本發(fā)明涉及超短脈沖激光和非線性光學領域，具體涉及一種高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，隨著光纖器件和增益光纖制作水平的不斷提升，基于雙包層摻雜光纖的脈沖放大系統(tǒng)迅速發(fā)展，單模光纖輸出連續(xù)光功率可達10kw量級，基于光纖結構的飛秒啁啾脈沖放大系統(tǒng)已經獲得了單脈沖能量5.7mj，脈沖寬度200fs，脈沖平均功率230w的激光輸出。在高功率超短脈沖放大系統(tǒng)中，增益窄化效應和高階色散失配是限制激光脈沖寬度進一步窄化的主要原因。其中，光纖自身的高階色散，啁啾脈沖形狀畸變，殘余的三階色散直接影響飛秒脈沖的質量。在啁啾脈沖放大系統(tǒng)中，通常采用光纖展寬器、光柵展寬器、啁啾光纖光柵展寬器等。其中光柵展寬器的設計復雜，價格昂貴，體積較大，難以滿足科研和工業(yè)生產的需要。而光纖展寬器的價格便宜，但是光纖本身的三階色散與光柵壓縮器的相同，導致殘余三階色散無法得到補償。雖然，已經有多家公司成功設計了三階色散補償?shù)膯文９饫w，但是過小的纖芯直徑限制了這種光纖的應用。啁啾光纖光柵作為結合了光柵展寬器和光纖展寬器的優(yōu)勢，是一種具有廣闊發(fā)展前景的展寬器件，但是現(xiàn)階段面臨制作難度大，反射率與反射帶寬無法同時兼顧的技術問題。

針對三階色散失配的問題，多種三階色散壓縮器被設計出來，用于補償展寬器引入的三階色散。其中最具代表性的就是啁啾鏡和棱鏡-光柵(棱柵)。相比使用棱鏡作為壓縮器，啁啾鏡的使用更為簡單，但是色散補償量依舊有限。而結合了光柵和棱鏡的棱柵既能夠補償由展寬器引入的二階色散，還能夠通過更換棱鏡的參數(shù)調節(jié)三階色散，達到補償高階色散的目的。

光纖中的光譜展寬是基于光纖本身的非線性效應。利用高功率的窄帶脈沖光源激發(fā)光纖中諸如自相位調制、光孤子、四波混頻以及受激拉曼散射等效應共同作用，可以獲得十倍百倍于泵浦光源譜寬的超連續(xù)譜。超連續(xù)譜的展寬程度取決于泵浦激光波長、功率、以及光子晶體光纖長度。采用皮秒脈沖光源激發(fā)高非線性的光子晶體光纖是獲得超連續(xù)譜的有效手段。但是，皮秒光源較寬的脈沖寬度導致所需泵浦功率增加，容易造成光子晶體光纖的端面損傷，對其端面處理要求較為苛刻；采用皮秒光源會極大地削弱超連續(xù)譜與泵浦光源的相干性，甚至使其完全退化；另一方面，皮秒光源二階三階色散量大，啁啾參數(shù)復雜，這些特性同樣會傳遞到超連續(xù)譜光脈沖中，甚至惡化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)。

本發(fā)明提供了一種高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)，具有這樣的特征，包括：脈沖振蕩器，用于產生皮秒量級的種子脈沖；光纖預放大器，將種子脈沖進行第一次功率放大；光纖主放大器，對光纖預放大器輸出的第一次放大的脈沖進行第二次功率放大；以及高階色散補償及光譜展寬器，對光纖主放大器輸出的第二次放大的脈沖進行高階色散補償和光譜拓展，獲得飛秒激光脈沖，其中，高階色散補償及光譜展寬器包含按照光路順序依次設置的第一準直透鏡、二分之一波片、第一反射鏡、第一衍射光柵、第一衍射棱鏡、第二衍射棱鏡、第二衍射光柵、直角鏡、第二反射鏡、高功率空間隔離器、耦合透鏡、光子晶體光纖、第二準直透鏡，第一準直透鏡和第二準直透鏡用于將接收的脈沖準直到自由空間，二分之一波片通過旋轉以改變脈沖的偏振角度，第一反射鏡和第二反射鏡用于改變脈沖方向，第一衍射光柵和第二衍射光柵平行設置，通過改變第一衍射光柵和第二衍射光柵的距離對脈沖的不同頻率成分在空間中的光程差進行補償，實現(xiàn)脈沖色散補償，第一衍射棱鏡和第二衍射棱鏡平行設置，通過位置的調節(jié)將脈沖進行高階色散補償，獲得超短脈沖，直角鏡用于改變脈沖的方向，使脈沖返回，高功率空間隔離器用于確保脈沖單向傳輸，耦合透鏡用于將脈沖耦合到高非線性光子晶體光纖，高非線性光纖受脈沖激發(fā)，產生非線性效應，輸出飛秒激光脈沖。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，高階色散為二階色散和三階色散。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，脈沖振蕩器為被動鎖模光纖激光器，具有：ld泵浦、可飽和吸收鏡、增益光纖、波分復用器、光纖布拉格光柵以及光纖分束器，ld泵浦作為脈沖振蕩器的泵浦源，用于產生泵浦脈沖，可飽和吸收鏡用于反射強光、吸收弱光以實現(xiàn)鎖模，光纖分束器將接收的脈沖分為兩路光束，將其中一路光束作為種子脈沖輸出，另一路光束作為監(jiān)測信號輸出。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，光纖分束器的分束比為90:10，將90％的一路光束作為種子脈沖輸出，10％的一路光束作為監(jiān)測信號輸出。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，光纖預放大器為單級光纖放大器或多級光纖放大器。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，光纖主放大器為多模光纖放大器或光子晶體光纖放大器。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，第一準直透鏡的焦距為18mm，鏡面直徑12.7mm，第二準直透鏡的焦距為4mm，鏡面直徑12.7mm。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，第一反射鏡和第二反射鏡的任意一單面均鍍1020nm～1100nm反射膜以及976nm增透膜，與接收的對應脈沖均呈45°設置。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，第一衍射光柵和第二衍射光柵的工作波長均為1064nm，littrow角均為41.7°。

在本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，第一衍射棱鏡和第二衍射棱鏡的工作波長均為1064nm，brewster角均為59.7°。

發(fā)明的作用與效果

本發(fā)明提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)由于包括脈沖振蕩器、光纖預放大器、光纖主放大器以及高階色散補償及光譜展寬器，脈沖振蕩器產生皮秒量級的種子脈沖，光纖預放大器將種子脈沖進行第一次功率放大，光纖主放大器對第一次放大的脈沖進行第二次功率放大，高階色散補償及光譜展寬器對第二次放大的脈沖進行高階色散補償和光譜拓展，獲得飛秒激光脈沖，因此本發(fā)明可以實現(xiàn)高效高質的光參量轉換以及超寬帶飛秒脈沖激光輸出。

此外，本發(fā)明中光纖振蕩器及放大器采用全光纖化光路結構，結構緊湊，體積小巧，穩(wěn)定性高，易于維護，免去復雜的光路準直，且易于搭建。

另外，本發(fā)明中采用全保偏結構搭建系統(tǒng)，確保激光單一線偏振輸出的同時，提高系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力，優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性。

此外，本發(fā)明采用棱柵對實現(xiàn)對信號光的高質量壓縮，有效補償裝置中光纖引入的二階色散、三階色散，獲得近變換極限的飛秒脈沖。

另外，本發(fā)明采用飛秒脈沖激發(fā)高非線性光纖實現(xiàn)光譜拓展，獲得超寬帶飛秒超連續(xù)譜輸出，同時調節(jié)棱柵對間距可以實現(xiàn)對輸出光譜的調諧以及預啁啾補償。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例中高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)的結構簡圖；

圖2是本發(fā)明的實施例中高階色散補償及光譜展寬器的結構示意圖；以及

圖3是本發(fā)明的實施例中高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發(fā)明的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)作具體闡述。

圖1是本發(fā)明的實施例中高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)的結構簡圖；以及圖2是本發(fā)明的實施例中高階色散補償及光譜展寬器的結構示意圖。

如圖1～2所示，本實施例中的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)10包括依照光路順序設置的：脈沖振蕩器100、光纖預放大器200、光纖主放大器300以及高階色散補償及光譜展寬器400。

脈沖振蕩器100為被動鎖模光纖激光器，鎖模原理可采用半導體可飽和吸收鏡鎖模、石墨烯鎖模、非線性偏振旋轉鎖?；蛘叻蔷€性光纖環(huán)鏡鎖模。脈沖振蕩器100包括：第一ld泵浦101、可飽和吸收鏡102、第一增益光纖103、第一波分復用器104、光纖布拉格光柵105以及光纖分束器106。在本實施例中以上各光纖器件均為保偏器件，采用保偏熔接機實現(xiàn)低損耗熔接，熔接損耗小于0.1db。

脈沖振蕩器100用于產生種子脈沖，記為信號光ω0。信號光ω0的平均功率為20毫瓦左右，對應單脈沖能量為亞納焦到幾個納焦，脈沖寬度為皮秒量級。在本實施例中的脈沖振蕩器100采用半導體可飽和吸收鏡實現(xiàn)鎖模，信號光ω0的重復頻率為20mhz，中心波長為1064nm，平均輸出功率為20mw，光譜寬度小于1nm，脈沖寬度9ps。

第一ld泵浦101作為脈沖振蕩器100的泵浦源，在本實施例中第一ld泵浦101采用單模光纖耦合的半導體激光器，產生的泵浦激光的中心波長為976nm，最高輸出光功率為500mw。

可飽和吸收鏡102采用半導體材料制作的帶尾纖可飽和吸收鏡。該帶尾纖可飽和吸收鏡具有對強光反射、弱光吸收的特性，是鎖模脈沖形成的關鍵器件，其工作波長為1064nm。

第一增益光纖103采用纖芯摻雜鐿離子的增益光纖。受976nm的泵浦激光激發(fā)后，自發(fā)輻射出1020-1090nm的激光。

第一波分復用器104采用976/1064nm波分復用器。該976/1064nm波分復用器的最高承受功率為300mw。

光纖布拉格光柵105采用1064nm光纖光柵。該1064nm光纖光柵的光柵帶寬為1nm，帶寬范圍內波長脈沖反射率為60％。

光纖分束器106采用分束比90:10的中心波長1064nm的分束器。信號光ω0經過光纖分束器106按比例分為信號光ω1、ω2。90％端輸出信號光ω2用作光纖預放大器200的種子光，10％端輸出信號光ω1作為脈沖振蕩器100輸出信號監(jiān)測。信號光ω1用于實時監(jiān)控脈沖振蕩器100的正常鎖模，并獲得其重復頻率、光譜成分、脈沖寬度等重要信息。

光纖預放大器200為單級或多級光纖放大器，用于實現(xiàn)對信號光ω2的功率提升。光纖預放大器200包括：第二ld泵浦201、光纖隔離器202、第二波分復用器203和第二增益光纖204。在本實施例中以上各光纖器件均為保偏器件，采用保偏熔接機實現(xiàn)低損耗熔接，熔接損耗小于0.1db。

在本實施例中，光纖預放大器200采用單級光纖放大器，基于激光脈沖受激輻射原理將信號光ω2平均功率提升至數(shù)百毫瓦并輸出，輸出的激光脈沖記為信號光ω3。信號光ω3的平均功率為400mw，中心波長為1064nm，光譜寬度小于5nm，其光譜略微展寬的原因是功率提升導致的自相位調制。

第二ld泵浦201作為光纖預放大器200的泵浦源。在本實施例中第二ld泵浦201采用單模光纖耦合的半導體激光器，產生的泵浦激光的中心波長976nm，最高輸出光功率900mw。

光纖隔離器202用于確保信號光ω2單向傳輸，同時抑制后向返回激光，工作波長1064nm，隔離度大于40db，最大承受光功率300mw。

第二波分復用器203采用976/1064nm波分復用器，最高承受功率1w。

第二增益光纖204采用纖芯摻雜鐿離子的增益光纖，受976nm的泵浦激光激發(fā)后，自發(fā)輻射出1020-1090nm的激光。

光纖主放大器300為采用高摻雜增益光纖實現(xiàn)的多模光纖放大器或光子晶體光纖放大器，對信號光ω3進行功率提升。光纖主放大器300包括：第三ld泵浦301、第四ld泵浦302、高功率隔離器303、合束器304以及第三增益光纖305。在本實施例中以上各光纖器件均為保偏器件，采用保偏熔接機實現(xiàn)低損耗熔接，熔接損耗小于0.1db。

在本實施例中光纖主放大器300采用大模場光子晶體光纖放大器，可以有效抑制高功率放大過程中非線性相位累積造成的光譜和脈沖畸變。信號光ω3在光纖放大器300中平均功率提升至瓦量級或更高，記為信號光ω4。信號光ω4的中心波長為1064nm，脈沖寬度小于20ps，光譜寬度大于15nm，ω4的平均功率視第三ld泵浦301輸出泵浦功率而定，最高可達20w。

第三ld泵浦301和第四ld泵浦302均采用多模光纖耦合的半導體激光器，產生的泵浦激光的中心波長為976nm，最高輸出光功率27w。

高功率隔離器303用于確保信號光ω3單向傳輸，同時抑制后向返回激光，其工作波長1064nm，隔離度大于40db，最大承受光功率2w。

合束器304為泵浦信號合束器，泵浦端連接第三ld泵浦301和第四ld泵浦302，信號端連接高功率隔離器303，輸出端連接增益光纖305，其泵浦端單臂最高承受光功率30w。

第三增益光纖305為光子晶體增益光纖，在本實施例中采用纖芯摻雜鐿離子的保偏雙包層光子晶體光纖，纖芯直徑14um，內包層直徑135um，較大的纖芯直徑能夠有效抑制放大過程中非線性相位累積導致的光譜及脈沖畸變；雙包層結構使泵浦光在纖芯和內包層之間穿梭，極大地提高摻雜離子對泵浦光的吸收效率，提高放大效率；光子晶體的結構則確保信號光在光纖中始終保持單模傳輸，輸出光斑模式為基橫模，確保輸出光束質量，同時抑制模式色散。

高階色散補償及光譜展寬器400用于脈沖壓縮以及高階色散補償，以及實現(xiàn)光譜拓展，獲得超寬帶飛秒激光脈沖。高階色散補償及光譜展寬器400包括用于脈沖壓縮以及高級色散補償?shù)睦鈻艑陀糜趯崿F(xiàn)光譜拓展，獲得超寬帶飛秒激光脈沖高非線性光纖。棱柵對的選型及位置如下：其中光柵對光柵常數(shù)為1000l/mm，棱鏡對選用材料為sf10的棱鏡；信號光ω4以littrow角入射光柵，經光柵后的衍射光線以brewster角入射棱鏡，棱鏡對和光柵對嚴格平行，入射光線和出射光線平行；高非線性光纖可以為色散平坦的高非線性光纖或高非線性光子晶體光纖，泵浦激光波長位于其零色散點附近或其負色散區(qū)域。信號光ω4經棱柵對壓縮后的飛秒脈沖信號記為ω5，ω5的平均功率可達瓦量級，脈沖寬度小于200fs，脈沖形狀為近gauss線型。通過耦合部件將信號光ω5注入高非線性光纖中可以獲得光譜數(shù)十倍甚至百倍于泵浦光譜寬度的飛秒量級寬帶信號光ω6。

圖3是本發(fā)明的實施例中高階色散補償及光譜展寬器的結構示意圖。

如圖3所示，本實施例中的高階色散補償及光譜展寬器400包括按照光路順序擺放的第一準直透鏡401、二分之一波片402、第一反射鏡403、第一衍射光柵404、第一衍射棱鏡405、第二衍射棱鏡406、第二衍射光柵407、直角鏡408、第二反射鏡409、高功率空間隔離器410、耦合透鏡411、光子晶體光纖412、第二準直透鏡413。

第一準直透鏡401為鍍c類增透膜(1050-1700nm)的消色差透鏡，用于將信號光ω4準直到自由空間中進行脈沖壓縮，該透鏡焦距為18mm，鏡面直徑12.7mm。

二分之一波片402工作波長為1064nm，通過旋轉二分之一波片可以改變棱柵的壓縮效率，原因在于光柵與棱鏡均為偏振敏感器件，改變信號光的偏振角度會影響信號光入射到棱柵時透射光和衍射光的比例，從而改變壓縮效率。

第一反射鏡403為任意單面鍍1020-1100nm反射膜以及976nm增透膜的反射鏡，用于改變信號光反向，反射率大于99％，與信號光成45°設置。

第一衍射光柵404和第二衍射光柵407的工作波長均為1064nm，littrow角均為41.7°，光柵線數(shù)為1000line/mm，衍射效率大于90％，兩個光柵平行設置。其壓縮脈沖原理為：信號光ω4入射到光柵柵區(qū)時發(fā)生衍射，不同頻率的光出射角度不同，導致他們在自由空間中走過的光程不同，信號光在光纖中傳輸時由于色散效應，脈沖被展寬，光柵壓縮則通過改變信號光不同頻率成分在空間中的光程差來補償因為光纖色散導致的脈沖展寬，從而達到壓縮脈沖的效果。

第一衍射棱鏡405和第二衍射棱鏡406的工作波長均為1064nm，brewster角為59.7°，兩個棱鏡平行設置。由于棱鏡特殊的材質，其二階色散和三階色散系數(shù)均與光纖材料相反，且與棱鏡對間距成正比，增大棱鏡間距會線性改變整個裝置的二階和三階色散總量，調節(jié)棱鏡和光柵間距能改變所補償二階和三階色散的比例，合適的棱鏡與光柵間距以及合適的棱柵系統(tǒng)間距能有效地將光纖引入的二階和三階色散總量，同時補償為近零色散，獲得接近變換極限的超短脈沖。

直角鏡408與棱鏡衍射光束方向垂直，將光束向下平移后返回棱柵系統(tǒng)二次壓縮，其工作波長1064nm，反射率大于99％。壓縮后的信號光ω5的中心波長1064nm，脈沖寬度小于200fs，光譜寬度大于15nm，平均功率視第三ld泵浦301和第四ld泵浦302的輸出泵浦功率而定，最高可達10w。

第二反射鏡409也采用任意單面鍍1020-1100nm反射膜以及976nm增透膜的反射鏡，反射率大于99％，與信號光成45°設置。用于改變壓縮后的信號光ω5的方向。

高功率空間隔離器410為在自由空間中使用的光隔離器，其工作中心波長為1064nm，最高承受光功率2w，對回返光的隔離度大于30db，且要求信號光豎直偏振輸入，水平偏振輸出。隔離器的主要作用為確保信號光單向傳輸并抑制后向返回激光。

耦合透鏡411為焦距為4mm的消色差透鏡，透鏡鍍c類增透膜(1050-1700nm)。該透鏡作用為將信號光ω5耦合到高非線性光子晶體光纖412，實現(xiàn)光譜拓展，耦合效率大于40％。

光子晶體光纖412為具有較高非線性系數(shù)的保偏光子晶體光纖。其特征在于非線性系數(shù)為12.4w^-1km^-1，零色散點位于540nm，1064nm波長位于其負色散區(qū)域，同時該光纖采用保偏光子晶體結構，保證產生激光線偏振態(tài)以及單模輸出。高功率信號光ω5入射會激發(fā)其產生強烈的非線性效應，實現(xiàn)高效率、高質量的光譜拓展及寬帶飛秒激光脈沖輸出。

第二準直透鏡413用于將信號光ω6準直輸出到自由空間，是焦距為4mm的消色差透鏡，鏡面直徑12.7mm。信號光ω6的輸出激光波長覆蓋200nm以上，具體光譜范圍及功率視第三ld泵浦301和第四ld泵浦302的泵浦功率而定，脈沖寬度小于500fs。

本實施例的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)10的使用過程如下：

如圖1～3所示，信號光ω0經過脈沖振蕩器100內部光纖分束器106按比例分為信號光ω1、ω2。信號光ω2作為種子脈沖輸入光纖預放大器200；ω1作為監(jiān)測信號。光纖預放大器200將信號光ω2平均功率提升至數(shù)百毫瓦，記為信號光ω3。信號光ω3在光纖放大器300中平均功率提升至瓦量級或更高，記為信號光ω4。信號光ω4進入高階色散補償及光譜展寬器400，經棱柵對壓縮后的飛秒脈沖信號記為ω5。耦合部件將信號光ω5注入高非線性光纖412中可以獲得光譜數(shù)十倍甚至百倍于泵浦光譜寬度的飛秒量級寬帶信號光ω6，信號光ω6，經過第二準直透鏡413準直輸出到自由空間。

實施例的作用與效果

本實施例提供的高階色散補償啁啾光譜展寬系統(tǒng)由于包括脈沖振蕩器、光纖預放大器、光纖主放大器以及高階色散補償及光譜展寬器，脈沖振蕩器產生皮秒量級的種子脈沖，光纖預放大器將種子脈沖進行第一次功率放大，光纖主放大器對第一次放大的脈沖進行第二次功率放大，高階色散補償及光譜展寬器對第二次放大的脈沖進行高階色散補償和光譜拓展，獲得飛秒激光脈沖，因此本實施例可以實現(xiàn)高效高質的光參量轉換以及超寬帶飛秒脈沖激光輸出。

此外，本實施例中光纖振蕩器及放大器采用全光纖化光路結構，結構緊湊，體積小巧，穩(wěn)定性高，易于維護，免去復雜的光路準直，且易于搭建。

另外，本實施例中采用全保偏結構搭建系統(tǒng)，確保激光單一線偏振輸出的同時，提高系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力，優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定性。

此外，本實施例采用棱柵對實現(xiàn)對信號光的高質量壓縮，有效補償裝置中光纖引入的二階色散、三階色散，獲得近變換極限的飛秒脈沖。

另外，本實施例采用飛秒脈沖激發(fā)高非線性光纖實現(xiàn)光譜拓展，獲得超寬帶飛秒超連續(xù)譜輸出，同時調節(jié)棱柵對間距可以實現(xiàn)對輸出光譜的調諧以及預啁啾補償。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。