸出的激光脈沖寬度為80飛秒，光脈沖的重復(fù)率為30MHz，單脈沖能量 為0. 2納焦耳；種子激光脈沖經(jīng)過一個(gè)光脈沖展寬器(如光纖或光柵等)和光脈沖選擇器 后，光脈沖寬度展寬為1納秒，重復(fù)率降為300kHz，假設(shè)光脈沖的光譜帶寬沒有損耗(光譜 帶寬保持40納米)。一個(gè)采用單模光纖制作的凹型衰減的長周期光纖光柵，其光纖光柵的周期函數(shù)為 一種光譜振幅依賴于頻率ω和控制調(diào)制深度參數(shù)ζ的種子激光脈沖調(diào)制函數(shù)，其原理是 根據(jù)光纖放大器的峰值增益波長位置和增益系數(shù)，采用了凹型衰減的長周期光纖光柵對種 子激光脈沖的光譜進(jìn)行修整，長周期光纖光柵在光纖放大器峰值增益波長及附近的透過率 產(chǎn)生一定比率(從3dB到12dB)的凹型衰減，而光脈沖的紅端和藍(lán)端光譜位置(經(jīng)過光脈 沖展寬器啁啾后飛秒激光脈沖的前后沿)由于處于高功率光纖放大器的低增益區(qū)應(yīng)盡可 能地減小衰減，凹型衰減的長周期光纖光柵的具體衰減比率和中心波長附近的光譜寬度根 據(jù)鎖模激光脈沖光譜形狀和增益光譜形狀與增益系數(shù)等通過數(shù)值計(jì)算得到。在一定帶寬的 種子激光脈沖的光譜分布曲線，中引入一個(gè)光譜振幅依賴于頻率ω和控制調(diào)制深度參數(shù) ζ的種子激光脈沖調(diào)制函數(shù)Τ( ζ，ω)T ( ζ，ω) = ζ -0. 999Cos [15. 708 ( χ+0. 01)]式中 x = π c/δθω ,c為真空中的光速，π為圓周率，Cos為余玄函數(shù)型(cosine)，ω為激光脈沖光譜 的頻率。由此可以算得在1020納米到1060納米波長范圍內(nèi)(種子激光脈沖中心波長為 1040納米，種子激光脈沖光譜帶寬40納米(半高全寬))，調(diào)制深度參數(shù)ζ取不同值時(shí)調(diào) 制曲線Τ(ζ，ω)。同樣，考慮脈寬100飛秒光譜寬度40納米的種子激光脈沖，其經(jīng)過調(diào)制后的光譜 分布可表示為Iin' (ω) = Ι η(ω)Τ(ζ , ω)Iin' (ω)是經(jīng)過凹型衰減長周期光纖光柵調(diào)制后的光譜曲線，Ι η(ω)為入射種子光源種子激光脈沖的光譜曲線，Τ( ζ，ω)為凹型衰減長周期光纖光柵的調(diào)制函數(shù)。由此 可得在不同調(diào)制深度參數(shù)ζ時(shí)通過調(diào)制后的種子激光脈沖光譜曲線。經(jīng)過凹型衰減長周期光纖光柵調(diào)制后的種子激光脈沖經(jīng)過高功率光纖激光放大 后的光譜I。ut( )可以表示為Iout' (ω) = Iin' (ω)6(ω)Iin' (ω)是經(jīng)過凹型衰減長周期光纖光柵調(diào)制后的光譜曲線；I。ut’ (ω)是經(jīng)過 高功率光纖放大器后的光脈沖的光譜曲線，G(co) = 為依賴于頻率的高功率光纖激光放 大的增益，L為增益光纖的增益長度，g為增益系數(shù)，對于均勻加寬介質(zhì)(如摻稀土光纖)增益系數(shù)g(o) = δΗ(ω0)Φ{1/[1+4(ω-ω0)2/Δ ωΗ2則高功率光纖放大器輸出I。ut' (ω)為Iout' (CO)=Iin(CO)G(GJ)=Iin' (ω)6(ω)Τ(ζ , ω)式中ω ^為光纖放大器中心波長對應(yīng)的頻率，ω為中心波長兩邊波長對應(yīng)的頻率， Δ ωΗ為光纖放大器增益曲線的頻率半寬度，δΗ(ω0)為光纖放大器中心頻率(Oci處的增益 系數(shù)，G(co)為依賴于頻率的高功率光纖激光放大器的增益(不同頻率處的增益)。通過上面公式可以計(jì)算出經(jīng)過光譜調(diào)制后的種子激光脈沖再經(jīng)過高功率光纖放 大器放大后的光譜演化，因此，合理選取調(diào)制深度參數(shù)ζ可以有效地逆制高功率光纖放 大器放大過程中中心頻率處激光脈沖能量的快速增長，通過將增益向光脈沖光譜兩邊的轉(zhuǎn) 移，從而實(shí)現(xiàn)對高功率光纖放大器放大過程中的增益窄化效應(yīng)的有效控制；帶有相應(yīng)調(diào)制 深度系數(shù)ζ (也就是衰減系數(shù))的調(diào)制函數(shù)Τ(ζ，ω)就是高功率光纖放大器中消除增益 窄化效應(yīng)光譜調(diào)制器的設(shè)計(jì)與研制的主要理論依據(jù)；也是凹型衰減長周期光纖光柵濾波器 設(shè)計(jì)和制作的依據(jù)。經(jīng)過單級或多級高功率激光放大器放大后的激光脈沖經(jīng)過常規(guī)的激光 脈沖壓縮器(如光柵對、棱鏡對、空心光纖等)壓縮后輸出)。在本實(shí)施例中，所提供的凹型衰減的長周期光纖光柵的周期函數(shù)為一種光譜振幅 依賴于頻率ω和控制調(diào)制深度參數(shù)ζ的種子激光脈沖調(diào)制函數(shù)，其表達(dá)式為T ( ζ，ω) = ζ -0. 999Cos [15. 708 ( χ+0. 01)]；式中x = Jic/δθω, ji為圓周率，c為真空中的光速；ω為光脈沖的頻率；ζ為 1. 05 1. 2。該長周期光纖光柵在中心波長1040納米處形成一個(gè)9dB的衰減谷，以中心波長 1040納米為中心的+/-10納米范圍形成一個(gè)余玄函數(shù)型(Cosine)的衰減(凹型衰減)，采 用單模光纖或大模場光纖或大模場光子晶體光纖為基材，其上刻飾以超短激光脈沖輸出的 光纖啁啾脈沖放大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵；這種凹型衰減透 射式長周期光纖光柵可以采用分段拼接或光纖制作過程中控制燒制激光功率和光柵周期 等方式實(shí)現(xiàn)。種子激光脈沖通過這種凹型衰減長周期光纖光柵后在其光譜中心波長1040納米 處形成一個(gè)凹型衰減；高功率摻Y(jié)b3+光纖放大器的峰值增益為23dB，其增益帶寬(半高全 寬)為40納米，峰值增益中心波長為1040納米，泵浦激光功率為光纖輸出50W的光纖耦合 輸出的半導(dǎo)體激光器，泵浦激光波長為976納米，高功率光纖放大器的增益形狀為高斯型 或洛倫茲型；經(jīng)過凹型衰減長周期光纖光柵后的種子激光脈沖在高功率光纖放大器放大，由于光脈沖的光譜中心處幅度得到凹型衰減長，其獲得的放大增益得到限制，而光脈沖的 長、短波長端的光譜從光纖放大器中獲得更大的增益，因此放大后光脈沖的光譜寬度保持 在大約40納米，消除了高功率光纖放大器放大過程中的光譜增益窄化效應(yīng)，大大減小了壓 縮后激光脈沖的寬度，放大后的平均激光功率為30W。參見附圖1，它是本實(shí)施例提供的超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的設(shè) 計(jì)原理示意圖；圖中，曲線(1)是一個(gè)有代表性的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器 的透射光譜曲線，在中心波長(通常是指鎖模種子激光脈沖光譜的中心波長或高功率光纖 放大器的增益峰值波長)及其附近，長周期光纖光柵光譜濾波器的透射率相比遠(yuǎn)離中心 波長處有一個(gè)凹型的衰減(以中心波長為中心)，衰減的比率和帶寬根據(jù)種子激光脈沖和 高功率激光放大器的增益系數(shù)、中心波長等參數(shù)綜合計(jì)算得到；曲線(2)是鎖模激光脈沖 (高功率光纖激光放大器的種子激光脈沖)的光譜曲線，鎖模的激光脈沖寬度比較短如飛 秒量級而光譜帶寬比較寬(通?？梢赃_(dá)到數(shù)十納米)；曲線(3)是鎖模的種子激光脈沖通 過凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器后的光譜曲線，鎖模激光脈沖光譜的中心波長及 其附近產(chǎn)生了一個(gè)凹型衰減(通?？梢赃_(dá)到數(shù)十納米)；曲線(4)是一個(gè)典型的高功率光 纖放大器的增益光譜曲線，通常高功率光纖放大器的增益光譜形狀是一個(gè)高斯形或羅倫茲 形(在中心波長及附近增益最高，而在遠(yuǎn)離中心波長的兩翼增益系數(shù)很小)，通常高功率光 纖放大器的增益光譜帶寬(半高全寬))約十多個(gè)納米；曲線(5A)是一個(gè)沒有采用長周期 光纖光柵濾波器消除增益窄化效應(yīng)的高功率光纖放大器放大后激光脈沖的光譜(半高全 寬)，由于高功率光纖放大器極高的增益系數(shù)(在增益峰值波長及附近)和增益光譜分布的 不均勻所造成增益窄化效應(yīng)，放大后激光脈沖的光譜帶寬變窄；曲線(5B)是一個(gè)采用凹型 衰減(以中心波長為中心)的長周期光纖光柵濾波器消除增益窄化效應(yīng)后的高功率光纖放 大器放大后激光脈沖的光譜(半高全寬)，采用減小高功率光纖放大器峰值增益波長及附 近種子激光脈沖的信號幅度(采用凹型衰減(以中心波長為中心)的長周期光纖光柵濾波 器對種子激光脈沖的光譜幅度進(jìn)行修飾和整形)消除高功率光纖放大器放大過程中的增 益窄化效應(yīng)后，放大后的激光脈沖的光譜帶寬大幅度得到增加，從而后續(xù)壓縮后激光脈沖 的脈寬可以變窄，高功率光纖放大器的性能得到大幅提高。這是一個(gè)采用凹型衰減(以中 心波長為中心)的長周期光纖光柵濾波器消除增益窄化效應(yīng)的單級高功率啁啾脈沖光纖 放大器的設(shè)計(jì)原理；同樣的設(shè)計(jì)思想可以使用在多極高功率光纖放大器中，只是每一級高 功率光纖放大器前的長周期光纖光柵濾波器使用的光纖尺寸必須與高功率光纖放大器使 用的光纖保持一致，或它們之間采用模場匹配器。實(shí)施例二 本實(shí)施例提供一種高重復(fù)率、高功率、超短激光脈沖摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖單級放大 器的結(jié)構(gòu)，采用一段凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器作為光纖放大器的種子激光脈 沖的光譜整形元件，克服了高功率摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大器放大過程中的增益光譜窄化 效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全光纖高功率、超短激光脈沖摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大。參見附圖2，它是本實(shí)施列提供的一種采用一段凹型衰減的長周期光纖光柵光譜 濾波器作為光纖放大器的種子激光脈沖的光譜整形元件的單級高功率摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖 放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。鎖模的飛秒種子激光脈沖經(jīng)過光脈沖展寬器和光脈沖選擇其后經(jīng)入 一個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)根據(jù)鎖模激光脈沖的光譜帶寬和高功率放大器增益帶寬和增益系數(shù)，然后經(jīng)過光譜整形的種子激光脈沖進(jìn)入一級高功率 光纖放大器中放大后再進(jìn)入常規(guī)的光柵對超短激光脈沖壓縮器壓縮后輸出。凹型衰減的長 周期光纖光柵光譜濾波器，由實(shí)施例1的技術(shù)方案提供。其具體連接關(guān)系是鎖模激光器[1]輸出的飛秒激光脈沖進(jìn)入光脈沖展寬器和激 光脈沖選擇器[2]產(chǎn)生激光脈沖啁啾，光脈沖時(shí)域展寬，重復(fù)頻率降低；啁啾的低重復(fù)頻率 激光脈沖通過一個(gè)光纖耦合的隔離器[3]，隔離器的功能是隔離后續(xù)高功率放大器與前級 飛秒激光脈沖種子光源，防止逆向放大激光信號對前級種子激光光源系統(tǒng)的破壞；經(jīng)過隔 離器后的種子激光脈沖進(jìn)入一個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[5]進(jìn)行光譜整 形，長周期光纖光柵光譜濾波器在光纖放大器峰值增益波長及附近(如lOeOnm中心波長、 帶寬為IOnm(半高全寬))的透過率產(chǎn)生一定比率(從3dB到IOdB)的凹型衰減；光譜整 形后的種子激光脈沖與一個(gè)泵浦激光和信號激光合波器[6]信號輸入端光纖通過低損耗 熔接連接，合波器的功能是將泵浦激光[41，42]和種子激光信號耦合進(jìn)增益光纖中；光纖 耦合的泵浦激光[41，42]與合波器的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連接，泵浦激光進(jìn)入合 波器輸出端光纖中；合波器輸出端光纖與一段增益光纖(如摻Y(jié)b3+) [7]通過低損耗熔接連 接，增益光纖在泵浦激光作用下在種子激光波長處產(chǎn)生激光增益形成激光放大；泵浦激光 [43，44]與第二個(gè)合波器[61]的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連接，將泵浦激光從增益光 纖[7]的另一端輸入到增益光纖中(與種子激光脈沖反方向)；經(jīng)過高功率光纖激光放大 器放大的種子激光脈沖通過一個(gè)耦合透鏡[8]準(zhǔn)直耦合輸出；準(zhǔn)直后的放大激光脈沖進(jìn)入 一對標(biāo)準(zhǔn)的平行衍射光柵壓縮器[11，12，9，10]后輸出。實(shí)施例三本實(shí)施例提供一種三級超短激光脈沖摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大器的結(jié) 構(gòu)，采用不同結(jié)構(gòu)的三段凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器作為光纖放大器的種子激 光脈沖和后續(xù)每一級放大器前光脈沖的光譜整形元件，克服了高功率摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖 放大過程中的增益光譜窄化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全光纖高功率、超短激光脈沖摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放 大。參見附圖3，它是本實(shí)施例提供的一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器 的結(jié)構(gòu)組成示意圖。由圖3可以看到其具體的連接關(guān)系是鎖模激光器[1]輸出的飛秒激 光脈沖進(jìn)入光脈沖展寬器和激光脈沖選擇器[2]產(chǎn)生激光脈沖啁啾，光脈沖時(shí)域展寬，重 復(fù)頻率降低；啁啾的低重復(fù)頻率激光脈沖通過第一個(gè)光纖耦合的隔離器[31]，隔離器的功 能是隔離后續(xù)高功率放大器與前級飛秒激光脈沖種子光源，防止逆向放大激光信號對前級 種子激光光源系統(tǒng)的破壞；經(jīng)過隔離器后的種子激光脈沖進(jìn)入第一個(gè)凹型衰減的長周期 光纖光柵光譜濾波器[51]進(jìn)行光譜整形，長周期光纖光柵光譜濾波器在光纖放大器峰值 增益波長及附近(如lOeOnm中心波長、帶寬為10nm(半高全寬))的透過率產(chǎn)生一定比率 (從3dB到IOdB)的透過率的凹型衰減；光譜整形后的種子激光脈沖與一個(gè)泵浦激光和信 號激光合波器[61]的信號輸入端光纖通過低損耗熔接連接，合波器的功能是將泵浦激光 [41]和種子激光信號耦合進(jìn)增益光纖中；光纖耦合的泵浦激光[41]與合波器的泵浦激光 輸入端光纖通過熔接連接，泵浦激光進(jìn)入合波器輸出端光纖中；合波器輸出端光纖與一段 增益光纖(如摻Y(jié)b3+) [71]通過低損耗熔接連接，增益光纖在泵浦激光作用下在種子激光波 長處產(chǎn)生激光增益形成激光放大；第二個(gè)光纖耦合的隔離器[32]的輸入端光纖與增益光 纖[71]輸出端通過熔接連接；通過隔離器[32]的光脈沖再進(jìn)入第二個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[52]進(jìn)行光譜整形；整形后的激光脈沖通過合波器[62]后進(jìn)入增益 光纖[72]進(jìn)行放大；光纖耦合的泵浦激光器[42，43]與合波器[62]通過熔接連接將泵浦 激光輸入到增益光纖[72]中產(chǎn)生增益；經(jīng)過第二級光纖放大器放大后的激光脈沖通過隔 離器[33]后進(jìn)入第三個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[53]進(jìn)行光譜整形；長周 期光纖光柵光譜濾波器[53]的輸出端光纖與第三段增益光纖(如摻Y(jié)b3+) [73]通過低損 耗熔接連接，整形后的激光脈沖進(jìn)入增益光纖中進(jìn)行放大；光纖耦合的泵浦激光[44，45， 46，47，48，49]與合波器[63]的泵浦激光輸入端通過熔接連接將泵浦激光輸入到增益光纖 [73]中產(chǎn)生增益；經(jīng)過第三級光纖放大器放大的激光脈沖經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡[8]準(zhǔn)直耦合輸 出；準(zhǔn)直后的放大激光脈沖進(jìn)入一對標(biāo)準(zhǔn)的平行衍射光柵壓縮器[11，12，9，10]后輸出。本實(shí)施例采用三段不同結(jié)構(gòu)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器作為光纖放 大器的種子激光脈沖的光譜整形元件的高功率摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖三級放大器的結(jié)構(gòu)示意 圖。凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器，由實(shí)施例1的技術(shù)方案提供。鎖模的飛秒種子激光脈沖經(jīng)過光脈沖展寬器和光脈沖選擇其后經(jīng)入第一個(gè)凹型 衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)根據(jù)鎖模激光脈沖的光譜帶寬和高功率 放大器增益帶寬和增益系數(shù)，經(jīng)過光譜整形的種子激光脈沖然后進(jìn)入第一級高功率光纖放 大器中放大后再進(jìn)入第二個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器中進(jìn)行第二步光譜整 形，經(jīng)過光譜整形的光脈沖再進(jìn)入第二級光纖放大器放大，接著進(jìn)入第三個(gè)凹型衰減的長 周期光纖光柵光譜濾波器進(jìn)行第三次光譜整形后，光脈沖進(jìn)入第三級高功率光纖放大器中 放大，然后進(jìn)入常規(guī)的光柵對超短激光脈沖壓縮器壓縮后輸出。本發(fā)明提供利用不同結(jié)構(gòu)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器作為光纖放大 器的種子激光脈沖的光譜整形元件的單級或多級高功率摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大器的結(jié)構(gòu) 和設(shè)計(jì)思想。采用凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器對入射種子激光脈沖進(jìn)行光譜整 形從而克服了高功率摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大過程中的增益光譜窄化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全光纖高 功率、寬帶光譜超短激光脈沖摻Y(jié)b3+光纖啁啾脈沖放大，得到更窄更高峰值功率的壓縮激光 脈沖。上述設(shè)計(jì)思想和光纖放大器結(jié)構(gòu)也可以用于其它種類的摻稀土(如摻艮3+，摻1 +， 摻Nd3+，摻H。3+等)單級和多極高功率啁啾脈沖光纖激光放大器的設(shè)計(jì)，應(yīng)用于各種科學(xué)和 工程技術(shù)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，泵浦激光光源為波分復(fù)用器或合波器提供泵浦激光，作為輸入泵浦激光，其特征在于它還包括采用凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器對種子激光脈沖進(jìn)行光譜整形，作為超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器的種子激光光源；鎖模的寬光譜帶寬種子激光、光脈沖展寬器和光脈沖選擇器、光纖激光增益介質(zhì)和激光脈沖壓縮器；所述的光纖激光增益介質(zhì)為摻稀土的單模光纖或大模場單模光纖或大模場光子晶體光纖；所述的波分復(fù)用器或合波器為單模光纖或大模場光纖的多端口泵浦激光輸入的信號激光/泵浦激光合路器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，其特征在 于所述的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器，其特征在于采用單模光纖或大模場 光纖或大模場光子晶體光纖為基材，其上刻飾以超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器 峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵；所述的凹型衰減的長周期光纖光柵的 周期函數(shù)為一種光譜振幅依賴于頻率ω和控制調(diào)制深度參數(shù)ζ的種子激光脈沖調(diào)制函 數(shù)，其表達(dá)式為T ( ζ，ω) = ζ -0. 999Cos [15. 708 (χ+0. 01)]；式中Χ = Jic/δθω, Ji為圓周率，c為真空中的光速；ω為光脈沖的頻率；ζ為 1. 05 1. 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，其特征 在于它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)寬帶鎖模超短脈沖激光器[1]輸出的飛秒激光脈沖進(jìn)入到光脈沖展寬器和激光 脈沖選擇器[2]產(chǎn)生激光脈沖啁啾，光脈沖時(shí)域展寬，光脈沖重復(fù)頻率降低以獲得大的放 大激光脈沖能量；啁啾的低重復(fù)頻率激光脈沖通過一個(gè)光纖耦合的隔離器[3]，隔離器的功能是隔離后 續(xù)高功率光纖放大器與前級飛秒激光脈沖種子光源，防止逆向放大激光信號反饋對前級種 子激光光源系統(tǒng)的破壞；經(jīng)過隔離器后的種子激光脈沖進(jìn)入一個(gè)具有以高功率光纖放大器峰值增益波長為中 心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[5]進(jìn)行光譜整形；光譜整形后的種子激光脈沖與一個(gè)泵浦激光和信號激光合波器[6]的信號輸入端光 纖通過低損耗熔接連接，合波器的功能是將泵浦激光[41，42]和種子激光共同耦合進(jìn)增益 光纖中；光纖耦合的泵浦激光[41，42]與合波器[6]的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連接，泵 浦激光進(jìn)入到合波器輸出端光纖中，泵浦激光在增益光纖中產(chǎn)生激光放大增益；合波器輸出端光纖與一段增益光纖[7]通過低損耗熔接連接，增益光纖在泵浦激光的 作用下在種子激光波長處產(chǎn)生激光增益形成激光放大；第二對泵浦激光器[43，44]與第二個(gè)合波器[61]的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連 接，將泵浦激光[43，44]從增益光纖[7]的另一端輸入到增益光纖中，第二對泵浦激光器 [43，44]的作用是增加泵浦功率從而提高光纖放大器的增益，增大輸出激光功率；經(jīng)過高功率光纖激光放大器放大的激光脈沖通過合波器[6]后再通過一個(gè)輸出耦合透鏡[8]準(zhǔn)直耦合輸出；準(zhǔn)直后的放大激光脈沖進(jìn)入一對標(biāo)準(zhǔn)的平行衍射光柵壓縮器[11，12，9，10]后產(chǎn)生壓 縮的激光脈沖輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，其特征 在于它的結(jié)構(gòu)包括一臺寬帶鎖模激光器[1]輸出的飛秒激光脈沖進(jìn)入光脈沖展寬器和激光脈沖選擇器 [2]產(chǎn)生激光脈沖啁啾，光脈沖時(shí)域展寬，重復(fù)頻率降低；啁啾的低重復(fù)頻率激光脈沖通過第一個(gè)光纖耦合的隔離器[31]，隔離器的功能是隔離 后續(xù)高功率放大器與前級飛秒激光脈沖種子光源，防止逆向放大激光信號對前級種子激光 光源系統(tǒng)的破壞；經(jīng)過隔離器后的種子激光脈沖進(jìn)入第一個(gè)以超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大 器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[51]進(jìn)行光譜整形；光譜整形后的種子激光脈沖與一個(gè)泵浦激光/信號激光合波器[61]的信號輸入端光 纖通過低損耗熔接連接，合波器的功能是將泵浦激光[41]和種子激光信號耦合進(jìn)增益光 纖中；光纖耦合的泵浦激光[41]與合波器的泵浦激光輸入端光纖通過熔接連接，泵浦激光 進(jìn)入合波器輸出端光纖中在增益光纖中產(chǎn)生激光增益；合波器輸出端光纖與一段增益光纖[71]通過低損耗熔接連接，增益光纖在泵浦激光 作用下在種子激光波長處產(chǎn)生激光增益形成激光放大；第二個(gè)光纖耦合的隔離器[32]的輸入端光纖與增益光纖[71]輸出端通過低損耗熔接 連接，隔離器的功能是防止逆向放大激光信號對前級放大器系統(tǒng)的破壞；隔離器[32]的輸出端光纖與第二個(gè)凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[52]的輸 入端光纖通過低損耗的熔接連接，通過隔離器[32]的光脈沖進(jìn)入到第二個(gè)以超短激光脈 沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾 波器[52]進(jìn)行光譜整形；整形后的激光脈沖通過合波器[62]后進(jìn)入增益光纖[72]進(jìn)行放大； 光纖耦合的泵浦激光器[42，43]與合波器[62]通過熔接連接將泵浦激光輸入到增益 光纖[72]中產(chǎn)生激光放大增益；隔離器[33]的輸入端光纖與增益光纖[72]的輸出端通過低損耗熔接連接，經(jīng)過第二 級光纖放大器放大后的激光脈沖通過隔離器[33]后進(jìn)入第三個(gè)以超短激光脈沖輸出的光 纖啁啾脈沖放大器峰值增益波長為中心的凹型衰減的長周期光纖光柵光譜濾波器[53]進(jìn) 行光譜整形；長周期光纖光柵光譜濾波器[53]的輸出端光纖與第三段增益光纖[73]通過低損耗熔 接連接，整形后的激光脈沖進(jìn)入增益光纖中進(jìn)行放大；光纖耦合的泵浦激光[44，45，46，47，48，49]與合波器[63]的泵浦激光輸入端通過熔 接連接將泵浦激光輸入到增益光纖[73]中產(chǎn)生增益；經(jīng)過第三級光纖放大器放大的激光脈沖通過合波器[63]后再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡[8]準(zhǔn)直 耦合輸出；準(zhǔn)直后的放大激光脈沖進(jìn)入一對標(biāo)準(zhǔn)的平行衍射光柵壓縮器[11，12，9，10]后輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超短激光脈沖輸出的光纖啁啾脈沖放大器，具有高脈沖重復(fù)率、高功率、超短激光脈沖輸出，屬光信息技術(shù)領(lǐng)域。它利用光纖型凹型衰減的長周期光纖光柵作為高功率啁啾飛秒激光脈沖放大器種子激光脈沖或前級放大器放大后激光脈沖的光譜整形元件，消除了高功率飛秒啁啾激光脈沖光纖放大器中放大過程中產(chǎn)生的增益光譜窄化效應(yīng)，從而增大了放大后激光脈沖的光譜帶寬，壓縮后可以得到的脈沖寬度更窄、峰值功率更高的激光脈沖。這種高重復(fù)率、高功率、結(jié)構(gòu)簡單、高效率的可以全光纖化的高功率啁啾飛秒激光脈沖放大器適用半導(dǎo)體器件、金屬材料精密加工、精密光刻、激光核聚變等工業(yè)領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)成像等基礎(chǔ)科學(xué)研究。
文檔編號G02B6/02GK101881919SQ20101018909
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者余建軍, 劉東峰, 朱曉軍, 王欽華 申請人:蘇州大學(xué)