一種高能量超短脈沖光纖激光器的制造方法
【專利摘要】一種高能量超短脈沖光纖激光器，包括種子脈沖振蕩器(1)、啁啾脈沖展寬器(2)、光纖預放大器(3)、脈沖分離裝置(4)以及非線性放大壓縮器(5)；種子脈沖振蕩器(1)輸出的脈沖經啁啾脈沖展寬器(2)展寬后，經光纖預放大器(3)預放大，再由脈沖分離裝置(4)產生分離脈沖，分離脈沖注入非線性放大壓縮器(5)產生高能分離超短脈沖，再次進入脈沖分離裝置(4)合束后輸出高能超短脈沖激光。本實用新型采用脈沖分離方法實現(xiàn)啁啾脈沖放大和非線性脈沖壓縮的有機融合，既有效避免在脈沖展寬過程中引入過量的高階色散，又有效控制了非線性放大過程中非線性效應；本實用新型通過光學晶體數(shù)量控制脈沖分離，方法簡單易行；本實用新型可適用于多個波段的激光放大。
【專利說明】一種高能量超短脈沖光纖激光器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及激光【技術領域】，特別是一種高能量超短脈沖光纖激光器，具體的是采用分離脈沖結合非線性放大產生高能量超短脈沖激光的光纖激光器。

【背景技術】
[0002]高能超短脈沖在基礎科學研宄、工業(yè)精密制造及空天衛(wèi)星通信方面有著極為重要的應用需求。伴隨著激光技術的不斷革新及應用需求的迅速拓展，光纖激光器以其小型化、便攜式、高能效、免維護的特性進入了應用領域的視野。在光纖激光器的沖擊下，傳統(tǒng)的激光光源，特別是固態(tài)激光器體積大、功耗高的劣勢愈加明顯。但是，固態(tài)激光器在高能量飛秒脈沖激光的產生和應用方面仍然具有重要地位，其重要原因就是除固態(tài)激光器外罕有其它光源能提供單脈沖能量超過lmj，脈沖寬度小于10fs的激光脈沖。
[0003]當前，光纖激光器的輸出指標已在逐步逼近固體激光器，采用啁啾脈沖放大技術，可以獲得較高單脈沖能量的脈沖輸出。如，單脈沖能量2 μ J、脈沖寬度220fs的光纖激光在實驗上獲得證實(131W 220fs fiber laser system.0ptics Letters Vol.30, Iss.20,pp.2754-2756，2005);基于光纖激光繼而實現(xiàn)了單脈沖能量2.2mJ、脈沖寬度為500fs的激光輸出(Fiber chirped-pulse amplificat1n system emitting 3.8GW peak power.0ptics Express Vol.19，Iss.1，pp.255-260，2011)。但米用啁啾脈沖放大技術較難實現(xiàn)10fs以下的脈沖輸出，主要原因有以下兩點。其一，啁啾脈沖放大過程中為了降低高能量脈沖放大過程的非線性效應，在引入大量二階色散的同時會產生過量的難以壓縮的高階色散，而在后續(xù)的脈沖壓縮過程中無法有效的實現(xiàn)色散補償；其二，由于激光放大過程往往伴隨著增益窄化效應，導致放大后的激光光譜相比種子光譜窄了很多，無法支持10fs的脈沖激光輸出。
[0004]為了產生支持10fs脈沖輸出的光譜寬度，克服啁啾脈沖放大過程的高階色散，有效的壓縮脈沖，科研人員又提出了光纖非線性脈沖放大方案。非線性脈沖放大過程與啁啾脈沖放大過程正好相反，不是預先展寬脈沖寬度而克服非線性，而是預先壓縮脈沖寬度并利用非線性。依靠提高進入光纖放大器的注入脈沖的峰值功率，憑借非線性效應(主要是自相位調制效應)極大的拓展放大脈沖的光譜，并采用與啁啾脈沖放大相類似的脈沖壓縮器，實現(xiàn)脈沖壓縮。非線性放大方案在實驗上獲得了單脈沖能量接近I μ J，脈沖寬度 27fs 的脈沖輸出(57W, 27fs pulses from a fiber laser system using nonlinearcompress1n.Applied Physics B，Volume 92, Issue I, pp 9-12,2008)。但是非線性脈沖放大方案也有其自身的弊端，較難實現(xiàn)單脈沖能量超過ImJ的激光輸出。主要原因在于高能超短脈沖放大過程中的高峰值功率脈沖會產生自聚焦、受激拉曼散射、交叉相位調制等除自相位調制效應以外的非線性效應，而這些效應會使脈沖形狀和頻譜發(fā)生畸變，甚至破壞激光放大介質，無法實現(xiàn)高質量的脈沖壓縮。
[0005]綜上所述，目前高能超短脈沖的產生方案皆為啁啾脈沖放大技術或非線性脈沖放大技術，其輸出指標仍需要在大能量或者是短脈沖這兩者之間進行權衡。此外，無論是啁啾脈沖放大或者是非線性脈沖放大，在激光能量放大后都需要額外的空間光學元件(如光柵對、棱鏡對、或者是啁啾鏡)進行色散補償，將脈沖壓縮至飛秒量級。所以，如何將脈沖壓縮器簡化也是光纖激光器技術革新的一個重要課題。


【發(fā)明內容】

[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術在高能超短脈沖光纖放大過程中的不足，即在實現(xiàn)單脈沖能量超過ImJ的同時，又要實現(xiàn)脈沖寬度小于10fs的脈沖輸出，本實用新型提供了一種高能量超短脈沖光纖激光器，以分離脈沖方法為橋梁，實現(xiàn)了啁啾脈沖放大技術和非線性脈沖放大技術的有機融合，能有效的產生高能超短脈沖激光。
[0007]本實用新型的技術方案為:
[0008]一種高能量超短脈沖光纖激光器，包括種子脈沖振蕩器、啁啾脈沖展寬器、光纖預放大器、脈沖分離裝置以及非線性放大壓縮器；其中種子脈沖振蕩器輸出端與啁啾脈沖展寬器的輸入端連接；所述啁啾脈沖展寬器的輸出端連接光纖預放大器，所述啁啾脈沖展寬器引入正啁啾，即引入的色散量為正常色散；所述光纖預放大器的輸出端連接脈沖分離裝置；所述脈沖分離裝置設置有兩個輸出端，其中一個輸出端連接非線性放大壓縮器的輸入端，另一個輸出端為激光器的總輸出端；所述非線性放大壓縮器的輸入端和輸出端為同一端口，其中包含的光纖均為負色散光纖，用于補償啁啾脈沖展寬器和非線性放大過程中產生的正啁啾；
[0009]種子脈沖振蕩器產生初始輸出脈沖A ;啁啾脈沖展寬器用于將初始輸出脈沖A脈沖寬度展寬，產生展寬脈沖B ;光纖預放大器用于將展寬脈沖B進行功率預放大，產生預放大脈沖激光C ;脈沖分離裝置用于將預放大脈沖激光C進行脈沖分離，產生分離脈沖D ;脈沖分離裝置具有兩個輸出端，其中一個輸出端用于輸出分離脈沖D至非線性放大壓縮器，另一個輸出端作為整個高能量超短脈沖光纖激光器總輸出端；非線性放大壓縮器用于將分離脈沖D高功率脈沖放大和脈沖壓縮，產生高能分離超短脈沖E ;非線性放大壓縮器的輸出端與其輸入端為同一端口，高能分離超短脈沖E經由非線性放大壓縮器的輸出端再次進入脈沖分離裝置，實現(xiàn)脈沖合束；最終從脈沖分離裝置總輸出端輸出高能超短脈沖F ;
[0010]優(yōu)選的，所述種子脈沖振蕩器采用非線性偏振旋轉鎖模、可飽和吸收體鎖?；蚴℃it吳脈沖振蕩器；
[0011]優(yōu)選的，所述種子脈沖振蕩器采用非線性偏振旋轉鎖模，包括半導體激光器(LD)、增益光纖(GF)和波分復用器、光隔離器、分束器多功能合一器件(WDM/OI/OC)，所述半導體激光器提供泵浦能量；
[0012]優(yōu)選的，所述啁啾脈沖展寬器為對應于種子脈沖振蕩器的初始輸出脈沖激光波長的正常色散光纖、光子晶體光纖、光纖耦合光柵對或光纖耦合棱鏡對；
[0013]優(yōu)選的，所述光纖預放大器包括光纖親合偏振分束器(F-PBS)、單模光纖放大器(SMFA)和第一法拉第旋光反射鏡(FRM);自所述啁啾脈沖展寬器輸入的展寬脈沖B經所述第一法拉第旋光反射鏡反射兩次經過所述單模光纖放大器，產生的預放大脈沖C經所述光纖耦合偏振分束器輸出；光纖預放大器為雙程增益，使得展寬脈沖B實現(xiàn)光程互補，可降低環(huán)境影響，提尚放大穩(wěn)定性；
[0014]優(yōu)選的，所述脈沖分離裝置包括一對光纖準直器(Col)、半波片(HWP)、偏振分束器(PBS)和級聯(lián)偏振分束晶體(Divider);自所述光纖預放大器輸入的預放大脈沖C依次經過光纖準直器、半波片、偏振分束器、級聯(lián)偏振分束晶體和另一個光纖準直器，輸出分離脈沖D激光；
[0015]優(yōu)選的，所述級聯(lián)偏振分束晶體由雙折射晶體的光學晶體和/或偏振分束立方的光學晶體級聯(lián)組成；
[0016]優(yōu)選的，所述雙折射晶體為礬酸釔晶體；
[0017]優(yōu)選的，所述偏振分束立方分別與直角反射器配合設置，所述級聯(lián)偏振分束晶體由長度依次成倍數(shù)關系的第一雙折射晶體、第二雙折射晶體、第三雙折射晶體以及與直角反射器間隔依次成比例的第一偏振分束立方、第二偏振分束立方、第三偏振分束立方順次級聯(lián)組成；
[0018]脈沖分離裝置依靠光學晶體對不同偏振光的延遲效應產生分離脈沖，通過增加光學晶體數(shù)量，可以有效實現(xiàn)對脈沖分離個數(shù)的控制，進而控制非線性放大壓縮器的非線性效應，實現(xiàn)啁啾脈沖放大技術和非線性脈沖放大技術的有機融合；分離脈沖D中，包含有若干個分離的子脈沖，分離脈沖D中子脈沖具有不同偏振態(tài)；相鄰子脈沖的脈沖間隔由長度最小的雙折射晶體決定，為了更加有效的分離脈沖，可再加入偏振分束立方，兩個偏振方向脈沖延遲差由偏振分束立方和直角反射器的間隔決定；即可產生持續(xù)時間在納秒量級的脈沖串；
[0019]優(yōu)選的，所述非線性放大壓縮器包括非線性放大器和第二法拉第旋光反射鏡，非線性放大器可使用雙包層光纖放大器(DCFA);自所述脈沖分離裝置輸入的分離脈沖D經所述第二法拉第旋光反射鏡反射兩次經過所述非線性放大器，輸出高能分離超短脈沖E ;
[0020]所述的非線性放大壓縮器采用雙程增益結構，輸入的分離脈沖D第一次通過該放大器時產生線性的功率放大和脈沖壓縮，第二次通過該放大器時產生線性的功率放大和非線性脈沖壓縮，路徑對易，光程互補；其中，非線性脈沖壓縮是由激光放大過程中的光譜非線性展寬及放大光纖的負色散導致的脈沖壓縮共同形成；這種分離脈沖放大方法不僅可以克服光纖放大過程中的過量的非線性效應，而且可以有效利用非線性效應克服常規(guī)放大過程中頻譜窄化效應，獲得比注入種子光脈沖更寬的頻譜，進而產生小于10fs的脈沖；輸出的高能分離超短脈沖E在脈沖分離模塊中自動合成一個高能超短脈沖F，最終輸出脈沖小于lOOfs，并不需要額外的色散補償裝置進行脈沖壓縮。
[0021]本實用新型技術方案具有以下技術效果:
[0022]1.本實用新型采用脈沖分離方法，不僅可以有效避免在脈沖展寬過程中引入過量的高階色散，而且可以有效控制非線性放大過程中非線性效應，實現(xiàn)啁啾脈沖放大和非線性脈沖壓縮的有機融合，產生高能超短脈沖；
[0023]2.本實用新型通過采用級聯(lián)的雙折射晶體和偏振分束立方實現(xiàn)脈沖分離；通過增加光學晶體數(shù)量，可以有效實現(xiàn)對脈沖分離個數(shù)的控制，進而控制激光放大過程的非線性演化過程，簡單易行；
[0024]3.本實用新型適用于多個波段的激光放大，僅需要在啁啾脈沖展寬器采用的正常色散介質展寬脈沖，在非線性放大壓縮器采用負色散光纖進行脈沖壓縮。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型激光器工作過程示意圖；
[0026]圖2為本實用新型激光器結構功能示意圖；
[0027]圖3為本實用新型激光器脈沖分離裝置結構示意圖。
[0028]其中:
[0029]1.種子脈沖振蕩器；11.半導體激光器；12.增益光纖；13.波分復用器、光隔離器、分束器多功能合一器件；
[0030]2.啁啾脈沖展寬器；
[0031]3.光纖預放大器；31.光纖親合偏振分束器；32.單模光纖放大器；33.第一法拉第旋光反射鏡；
[0032]4.脈沖分離裝置；41.光纖準直器；42.半波片；43.偏振分束器；44.級聯(lián)偏振分束晶體；441.第一雙折射晶體；442.第二雙折射晶體；443.第三雙折射晶體；444.第一偏振分束立方；445.第二偏振分束立方；446.第三偏振分束立方；447.直角反射器；
[0033]5.非線性放大壓縮器；51.非線性放大器；52.第二法拉第旋光反射鏡；
[0034]A.初始輸出脈沖展寬脈沖；C.預放大脈沖；D.分離脈沖；E.高能分離超短脈沖；F.高能超短脈沖。

【具體實施方式】
[0035]以下結合附圖通過實施例對本實用新型做進一步說明，以便更好地理解本實用新型。
[0036]如圖1所示，高能量超短脈沖光纖激光器包括種子脈沖振蕩器1、啁啾脈沖展寬器2、光纖預放大器3、脈沖分離裝置4以及非線性放大壓縮器5，以上五個部分可組成高能量超短脈沖光纖激光器。
[0037]圖2中所示種子脈沖振蕩器I采用非線性偏振旋轉鎖模的脈沖振蕩器，使用了半導體激光器11、增益光纖12和波分復用器、光隔離器、分束器多功能合一器件13，種子脈沖振蕩器I由半導體激光器11提供泵浦能量。
[0038]啁啾脈沖展寬器2可以是對應于種子脈沖振蕩器I的初始輸出脈沖A激光波長的正常色散光纖、光子晶體光纖、光纖耦合光柵對或者光纖耦合棱鏡對，輸出展寬脈沖B激光。
[0039]光纖預放大器3包含有光纖親合偏振分束器31、單模光纖放大器32和光纖親合的第一法拉第旋光反射鏡33。光纖預放大器3為雙程增益，使得展寬脈沖B前后兩次經過單模光纖放大器32后，通過光纖親合偏振分束器31輸出預放大脈沖C激光。
[0040]光纖預放大器3的輸出端連接有脈沖分離裝置4，用于將預放大脈沖C進行脈沖分離，產生分離脈沖D。
[0041]脈沖分離裝置4包括一對光纖準直器41、一個半波片42、一個偏振分束器43和級聯(lián)偏振分束晶體44 ;脈沖分離裝置4具有兩個輸出端，其中第一輸出端用于輸出分離脈沖D，第二輸出端作為整個高能量超短脈沖光纖激光器最終輸出端，輸出高能超短脈沖F。
[0042]所述的級聯(lián)偏振分束晶體44是由基于雙折射晶體和偏振分束立方的光學晶體級聯(lián)組成，依靠光學晶體對不同偏振光的延遲效應產生分離脈沖；其中雙折射晶體選用礬酸釔晶體。如圖3所示，共級聯(lián)三個雙折射晶體和三個偏振分束立方，分別為第一雙折射晶體441、第二雙折射晶體442、第三雙折射晶體443以及與直角反射器447配合的第一偏振分束立方444、第二偏振分束立方445和第三偏振分束立方446 ；
[0043]依靠調節(jié)半波片42使入射預放大脈沖C激光的偏振方向與雙折射晶體的光軸夾角為與45°，預放大脈沖C分離成ο偏振脈沖和e偏振脈沖，由晶體兩個偏振方向的折射率差異產生脈沖延時。通過級聯(lián)使用三個長度成倍數(shù)關系的雙折射晶體將入射脈沖進行多次分離，相鄰子脈沖的脈沖間隔由長度最小的第一雙折射晶體441決定。為了更加有效的分離脈沖，產生更多個子脈沖，可采用如圖3右側所示的三個偏振分束立方。通過選取合適的入射偏振角度，可以將由雙折射晶體分離的脈沖進一步分離；入射光經由偏振分束立方分為水平偏振和垂直偏振兩個偏振方向。其中水平偏振光無偏折的通過偏振分束立方，而垂直偏振產生90°偏轉，在經由直角反射器與水平偏振光共線匯合。兩個偏振方向脈沖延遲差由偏振分束立方和直角反射器447的間隔決定，這樣即可產生持續(xù)時間在納秒量級的脈沖串；脈沖分離裝置4的輸出端與非線性放大壓縮器5的輸入端相連，用于將分離脈沖D注入非線性放大壓縮器5。
[0044]非線性放大壓縮器5，采用雙程增益結構，即輸入的分離脈沖D第一次通過非線性放大器51后，由第二法拉第反射鏡52反射并第二次通過該放大器。分離脈沖D第一次通過該放大器時進行線性的功率放大和脈沖壓縮，第二次通過該放大器時產生線性的功率放大和非線性脈沖壓縮；其中，非線性脈沖壓縮是由激光放大過程中的光譜非線性展寬及放大光纖的負色散導致的脈沖壓縮共同形成。非線性放大壓縮器5的輸出端與其輸入端為同一端口，高能分離超短脈沖E經由非線性放大壓縮器5的輸出端再次進入脈沖分離裝置4，實現(xiàn)脈沖合束，合成一個高能超短脈沖F激光。
[0045]實施例所述的分離脈沖放大方法不僅可以克服光纖放大過程中的過量的非線性效應，而且可以有效利用非線性效應克服常規(guī)放大過程中頻譜窄化效應，獲得比注入種子光脈沖更寬的頻譜，進而產生小于10fs的脈沖。
[0046]應理解，上述實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于供本領域技術人員了解本實用新型的內容并據以實施，并非【具體實施方式】的窮舉，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:包括種子脈沖振蕩器(I)、啁啾脈沖展寬器⑵、光纖預放大器(3)、脈沖分離裝置(4)以及非線性放大壓縮器(5);其中 所述種子脈沖振蕩器(I)輸出端與啁啾脈沖展寬器(2)的輸入端連接； 所述啁啾脈沖展寬器(2)的輸出端連接光纖預放大器(3)，所述啁啾脈沖展寬器(2)引入正啁啾； 所述光纖預放大器(3)的輸出端連接脈沖分離裝置(4); 所述脈沖分離裝置(4)設置有兩個輸出端，其中一個輸出端連接非線性放大壓縮器(5)的輸入端，另一個輸出端為激光器的總輸出端； 所述非線性放大壓縮器(5)的輸入端和輸出端為同一端口，其中包含的光纖均為負色散光纖。
2.根據權利要求1所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述種子脈沖振蕩器(I)采用非線性偏振旋轉鎖模、可飽和吸收體鎖?；蚴╂i模脈沖振蕩器。
3.根據權利要求2所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述種子脈沖振蕩器(I)采用非線性偏振旋轉鎖模，包括半導體激光器(11)、增益光纖(12)和波分復用器、光隔離器、分束器多功能合一器件(13)，所述半導體激光器(11)提供泵浦能量。
4.根據權利要求1所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述啁啾脈沖展寬器(2)為對應于種子脈沖振蕩器(I)的初始輸出脈沖(A)激光波長的正常色散光纖、光子晶體光纖、光纖耦合光柵對或光纖耦合棱鏡對。
5.根據權利要求1所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述光纖預放大器(3)包括光纖親合偏振分束器(31)、單模光纖放大器(32)和第一法拉第旋光反射鏡(33);自所述啁啾脈沖展寬器(2)輸入的展寬脈沖(B)經所述第一法拉第旋光反射鏡(33)反射兩次經過所述單模光纖放大器(32)，產生的預放大脈沖(C)經所述光纖耦合偏振分束器(31)輸出。
6.根據權利要求1所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述脈沖分離裝置(4)包括一對光纖準直器(41)、半波片(42)、偏振分束器(43)和級聯(lián)偏振分束晶體(44);自所述光纖預放大器(3)輸入的預放大脈沖(C)依次經過光纖準直器(41)、半波片(42)、偏振分束器(43)、級聯(lián)偏振分束晶體(44)和另一個光纖準直器(41)，輸出分離脈沖(D)激光。
7.根據權利要求6所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述級聯(lián)偏振分束晶體(44)由雙折射晶體的光學晶體和/或偏振分束立方的光學晶體級聯(lián)組成。
8.根據權利要求7所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述雙折射晶體為礬酸釔晶體。
9.根據權利要求7所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述偏振分束立方分別與直角反射器(447)配合設置，所述級聯(lián)偏振分束晶體(44)由長度依次成倍數(shù)關系的第一雙折射晶體(441)、第二雙折射晶體(442)、第三雙折射晶體(443)以及與直角反射器(447)間隔依次成比例的第一偏振分束立方(444)、第二偏振分束立方(445)、第三偏振分束立方(446)順次級聯(lián)組成。
10.根據權利要求1至9任一項所述的高能量超短脈沖光纖激光器，其特征在于:所述非線性放大壓縮器(5)包括非線性放大器(51)和第二法拉第旋光反射鏡(52);自所述脈沖分離裝置(4)輸入的分離脈沖(D)經所述第二法拉第旋光反射鏡(52)反射兩次經過所述非線性放大器(51)，輸出高能分離超短脈沖(E)。
【文檔編號】H01S3/067GK204243447SQ201420754791
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權日:2014年12月4日
【發(fā)明者】曾和平, 郝強 申請人:南京朗研光電科技有限公司