基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法及裝置制造方法
【專利摘要】基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法，首先產(chǎn)生寬帶線性啁啾激光脈沖，然后調(diào)整其中心波長(zhǎng)長(zhǎng)于光纖放大器摻雜的增益離子的本征發(fā)射譜線峰值波長(zhǎng)。隨后選取增益系數(shù)譜線均呈現(xiàn)下三角形狀的前置放大器，對(duì)線性啁啾激光脈沖進(jìn)行增益放大，得到增益窄化的下三角形啁啾脈沖。最后選取主放大器，主放大器的增益光纖長(zhǎng)度是前置放大器的1～3倍，增益譜線中心波長(zhǎng)長(zhǎng)于前置放大器，將下三角形啁啾脈沖注入主放大器，形成超高斯形脈沖。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置包括光纖飛秒激光振蕩器(9-1)、色散補(bǔ)償器(9-2)、光纖自相似脈沖放大器(9-3)、正色散光纖脈沖展寬器(9-4)、頻譜濾波器(10)、至少一級(jí)前置光纖放大器(11)和主光纖放大器(12)。
【專利說明】基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超快激光【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高功率高信噪比寬帶超高斯脈沖產(chǎn)生方 法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖超短脈沖激光系統(tǒng)可以輸出高平均功率、高重復(fù)頻率的飛秒級(jí)（fs，l(T15 s) 激光脈沖，同時(shí)具有優(yōu)異的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，已經(jīng)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域獲得廣泛 研究，成為物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，新一代同步光源、慣性約束核聚變等大科學(xué)工程，高精密 光學(xué)測(cè)量，生物醫(yī)學(xué)成像，超精密外科手術(shù)以及微納米工業(yè)加工等領(lǐng)域研究的有力工具。與 以鈦寶石為代表的塊狀固體激光系統(tǒng)相比，高功率的光纖激光器還具有價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單緊湊，易操作等突出優(yōu)勢(shì)，更適合實(shí)際應(yīng)用。但是，光纖細(xì)長(zhǎng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所帶來的非線性 效應(yīng)增強(qiáng)，使得光纖飛秒激光系統(tǒng)輸出的脈沖能量、脈沖寬度以及峰值功率指標(biāo)都落后于 鈦寶石系統(tǒng)。近幾年，摻鐿光纖啁啾脈沖放大（CPA)系統(tǒng)泵浦的光學(xué)參量放大（0ΡΑ)技術(shù) 在輸出高平均功率、窄脈沖寬度、高峰值功率、高重復(fù)頻率以及波長(zhǎng)可調(diào)諧的飛秒激光脈沖 方面表現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)，而且相比于固體激光泵浦系統(tǒng)，光纖系統(tǒng)的緊湊結(jié)構(gòu)更能滿足基礎(chǔ) 科學(xué)研究及工業(yè)加工等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，具有平頂?shù)某咚箷r(shí)域形狀的泵浦光脈沖可有效 提高0ΡΑ過程的轉(zhuǎn)換效率和增益帶寬。
[0003] 近年來，諸如液晶空間光相位調(diào)制器（LC-SLM)、電光調(diào)制器（Ε0Μ)、聲光可編程色 散濾波器（A0PDF)等多種主動(dòng)脈沖整形系統(tǒng)已經(jīng)被用于光纖放大系統(tǒng)，或抑制納秒（ns， 1〇_ 9 s)級(jí)超高斯脈沖在光纖放大器增益飽和作用下的脈沖變形，或補(bǔ)償寬帶脈沖在增益窄 化作用下的脈沖畸變和非線性相位積累，在產(chǎn)生高功率平頂激光脈沖以及消除去啁啾脈沖 基底等方面取得了顯著成果。但是，這種通過引入附加無源分立元件的主動(dòng)脈沖整形方法， 不僅能承受的入射光平均功率較低，頻譜寬度有限，而且為放大系統(tǒng)帶來了額外的功率損 耗和帶寬損失，并不利于高功率高信噪比的寬帶脈沖輸出。除此之外，此類整形系統(tǒng)所采用 的反饋控制算法大都比較復(fù)雜，系統(tǒng)占用空間大，光路調(diào)節(jié)困難，極大的增加了系統(tǒng)成本和 復(fù)雜性，由此也喪失了光纖飛秒激光放大系統(tǒng)最主要的優(yōu)勢(shì)，不利于實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 因此，不引入任何附加整形元件，直接從光纖放大器獲得高功率O100W)高信噪 比（>40dB)的寬帶（>20nm)超高斯脈沖，對(duì)于光纖CPA系統(tǒng)泵浦的0ΡΑ技術(shù)發(fā)展具有重要 意義，是突破光纖飛秒激光放大系統(tǒng)輸出脈沖寬度和峰值功率瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于增益整形的高 功率高信噪比寬帶超高斯脈沖產(chǎn)生方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，不需要分立主動(dòng)脈沖整形系 統(tǒng)，無附加功率損耗和帶寬損失，操作簡(jiǎn)單，方便擴(kuò)展為多級(jí)放大結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高功率和 高信噪比的寬帶超高斯脈沖輸出。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法，包括如下步 驟：
[0007] (1)產(chǎn)生帶寬大于20nm的線性啁啾激光脈沖；
[0008] (2)調(diào)整所述線性啁啾激光脈沖的中心波長(zhǎng)，使其長(zhǎng)于光纖放大器摻雜的增益離 子的本征發(fā)射譜線的峰值波長(zhǎng)；
[0009] (3)選取至少一個(gè)光纖放大器作為一級(jí)前置放大器，調(diào)整各級(jí)前置放大器的增益 光纖長(zhǎng)度和泵浦光功率，使得各前置放大器的增益系數(shù)譜線均呈現(xiàn)下三角形狀；
[0010] (4)將調(diào)整中心波長(zhǎng)后的線性啁啾激光脈沖順序通過各級(jí)前置放大器，利用前置 放大器自身的增益整形作用，改變調(diào)整中心波長(zhǎng)后的線性啁啾激光脈沖的頻域和時(shí)域形 狀，得到增益窄化的下三角形啁啾脈沖；
[0011] (5)選取一個(gè)光纖放大器作為主放大器，調(diào)整主放大器的增益光纖長(zhǎng)度，使得主光 纖放大器的增益光纖長(zhǎng)度是前置放大器光纖長(zhǎng)度的1?3倍，同時(shí)調(diào)整主放大器的泵浦光 功率，使得主放大器的增益譜線中心波長(zhǎng)長(zhǎng)于前置放大器的增益譜線中心波長(zhǎng)；
[0012] (6)將所述增益窄化的下三角形脈沖注入主放大器，利用主放大器的增益整形作 用，對(duì)所述下三角形啁啾脈沖進(jìn)行功率放大和脈沖整形，形成超高斯形脈沖。
[0013] 所述的增益離子為鐿離子。所述的線性啁啾激光脈沖的中心波長(zhǎng)為1040? 1060nm。所述的前置放大器的增益光纖長(zhǎng)度為1. 5m?2. 0m。
[0014] 基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，包括光纖飛秒激光振蕩器、色散補(bǔ)償器、光 纖自相似脈沖放大器、正色散光纖脈沖展寬器、頻譜濾波器、至少一級(jí)前置光纖放大器和主 光纖放大器，其中前置光纖放大器的增益系數(shù)譜線呈現(xiàn)下三角形狀，主光纖放大器的增益 光纖長(zhǎng)度是前置光纖放大器的增益光纖長(zhǎng)度的1?3倍，同時(shí)主光纖放大器的增益譜線中 心波長(zhǎng)長(zhǎng)于前置光纖放大器的增益譜線中心波長(zhǎng)；光纖飛秒激光振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的耗散 孤子脈沖序列，色散補(bǔ)償器調(diào)整耗散孤子脈沖序列的脈沖寬度和啁啾，光纖自相似脈沖放 大器對(duì)調(diào)整脈沖寬度和啁啾后的耗散孤子脈沖序列進(jìn)行光譜展寬和功率放大，形成拋物線 形的線性啁啾脈沖，正色散光纖脈沖展寬器對(duì)拋物線形的線性啁啾脈沖在時(shí)域進(jìn)行展寬， 生成待整形的大線性啁啾激光脈沖；頻譜濾波器調(diào)整大線性啁啾激光脈沖的中心波長(zhǎng)，使 其長(zhǎng)于光纖放大器摻雜增益離子本征發(fā)射譜線的峰值波長(zhǎng)，并初整脈沖形狀為近超高斯形 狀，前置光纖放大器對(duì)近超高斯形狀的脈沖進(jìn)行增益放大，輸出增益窄化的下三角形啁啾 脈沖，主光纖放大器對(duì)下三角形啁啾脈沖再次進(jìn)行增益放大，輸出超高斯形脈沖。
[0015] 所述的光纖飛秒激光振蕩器為光纖孤子鎖模激光器，光纖呼吸孤子鎖模激光器， 或者光纖耗散孤子鎖模激光器。所述的色散補(bǔ)償器為光柵對(duì)或負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器。所 述的光纖自相似脈沖放大器為摻鐿光纖自相似脈沖放大器。所述的正色散光纖脈沖展寬器 為正色散普通光纖或光子晶體光纖。所述的前置光纖放大器或者主光纖放大器為摻鐿光纖 放大器。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] (1)本發(fā)明方法及裝置直接利用光纖放大器自身的增益整形作用，不需要任何 附加的分立主動(dòng)脈沖整形系統(tǒng)，因此不引入額外的功率損耗和頻譜帶寬損失，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 操作方便，運(yùn)行成本低，方便擴(kuò)展為多級(jí)放大結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生高功率O100W)和高信噪比 (>40dB)的寬帶（>20nm)超高斯脈沖；
[0018] (2)本發(fā)明裝置中，首先由光纖飛秒激光振蕩器產(chǎn)生孤子脈沖序列，再由光纖自相 似放大器生成帶有線性啁啾的拋物線脈沖，不僅放大了孤子脈沖功率，而且展寬并優(yōu)化了 孤子脈沖光譜，由此降低了系統(tǒng)對(duì)光纖飛秒激光振蕩器輸出脈沖質(zhì)量和功率的高要求，降 低了系統(tǒng)的噪聲，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時(shí)自相似放大脈沖的拋物線形狀也避免了采用 光纖作為脈沖展寬器時(shí)引入非線性啁啾的風(fēng)險(xiǎn)，有利于系統(tǒng)的全光纖化和小型化，可以提 供光譜平滑的寬帶大線性啁啾激光脈沖；
[0019] (3)本發(fā)明方法及裝置對(duì)于高脈沖能量下的增益飽和情況也仍然適用，此時(shí)脈沖 前沿將獲得比后沿高的增益。對(duì)于正啁啾脈沖，長(zhǎng)波長(zhǎng)部分將獲得比短波長(zhǎng)部分更大的增 益，當(dāng)前置放大級(jí)輸出增益窄化的下三角形脈沖時(shí)，增益飽和帶來的偏向長(zhǎng)波的主放大器 增益中心，依舊可以將下三角形脈沖整形為寬帶超高斯脈沖，能夠產(chǎn)生高能量（毫焦耳量 級(jí)）的寬帶超高斯脈沖；
[0020] (4)本發(fā)明提供的方法及裝置，可以直接從光纖放大器輸出高功率高信噪比的寬 帶線性啁啾超高斯脈沖，作為泵浦光脈沖可有效提高0ΡΑ過程的轉(zhuǎn)換效率和增益帶寬，減 小增益窄化效應(yīng)，獲得更窄的飛秒激光脈沖和更寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，提升0ΡΑ系統(tǒng)的輸出 性能指標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)0ΡΑ系統(tǒng)的光纖化和小型化；
[0021] (5)本發(fā)明方法及裝置可以在獲得高增益和信噪比的同時(shí)恢復(fù)初始脈沖光譜寬 度，因此還可以用于減小增益窄化效應(yīng)對(duì)光纖CPA系統(tǒng)輸出飛秒激光脈沖光譜寬度、脈沖 能量和脈沖寬度的限制，在提高光纖CPA系統(tǒng)放大增益的同時(shí)獲得高重復(fù)頻率、高峰值功 率的飛秒激光脈沖。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4為數(shù)值模擬的本發(fā)明實(shí)施例前置放大器在高增益狀態(tài)下的增益譜線和輸出 下三角形脈沖光譜。圖中：17為前置放大器增益譜線，18為輸入的超高斯脈沖光譜，19為 放大輸出的下三角形脈沖光譜；
[0026] 圖5為數(shù)值模擬的本發(fā)明實(shí)施例主放大器輸出的寬帶線性啁啾超高斯脈沖光譜 和對(duì)應(yīng)的主放大器增益譜線。圖中：20為后置主放大器增益譜線，21為輸入的下三角形脈 沖光譜，22為放大輸出的超高斯脈沖光譜。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 本發(fā)明方法直接利用光纖放大器自身的增益整形作用，通過調(diào)節(jié)各級(jí)放大器的增 益光纖長(zhǎng)度和泵浦功率，控制各級(jí)放大器的增益系數(shù)譜線形狀，進(jìn)而改變寬帶大啁啾激光 脈沖的頻域和時(shí)域形狀。當(dāng)各前置放大級(jí)工作在高增益狀態(tài)時(shí)，輸出增益窄化的下三角形 脈沖，在增益光纖長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)的后置放大級(jí)中可以通過控制泵浦功率，獲得高增益和高 輸出信噪比的超高斯形脈沖。
[0028] 光纖放大器作為被動(dòng)脈沖整形器，具有可調(diào)諧的透過率曲線和增益，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的 光纖放大器小信號(hào)增益譜& ( λ )具有如下表達(dá)式：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 產(chǎn)生帶寬大于20nm的線性啁啾激光脈沖； (2) 調(diào)整所述線性啁啾激光脈沖的中心波長(zhǎng)，使其長(zhǎng)于光纖放大器摻雜的增益離子的 本征發(fā)射譜線的峰值波長(zhǎng)； (3) 選取至少一個(gè)光纖放大器作為一級(jí)前置放大器，調(diào)整各級(jí)前置放大器的增益光纖 長(zhǎng)度和泵浦光功率，使得各前置放大器的增益系數(shù)譜線均呈現(xiàn)下三角形狀； (4) 將調(diào)整中心波長(zhǎng)后的線性啁啾激光脈沖順序通過各級(jí)前置放大器，利用前置放大 器自身的增益整形作用，改變調(diào)整中心波長(zhǎng)后的線性啁啾激光脈沖的頻域和時(shí)域形狀，得 到增益窄化的下三角形啁啾脈沖； (5) 選取一個(gè)光纖放大器作為主放大器，調(diào)整主放大器的增益光纖長(zhǎng)度，使得主光纖放 大器的增益光纖長(zhǎng)度是前置放大器光纖長(zhǎng)度的1?3倍，同時(shí)調(diào)整主放大器的泵浦光功率， 使得主放大器的增益譜線中心波長(zhǎng)長(zhǎng)于前置放大器的增益譜線中心波長(zhǎng)； (6) 將所述增益窄化的下三角形脈沖注入主放大器，利用主放大器的增益整形作用，對(duì) 所述下三角形啁啾脈沖進(jìn)行功率放大和脈沖整形，形成超高斯形脈沖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于：所述的 增益離子為鐿離子。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于：所述的 線性啁啾激光脈沖的中心波長(zhǎng)為1040?1060nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生方法，其特征在于：所述的 前置放大器的增益光纖長(zhǎng)度為1. 5m?2. 0m。
5. 基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于包括：光纖飛秒激光振蕩器 (9-1)、色散補(bǔ)償器（9-2)、光纖自相似脈沖放大器（9-3)、正色散光纖脈沖展寬器（9-4)、頻 譜濾波器（10)、至少一級(jí)前置光纖放大器（11)和主光纖放大器（12)，其中前置光纖放大器 (11)的增益系數(shù)譜線呈現(xiàn)下三角形狀，主光纖放大器（12)的增益光纖長(zhǎng)度是前置光纖放 大器（11)的增益光纖長(zhǎng)度的1?3倍，同時(shí)主光纖放大器（12)的增益譜線中心波長(zhǎng)長(zhǎng)于 前置光纖放大器（11)的增益譜線中心波長(zhǎng)；光纖飛秒激光振蕩器（9-1)產(chǎn)生穩(wěn)定的耗散孤 子脈沖序列，色散補(bǔ)償器（9-2)調(diào)整耗散孤子脈沖序列的脈沖寬度和啁啾，光纖自相似脈 沖放大器（9-3)對(duì)調(diào)整脈沖寬度和啁啾后的耗散孤子脈沖序列進(jìn)行光譜展寬和功率放大， 形成拋物線形的線性啁啾脈沖，正色散光纖脈沖展寬器（9-4)對(duì)拋物線形的線性啁啾脈沖 在時(shí)域進(jìn)行展寬，生成待整形的大線性啁啾激光脈沖；頻譜濾波器（10)調(diào)整大線性啁啾激 光脈沖的中心波長(zhǎng)，使其長(zhǎng)于光纖放大器摻雜增益離子本征發(fā)射譜線的峰值波長(zhǎng)，并初整 脈沖形狀為近超高斯形狀，前置光纖放大器（11)對(duì)近超高斯形狀的脈沖進(jìn)行增益放大，輸 出增益窄化的下三角形啁啾脈沖，主光纖放大器（12)對(duì)下三角形啁啾脈沖再次進(jìn)行增益 放大，輸出超高斯形脈沖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述的 光纖飛秒激光振蕩器（9-1)為光纖孤子鎖模激光器，光纖呼吸孤子鎖模激光器，或者光纖 耗散孤子鎖模激光器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述的 色散補(bǔ)償器（9-2)為光柵對(duì)或負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述的 光纖自相似脈沖放大器（9-3)為摻鐿光纖自相似脈沖放大器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述的 正色散光纖脈沖展寬器（9-4)為正色散普通光纖或光子晶體光纖。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于增益整形的超高斯脈沖產(chǎn)生裝置，其特征在于：所述的 前置光纖放大器（11)或者主光纖放大器（12)為摻鐿光纖放大器。
【文檔編號(hào)】H01S3/10GK104158075SQ201410381723
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】王思佳 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院