本發(fā)明涉及激光技術領域，尤其涉及一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)。

背景技術：

基于全光纖結構的激光器由于具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好、免維護和光束質(zhì)量好等優(yōu)點，因此得到了廣泛的研究。加之此類激光器具有大的表面體積比，散熱性能好，熱光效應引起的光束畸變小，尤其適合高功率激光的輸出，因此采用此種結構已經(jīng)實現(xiàn)了萬瓦級的連續(xù)激光輸出。但是，在超快激光放大中，由于光纖的有限模場面積限制，使得超短激光脈沖在光纖中傳輸時，會產(chǎn)生嚴重的非線性效應，導致脈沖的時域畸變，很難獲得超短脈沖輸出，因此在光纖中通常情況下很難實現(xiàn)高能量的超短脈沖輸出。

但是隨著大模場面積雙包層光纖以及光子晶體光纖的出現(xiàn)，采用啁啾脈沖放大技術，可以在光纖中實現(xiàn)高能量超短脈沖輸出。目前國際上獲得最高輸出能量為2.2mJ，脈寬為500fs的超短脈沖輸出。盡管其獲得了高能量的飛秒激光輸出，但是由于其在啁啾脈沖放大過程中，將脈沖展寬到2ns，并引入了兩級光子晶體增益光纖進行放大，尤其第二級的光子晶體光纖為棒狀光子晶體光纖，不可以彎折，需要嚴密的空間耦合，因而其系統(tǒng)結構復雜，穩(wěn)定性差，成本高，且激光器尺寸很大。與剛性結構的棒狀光子晶體光纖相對應，目前國際上采用單級柔性光子晶體光纖實現(xiàn)的超短脈沖啁啾脈沖放大系統(tǒng)最高的輸出能量為100μJ，所獲得的最短脈寬為650fs。但是，其采用的柔性光子晶體光纖放大級也是采用空間耦合技術來實現(xiàn)的，而且其在放大過程中利用了光柵的三階色散來補償光纖中的非線性，因此需要嚴格的控制，實現(xiàn)難度大。

盡管國外在高能量飛秒光纖激光器方面取得了顯著的進展，但是在國內(nèi)，目前尚無數(shù)十微焦級別的全光纖結構的超短脈沖飛秒激光放大系統(tǒng)，而該能量級別的超短脈沖激光已經(jīng)可以滿足包括精密切割，打孔等大多數(shù)的工業(yè)應用需求。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了克服現(xiàn)有技術的缺陷和問題，本發(fā)明提供一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)。

一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)，其包括啁啾光纖光柵3及依次順序連接的光纖激光器1、光纖環(huán)形器2、第一單模光纖放大器4、第一雙包層光纖放大器5、降頻器6、第二單模光纖放大器7、第二雙包層光纖放大器8、柔性光子晶體光纖放大器9和脈沖壓縮器10，所述啁啾光纖光柵3連接于所述光纖環(huán)形器2，所述光纖激光器1、所述光纖環(huán)形器2、所述啁啾光纖光柵3、所述第一單模光纖放大器4、所述第一雙包層光纖放大器5、所述降頻器6、所述第二單模光纖放大器7、所述第二雙包層光纖放大器8、所述柔性光子晶體光纖放大器9及所述脈沖壓縮器10均采用保偏全光纖結構的熔融拼接實現(xiàn)連接。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述光纖環(huán)形器2包括光輸入端、光輸出端以及連接端，所述光纖激光器1通過所述光輸入端接入所述光纖環(huán)形器2，所述光纖環(huán)形器2通過所述光輸出端接入所述第一單模光纖放大器4，所述啁啾光纖光柵3通過所述連接端接入所述光纖環(huán)形器2。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述光纖激光器1為全保偏結構的鎖模激光器，其輸出激光脈沖的重復頻率是40MHz，脈寬為15ps，中心波長1030nm，平均功率18mw。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述啁啾光纖光柵3具有固定色散系數(shù)的正色散特性。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述第一單模光纖放大器4由由單模抽運半導體激光器、光纖波分復用器和保偏的摻鐿單模光纖組成。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述第一雙包層光纖放大器5由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm、內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層光纖。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述降頻器6是基于保偏光纖耦合輸入輸出的聲光調(diào)制器，其主要由聲光調(diào)制器驅動和聲光晶體組成。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述第二單模光纖放大器7由波分復用器以及摻鐿單模增益光纖組成。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述第二雙包層光纖放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑為125μm的保偏雙包層光纖。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述柔性光子晶體光纖放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源以及柔性光子晶體光纖組成。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述柔性光子晶體光纖按照光子晶體光纖的保偏軸進行盤繞。

本發(fā)明一較佳實施方式中，所述脈沖壓縮器10采用透射式光柵對，光柵刻線密度1600line/mm。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的所述全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)中，所述光纖激光器、所述光纖環(huán)形器、所述啁啾光纖光柵、所述第一單模光纖放大器、所述第一雙包層光纖放大器、所述降頻器、所述第二單模光纖放大器、所述第二雙包層光纖放大器、所述柔性光子晶體光纖放大器及所述脈沖壓縮器均采用保偏全光纖結構的熔融拼接實現(xiàn)連接，使得整個系統(tǒng)具有較佳的穩(wěn)定性、緊湊性以及免維護等特點，成為一種高集成、免調(diào)試的超短脈沖激光系統(tǒng)。同時，通過引入大模場面積光子晶體光纖，有效地降低了超短脈沖放大過程中的非線性積累，實現(xiàn)了在全光纖結構中輸出高能超短脈沖，且由于是全光纖結構，所以輸出光束質(zhì)量高。此外，采用全保偏光纖，可確保光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和外部干擾的不敏感特性，并使得輸出激光為線偏振。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)的光路結構示意圖；

圖2是基于圖1所示的全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)壓縮后的激光脈沖自相關曲線圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

請參閱圖1，本發(fā)明一較佳實施例提供一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)，其包括啁啾光纖光柵3及依次順序連接的光纖激光器1、光纖環(huán)形器2、第一單模光纖放大器4、第一雙包層光纖放大器5、降頻器6、第二單模光纖放大器7、第二雙包層光纖放大器8、柔性光子晶體光纖放大器9和脈沖壓縮器10，所述啁啾光纖光柵3連接于所述光纖環(huán)形器2，所述光纖激光器1、所述光纖環(huán)形器2、所述啁啾光纖光柵3、所述第一單模光纖放大器4、所述第一雙包層光纖放大器5、所述降頻器6、所述第二單模光纖放大器7、所述第二雙包層光纖放大器8、所述柔性光子晶體光纖放大器9及所述脈沖壓縮器10均采用保偏全光纖結構的熔融拼接實現(xiàn)連接。

優(yōu)選地，所述光纖激光器1為全保偏結構的鎖模激光器，其輸出激光脈沖的重復頻率是40MHz，脈寬為15ps，中心波長1030nm，平均功率18mw。

本實施例中，所述光纖環(huán)形器2包括光輸入端21、光輸出端23以及連接端25，所述光纖激光器1通過所述光輸入端21接入所述光纖環(huán)形器2，所述光纖環(huán)形器2通過所述光輸出端23接入所述第一單模光纖放大器4，所述啁啾光纖光柵3通過所述連接端25接入所述光纖環(huán)形器2。

本實施例中，所述啁啾光纖光柵3具有固定色散系數(shù)的正色散特性。可以理解的是，由于所述啁啾光纖光柵3的折射率間隔不同，導致不同波長的光在其中的不同位置滿足布拉格條件得以反射，比如，紅光在其入口處反射，藍光在其尾部反射。

可以理解的是，所述光纖環(huán)形器2和所述啁啾光纖光柵3共同組成了光纖展寬器。

本實施例中，所述第一單模光纖放大器4由單模抽運半導體激光器、光纖波分復用器和保偏的摻鐿單模光纖組成。

本實施例中，所述第一雙包層光纖放大器5由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。其中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm、內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層光纖。

本實施例中，所述降頻器6是基于保偏光纖耦合輸入輸出的聲光調(diào)制器，其主要由聲光調(diào)制器驅動和聲光晶體組成。

本實施例中，所述第二單模光纖放大器7由單模抽運半導體激光器、光纖波分復用器和保偏的摻鐿單模光纖組成。

本實施例中，所述第二雙包層光纖放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。其中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑為125μm的保偏雙包層光纖。當然，并不局限于本實施例，所述第二雙包層光纖放大器8也可以采用不同芯徑的雙包層光纖，比如10um或者25um芯徑的。

本實施例中，所述柔性光子晶體光纖放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源以及柔性光子晶體光纖組成。雙包層摻鐿光纖為芯徑40μm，包層直徑為200μm的保偏光子晶體光纖。其中，所述柔性光子晶體光纖按照光子晶體光纖的保偏軸進行盤繞，且其為大模場面積光子晶體光纖。

優(yōu)選地，所述柔性光子晶體光纖放大器9和所述第二雙包層光纖放大器8之間采用光纖熔接技術，實現(xiàn)對不同模場面積的特種光纖的熔接。由此，通過放大，在保證無拉曼頻移的情況下，可以將輸出信號放大。

本實施例中，所述脈沖壓縮器10采用透射式光柵對，光柵刻線密度1600line/mm。

以下，本發(fā)明通過具體實施例來說明所述全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)。

光纖激光器1為全光纖鎖模激光器，其輸出激光脈沖的重復頻率為40MHz，光譜寬度為9nm，脈沖寬度為15ps，平均功率為18mW。

基于單模光纖的光纖環(huán)形器2和啁啾光纖光柵3組成脈沖展寬器，將輸入的脈沖由初始的15ps展寬到大于600ps，同時由于損耗導致輸出功率為1.5mW。

第一單模光纖放大器4由單模抽運半導體激光器、光纖波分復用器和保偏的摻鐿單模光纖(纖芯直徑6μm，包層直徑125um)組成，將1.5mW的信號光放大到約60mW。

然后進入第一雙包層光纖放大器5，第一雙包層光纖放大器5由泵浦合束器，LD泵浦源及雙包層摻鐿光纖組成。其中，雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層光纖。第一雙包層光纖放大器5將60mW的信號光放大到約1.8W。

1.8W的信號光經(jīng)過光纖耦合的聲光調(diào)制器，即降頻器6進行降頻，把種子源的40MHz的重復頻率降低到200KHz，降頻之后輸出功率變?yōu)?mW。

降頻后的信號光再進入第二單模光纖放大器7，第二單模光纖放大器7由單模抽運半導體激光器、光纖波分復用器和保偏的摻鐿單模光纖(纖芯直徑6μm，包層直徑125um)組成，將1.5mW的信號光放大到約20mW。

然后進入第二雙包層光纖放大器8進行能量放大，第二雙包層光纖放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源及雙包層摻鐿光纖組成。其中，雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層增益光纖，其將20mW的信號光進行放大，可以獲得最高2W的輸出。但是，由于在放大過程中會產(chǎn)生較大的非線性，包括拉曼頻移，因此為了保證最后一級的放大輸出以及控制整個全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)的非線性有效控制，該級將信號只放大到300mW。

然后將300mW的信號通過光纖熔接，導入到柔性光子晶體光纖放大器9中，柔性光子晶體光纖放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源及柔性光子晶體光纖組成。雙包層摻鐿光纖為芯徑40μm，包層200μm的保偏光子晶體光纖。柔性光子晶體光纖按照光子晶體光纖的保偏軸進行盤繞。柔性光子晶體光纖與雙包層光纖之間采用光纖熔接技術，實現(xiàn)對不同模場面積的特種光纖的熔接。通過放大，在保證無拉曼頻移的情況下，可以將輸出信號放大到20W。

放大之后的光通過1600lines/mm的透射光柵(即脈沖壓縮器10)對進行壓縮，獲得壓縮輸出功率10W，脈沖重復頻率為200KHz的激光輸出，于此相對應的單脈沖能量高達50μJ，壓縮后脈沖寬度為933fs。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的所述全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)中，所述光纖激光器1、所述光纖環(huán)形器2、所述啁啾光纖光柵3、所述第一單模光纖放大器4、所述第一雙包層光纖放大器5、所述降頻器6、所述第二單模光纖放大器7、所述第二雙包層光纖放大器8、所述柔性光子晶體光纖放大器9及所述脈沖壓縮器10均采用保偏全光纖結構的熔融拼接實現(xiàn)連接，使得整個系統(tǒng)具有較佳的穩(wěn)定性、緊湊性以及免維護等特點，成為一種高集成、免調(diào)試的超短脈沖激光系統(tǒng)。同時，通過引入大模場面積光子晶體光纖，有效地降低了超短脈沖放大過程中的非線性積累，實現(xiàn)了在全光纖結構中輸出高能超短脈沖，且由于是全光纖結構，所以輸出光束質(zhì)量高。此外，采用全保偏光纖，可確保光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和外部干擾的不敏感特性，并使得輸出激光為線偏振。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。